Фокусирующие ПЭП
Акустическое поле
Акустическое поле преобразователя разделено на две зоны: ближнюю и дальнюю.
Ближняя зона представляет собой область непосредственно перед преобразователем, где амплитуда эхосигнала проходит серию максимумов и минимумов и заканчивается на последнем максимуме, расположенном на расстоянии N от преобразователя.
Расстояние до последнего максимума называется глубиной ближней зоны (N) и представляет собой естественный фокус преобразователя. Дальняя зона представляет собой область за расстоянием N, где давление акустического поля постепенно падает до нуля. Из-за колебаний в ближней зоне может оказаться затруднительным точно оценить дефекты, используя приемы, основывающиеся на измерении амплитуды.
Глубина ближней зоны зависит от частоты преобразователя, размера пьезоэлемента и скорости звука в материале объекта контроля, как показано в формуле 8:
N = D2f/4c N= а2/λ = а2 f/c (8)
N= S/πλ (8а)
N - Глубина ближней зоны
D - Размер пьезоэлемента
f - Частота
с - Скорость ультразвука в материале
λ - Длина волны
Другие параметры ультразвукового луча
Существуют и другие параметры акустического поля, которые используются при описании характеристик преобразователя. Для определения соответствия преобразователя конкретным условиям контроля, кроме характеристик ближней зоны акустического поля, может потребоваться знание диаметра ультразвукового луча и глубины фокусной зоны. Графически эти параметры изображены на рисунке (8).
Диаметр ультразвукового луча
На чувствительность преобразователя влияет диаметр ультразвукового луча в интересующей точке. Чем меньше диаметр луча, тем большее количество энергии отражается от дефекта. Диаметр луча в фокусе при -6 дБ вычисляется по формулам 9 и 9а. Для плоского преобразователя с плоской контактной поверхностью используется формула 9 с SF = 1.
BD (-бдБ) =1,02Fc/fD (9)
BD (-6 дБ) = 0,2568DSF (9а)
BD - Диаметр луча
F - Фокусное расстояние
с - Скорость ультразвука в материале
f - Частота
D - Размер пьезоэлемента
Sf - Нормализованное фокусное расстояние (формула 14)
Фокусная зона
Начальная и конечная точки фокусной зоны расположены там, где осевая амплитуда сигнала падает до уровня -6 дБ амплитуды в фокусной точке. Расчет глубины фокусной зоны производится по формуле (10):
Fz = N * SF2[2/(1 +.5SF)] (10)
Fz - Фокусная зона
N - Ближняя зона
Sf - Нормализованное фокусное расстояние
На рисунке (9) изображены нормализованные начальная и конечная точки фокусной зоны при -6 дБ в соотношении с коэффициентом фокусировки.
Иммерсионные преобразователи.
Иммерсионные преобразователи имеют три основных преимущества перед контактными преобразователями:
• Равномерный контакт, уменьшающий колебания чувствительности;
• Уменьшение времени сканирования благодаря автоматическому сканированию;
• Фокусировка иммерсионных преобразователей увеличивает чувствительность к отражателям малого размера.
Фокусировка
Иммерсионные преобразователи выпускаются в трех различных конфигурациях: нефокусирующие ("плоские"), фокусирующие сферически ("в точку") и фокусирующие цилиндрически ("в линию"). Фокусировка обеспечивается установкой линз или изменением кривизны самого активного элемента. Использование линз является наиболее распространенным способом фокусировки преобразователей.
Нефокусирующие преобразователи могут быть использованы при контроле общего характера, обеспечивая проникновение ультразвука в толстые объекты контроля. Сферически фокусирующие преобразователи обычно используются для повышения чувствительности к отражателям малого размера, а цилиндрически фокусирующие преобразователи - для контроля труб или прутков. Примеры сферической и цилиндрической фокусировки изображены на рисунке (17).
Фокусным расстоянием преобразователя называется расстояние от рабочей поверхности преобразователя до точки в акустическом поле, в которой сигнал имеет наибольшую амплитуду.
У нефокусирующего преобразователя фокусное расстояние приблизительно равно глубине ближней зоны. Поэтому преобразователи этого типа не могут быть акустически сфокусированы на расстояние, превышающее глубину ближней зоны.
При выборе преобразователя необходимо выяснить тип фокуса (сферический или цилиндрический), фокусное расстояние и вид объекта фокусировки (точка или плоская поверхность). Основываясь на этой информации, можно рассчитать радиус кривизны линз, который меняется в зависимости от значений вышеперечисленных параметров. При контроле измеренное фокусное расстояние будет зависеть от вида объекта фокусировки.
Существуют ограничения фокусного расстояния для преобразователей с определенной комбинацией частота/размер активного элемента, а также вида объекта фокусировки.
Максимальное практическое фокусное расстояние при фокусировке на точку составляет 0,8 от глубины ближней зоны. Преобразователи с фокусным расстоянием, превышающим эти максимумы, но меньшим, чем глубина ближней зоны, называются слабофокусными. Другими словами, фокусирующий преобразователь может не иметь преимуществ по этим
характеристикам сравнительно с нефокусирующим. Кроме ограничений по максимальным фокусным расстояниям, имеются ограничения по минимальным фокусным расстояниям. Эти ограничения обычно имеют место из-за механических характеристик преобразователя.
Изменение фокусного расстояния в зависимости от скорости ультразвука в