книги / Применения ультразвука
..pdf3.7.7. Преобразователь емкостного типа
Преобразователь емкостного (конденсаторного) типа состоит из стационарного и подвижного электродов. В основе его рабо ты — взаимодействие этих электродов. Такой преобразователь может действовать как передатчик и как приемник, что обуслов лено воздействием электростатических сил отталкивания и при тяжения на электроды вследствие напряжения поляризации. Этот эффект можно воссоздавать в различных формах, чтобы увеличи вать чувствительную поверхностную область, если присутствуют какие-то технологические ограничения.
Простая конструкция квазиточечного емкостного преобразо вателя приводится на рис. 3.24. В качестве мембраны использу ется пластичная фольга: майлар (полиэтилен терифталат), кордель полистирольный и т.д. Эти мембраны покрывают тонкими слоями золота, меди или алюминия. Для достижения требуемого условия высокой частоты прилагаются значительные усилия, нацеленные на сохранение рабочего зазора между электродами.
Эквивалентная цепь
Способ возбуждения и схема эквивалентной цепи емкостного преобразователя показаны на рис. 3.25. Во время преобразования переменное напряжение Vin, подводимое к Г, накладывается на пос тоянное напряжение поляризации V . Конденсатор служит в качес тве фильтра и замыкает цепь переменного напряжения. При отсутс твии какой-либо поляризации преобразователь генерирует сильно искаженный сигнал удвоенной частоты. Амплитуда возбуждающего напряжения обычно варьируется от 10до 300V , соответственно на пряжение поляризации находится в границах от 100 до 300 V. В ре жиме приема сигнал от Стпроходит во входной усилитель и не под вергается воздействию диода благодаря своей маленькой амплитуде.
~к„
* |
bùll Tr |
С“ R„ |
|
—ч я яая г — |
— 1— |
Входной
усилитель
С - |
1 |
D, 31 'll |
|
|
При создании цепи, генерирующей ультразвуковые волны с помощью преобразователя, важно правильно подобрать компо ненты предварительного усилителя с учетом требуемой подводи мой мощности. Это позволит согласовать различные параметры предварительного усилителя, такие как входной импеданс, вход ное напряжение, ток смещения и т.д. Поэтому рекомендуется использовать дискретные компоненты, а не интегральную схе му. Кроме того, важно ограничивать напряжение, чтобы достичь требуемой точности и стабильности во время работы преобразо вателя.
3.8. Сравнение источников ультразвука
Как отмечалось в начале главы, с целью генерирования и при ема ультразвуковых волн наиболее широко применяются пье зоэлектрические преобразователи. Однако в этом случае для тестирования и получения характеристик изделий всегда требу ется подходящая связующая среда (прослойка). В новых облас тях применения нужны бесконтактные способы генерирования
иприема ультразвука. В таких случаях полезными оказываются ЕМАТ, лазерная ультраакустика и т.д. Чтобы выбрать определен ный преобразователь для конкретного применения, необходимо сравнить различные типы преобразователей. В табл.е 3.8 приво дятся характерные особенности пьезоэлектрического, ЕМАТ-
илазерного методов.
3.9. Характеристики ультразвукового луча
Помимо частоты и интенсивности ультразвука, которые мы вы бираем в зависимости от конкретного применения, мы также должны обратить внимание на характеристики луча преобра зователя. Чтобы не столкнуться с такими проблемами, как упу щенный из виду дефект или неверная интерпретация показаний ^-сканирования, необходимо обладать знаниями о характеристи ках ультразвукового луча.
Важными параметрами, характеризующими ультразвуковой луч, являются:
1 ) профиль луча или траектория;
2)область ближнего поля;
3)расчет ближнего поля;
4)область дальнего поля или дальняя зона;
5)определение угла раствора луча;
6)профилирование луча.
В следующих разделах мы подробно рассмотрим вышепере численные темы.
3.9.1. Профиль луча или траектория
Область, в которой распространяются ультразвуковые волны, генерируемые преобразователем, называется ультразвуковымлу чом.
