Поле дискового преобразователя

Рассмотрим поле преобразователя дискообразной формы. Будем рассматривать поле на оси преобразователя (рис. 2.2).

, (2.8)

, (2.9)

. (2.10)

Рис. 2.2. Схема для расчета поля дискового преобразователя: А – элементарный источник; В – произвольная точка среды; S_А – площадь источника; – радиус-вектор; φ_А – угол между осью Oх и радиус-вектором; а – радиус преобразователя дискообразной формы; r_АВ – расстояние от точки А преобразователя до точки В элементарного отражателя в объекте контроля

, (2.11)

. (2.12)

В случае а<<х справедливо

; (2.13)

: ; (2.14)

: . (2.15)

Функция I испытывает осцилляции при увеличении х от 0 до х_Б:

, (2.16)

где х_Б – граница ближней зоны акустического преобразователя, отвечает значению последнего максимума функции I.

Область пространства перед преобразователем в интервале от 0 до х_Б называется ближней зоной (зоной Френеля). Это область акустического поля, где за счет интерференции наблюдается немонотонное изменение амплитуды. Восемьдесят процентов излучаемой энергии дискообразного преобразователя ограничено цилиндром, диаметр которого равен диаметру пьезопластины, а длина – х_Б. Энергия в ближней зоне распределена очень неравномерно.

Рис. 2.3. Структура поля преобразователя в зависимости от расстояния на оси: q – угол расхождения

Рис. 2.4. Модуль функции Бесселя первого порядка: P_A – амплитуда акустического давления на оси преобразователя

Как показано на рис. 2.3, от 0 до х_Б – волна плоская, при х > х_Б – волна сферическая. Область монотонного убывания амплитуды, где х > х_Б, называется дальней зоной (зоной Фраунгофера). В лучевом приближении в дальней зоне поле имеет вид расходящихся лучей из точки эффективного излучающего (акустического) центра. При неравномерной поляризации пьезопластины по радиусу, акустический центр можно сдвинуть за пьезопластину, уменьшая таким образом угол расхождения лучей.

В ближней зоне структура поля характеризуется большой неоднородностью, поэтому вести контроль в ней не рекомендуется. Все измерения осуществляются в дальней зоне. Если дефект находится в ближней зоне, а контроль произвести необходимо, то нужно управлять границей ближней зоны. В практике ультразвукового контроля чаще всего используется импульсное излучение. Оно характеризуется спектром частот, имеющим счетное число гармоник. Длительность импульса связана с шириной спектра – чем меньше длительность, тем шире спектр частот, тем сильнее сглаживаются осцилляции амплитуды поля в ближней зоне. Можно подобрать длительность импульса таким образом, что осцилляции исчезнут и структура поля в ближней зоне будет однородной. Но, даже в этом случае, на границе ближней зоны существует неопределенность по амплитуде, поэтому контроль в этой области вести не рекомендуется.