Табл. 3.8. Сравнение пьезоэлектриков, ЕМАТи лазера
Характеристика |
Пьезоэлектрик |
ЕМАТ |
Лазер |
Связующая |
Требуется, не |
Не требуется |
Не требуется кон |
среда |
может работать в |
контакта, мо |
такта, может рабо |
|
вакууме |
жет работать |
тать в вакууме |
|
|
в вакууме |
|
Расстояние |
Прямой контакт |
Расстояние |
Может быть очень |
при работе |
при контактном |
не должно |
большим |
|
методе; при ме |
превышать |
(несколько |
|
тоде погружения |
1мм |
метров) |
|
расстояние равно |
|
|
|
прослойке воды |
|
|
Диапазон |
100 кГц-2 5 МГц |
0 ,5 -1 0 МГц |
Очень большой |
частот |
|
|
диапазон частот |
|
|
|
(от кГц до МГц) |
Тип волн |
Продольные, |
Продольные, |
Продольные, по |
|
поперечные и |
поперечные |
перечные и повер |
|
поверхностные |
и поверхност |
хностные волны |
|
волны |
ные волны |
|
Чувствитель |
Очень высокая |
Относительно |
Относительно низ |
ность |
|
низкая, резко |
кая, но ограниче |
|
|
уменьшается |
ний по расстоянию |
|
|
с увеличени |
нет |
|
|
ем расстояния |
|
Окончание табл. 3.8.
Характеристика |
Пьезоэлектрик |
ЕМАТ |
Лазер |
Материал |
Практически |
Проводящие |
Практически |
|
любой материал |
материалы |
любой материал, |
|
|
(металлы) |
однако при работе |
|
|
|
с лазером высокой |
|
|
|
интенсивности |
|
|
|
нужно следить за |
|
|
|
возможным при |
|
|
|
чинением ущерба |
Обследование |
До определенной |
Успешно |
Успешно приме |
при высоких |
степени |
применяется |
няется |
температурах |
|
|
|
Безопасность |
Достаточно |
Не требуется |
Могут потребо |
|
безопасен |
|
ваться меры огра |
|
|
|
ниченного доступа |
Стоимость |
Вполне |
Приемлемая |
Очень высокая |
|
приемлемая |
|
|
Упрощенное схематическое изображение траектории ультра звукового луча круглого кристаллического преобразователя пока зано на рис. 3.26. Качественную картину изменения давления вдоль направления распространения волны иллюстрирует рис. 3.27.
3 .9 .2 . Область ближнего поля
Пьезоэлектрический преобразователь можно расценивать как совокупность точечных источников, каждый из которых излу чает сферические ультразвуковые волны в окружающую среду (рис. 3.31). Эти сферические волны сталкиваются друг с другом и формируют систему максимумов и минимумов интенсивности
вобласти, близкой к преобразователю. Такая область называется ближним полем. Волновой фронт в ближнем поле имеет плоскую форму и показан на рис. 3.31. Изменения интенсивности вдоль и поперек направления оси для типичного преобразователя отраже ны на рис. 3.32 и 3.33. Очень важно правильно интерпретировать помехи, возникающие в ближнем поле, поскольку их используют
вкачестве показаний, а амплитуда отраженного сигнала от поме хи может значительно варьироваться при изменении эффектив ного расстояния от образца.
Рис. 3.31. Распространение сферических волн, генерируемых преобразующими элементами
Расстояние от преобразователя в единицах размера области ближнего поля
Рис. 3.33. График типичного луча в воде для 5-мегагерцового преобразователя диаметром 16 мм
3.9.3. Расчет протяженности ближнего поля
Протяженность N ближнего поля зависит от диаметра ультразву кового преобразователя и длины ультразвуковых волн в конкрет ной среде. Величина N прямо пропорциональна квадрату диа метра и обратно пропорциональна длине волны. Она выражается следующим образом:
# = </2/(4Л) =
= d2f/(4U), |
(3.23) |
где N —протяженность ближнего поля, d —диаметр преобразова теля, X —длина волны в материале, U—скорость звука в материа л е,/—частота возбуждения преобразователя.
Для наклонного преобразователя с круглым преобразующим элементом:
N = d2/(4X)-dpULP/Um , |
(3.24) |
Для наклонного преобразователя с прямоугольным преобра зующим элементом:
N = \y2LW/ (4А) - dpULP /UTM> |
(3.25) |
где dp —толщина люцитовой прокладки, ULP —скорость продоль ной волны в люците, Um —скорость продольной волны в иссле-
дуемом материале, £ и Ж —длина и ширина кристалла преобра зователя.
Видно, что в ближнем поле изменение интенсивности проис ходит неравномерно. Из-за этого возникают неясности при опре делении размера помехи в ближнем поле.
3.9.4. Область дальнего поля, или дальняя зона
Область за ближним полем называется дальним полем, или зоной Фраунгофера. В дальнем поле фронт ультразвуковых волн на рас стоянии от преобразователя, превышающем три длины волны, имеет сферическую форму, в отличие от волнового фронта ближ него поля, который является плоским. Протяженность ближнего поля — это расстояние между передней поверхностью преобра зователя и первой фокальной точкой, где ультразвуковая энер гия максимальна. В дальнем поле интенсивность изменяется в зависимости от квадрата расстояния (закон обратных квадратов). Если схематично изобразить интенсивность поля поперек луча (то есть перпендикулярно оси луча), то мы увидим неравномер ные вариации в ближнем поле и однородные в дальнем (рис. 3.34). Поскольку интенсивность поперек луча неодинакова, все точ ки, находящиеся в нем, сканируются с разной интенсивностью. Поэтому во время тестирования области сканирования, как пра вило, перекрывают друг друга.
Рис. 3.34. Изменение ультразвуковой интенсивности поперек осевого направления луча
Следует отметить, что вышеприведенные рассуждения дейс твительны не для всех без исключения преобразователей. Как
правило, профиль луча преобразователя (варьирование его ин тенсивности вдоль и поперек осевого направления в пределах гра ниц) зависит от многих факторов, таких как преобразующий эле мент и его диаметр, материал подложки, корпус преобразователя и т.д. Поэтому желательно проводить ряд последовательных эк спериментальных процедур, чтобы получить профиль луча отде льно взятого преобразователя, если в этом возникнет надобность.
3.9.5. Определение угла раствора луча
Как было сказано выше, при движении волны от преобразователя всегда имеет место расхождение ультразвукового луча (диверген ция). Угол раствора, или угол дивергенции, можно рассчитать по формуле:
0 =sin'\KX/d), |
(3.26) |
где К —константа, которая зависит от: (I) выбора края луча (гра ницы), (II) метода (эхо-импульсный/теневой), используемого для определения распространения луча и (III) формы преобра зователя (круглый/прямоугольный). Профиль луча показан на рис. 3.35.
Рис. 3.35. Дивергенция ультразвукового луча и угол дивергенции
Значения А"для круглых и прямоугольных преобразователей, полученные в теневом методе, приведены в табл. 3.9. Аналогично значения К, выведенные при использовании импульсного эхометода, даются в табл. 3.10. Разница значений К в обеих таблицах обусловлена различиями во взаимодействии волн, возникающих на краях преобразователей.
Табл. 3.9. Значения if для круглых и прямоугольных преобразователей, полученные в теневом методе
Край, % дБ |
гг |
"^прямоугольный |
круглый |
||
10% (-20 дБ) |
1,08 |
0,60 |
50% (-6 дБ) |
0,54 |
0,91 |
Табл. 3.10 Значения Л'для круглых и прямоугольных преобразователей, полученные в импульсном эхо-методе
Край, |
^КРУГЛЫЙ |
Г |
% дБ |
прямоугольный |
|
|
|
|
10% (-20 дБ) |
0,87 |
0,74 |
50% (-6 дБ) |
0,51 |
0,44 |
3.9.6. Профилирование луча преобразователя
Для того чтобы получить профиль луча конкретного преобразова теля, применяются нижеописанные процедуры. Первым методом является сквозная передача сигнала (сквозное прозвучивание). В этом случае пробник очень маленького диаметра передвигается по задней поверхности плоскопараллельных образцов различной толщины. Одновременно регистрируются амплитуды по пока заниям на экране электронно-лучевой трубки. График раствора луча получают при соединении всех точек, соответствующих оди наковым амплитудам. Полученный подобным образом звуковой луч также называют свободным полем.
Во втором методе раствор луча измеряется с помощью им пульсной эхо-техники. Для построения графика луча использу ются маленькие отражатели фиксированного размера, располо женные на различных глубинах. Полученный график называется
полем эхо-сигналов.
В третьем методе осуществляется визуализация ультразвуко вого луча. Однако ее можно реализовать только в оптически про зрачной среде, например в воде, стекле и т.д. Первооткрывателем метода стал Шлирен, он же и использовал явление взаимодейс твия света со звуковыми волнами. Распространение ультразвуко вой волны в среде вызывает мгновенные изменения в показателях