Излучение и прием акустических волн. Пьезо-эффект

10.062004. В.Н. . Лекция 3.

Тема: Излучение и прием акустических волн.

Пьезо –эффект.

Природный пьезоэлемент –кварц. В производстве используются искусственные пьезокерамики:

-  титанат бария

-  ниобат лития

-  цирконат-титанат свинца.

Излучение акустических волн основано на обратном пьезоэффекте –изменении геометрических размеров пластины при изменении ее электрического состояния.

Прием акустических волн  основан на прямом пьезоэффекте –появлении зарядов противоположного знака на поверхности пьезоэлектрической пластины при ее деформации.

 

d

Излучение                                                                                               Прием

d

Для максимального излучения необходимо соблюсти условие резонанса:

d=l/2: толщина пластины должна равняться половине длины волны в пластине.

Для цирконата-титаната свинца. С=500 м/c; F=2,5 мГц , l=2 мм, d=1 мм.

Конструкция преобразователей.

                                              ПЭП

                       РС                                          СОВМЕЩЕННЫЕ

ПРЯМЫЕ                                                    НАКЛОННЫЕ

а). прямой ПЭП.

корпус провода демпфер пьезопластина протектор

Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и согласования акустических сопротивлений пьезопластины и контролируемого объекта.

Демпфер служит для обеспечения механической прочности конструкции, гашению колебаний пьезокерамической пластины и препятствует распространению энергии обратно в преобразователь.

Типовые прямые преобразователи служат для излучения и приема продольных волн.

б). наклонный ПЭП (НП)

         призма      b         b

В зависимости от угла призмы b НП может использоваться для излучения и приема продольных (b<b), поперечных волн (b<b<b) и поверхностных (b>b) волн.

Пример: Какой должен быть угол призмы НП, чтобы наиболее эффективно возбуждать поверхностную волну (в стали)? С=3000 м/c

l

сталь

R

Закон Снеллиуса: =;    b=arcsin=63°.

в). РС.

акустический экран

Углы призмы в РС небольшие порядка 3-5°.

Акустическое поле преобразователя.

Акустическое поле -это зависимость какой-либо акустической величины от положения исследуемой точки в пространстве.

Для определения акустического поля поместим приемник в ванну с водой на расстоянии r от излучателя и будем менять это расстояние.

r                    ПЭП

приемник

В ближней зоне происходит интерференция сигналов, излучаемых различными участками пьезокристалла. В каждую точку ближней зоны приходит сигнал с разной фазой.

2а

     P

r

r ближняя зона

r

Дальняя зона                                                              j                               дальняя зона

Ближняя

Зона

Размер ближней зоны:   r=.           Sin j=0,61=0,61;            где j -угол раскрытия в дальней зоне.

Для реального прямого преобразователя:     2а=12 мм;       f=2,5 мГц.   Находим  r ближней зоны и угол раскрытия в дальней зоне.        r===15,25 мм;         j=arcsin 0,61= arcsin 0,61=14°.

Сравнительные примеры:                            f               =                   f                      >                       f

                                                                       2а              <                   2а                     =                     2а

Диаграмма направленности прямого преобразователя.

Диаграмма направленности –это нормированная зависимость какой-либо акустической величины от направления на точку наблюдения.

Измерям сигналы от приемника  ставя его под различными углами к  излучателю. Пронормируем сигнал относительно макс сигнала.

                                            излучатель

j    u(j)    

j

-j                        +j                                     -j

0                                                     0       U    1

приемник                                      +j

Касательная к огибающей в т излучения

j                                      основной лепесток акустическая ось

1

Диаграмма направленности –это угловое распределение поля в дальней зоне. (до 80% энергии).

Угол раскрытия на уровне 0,5

0,5

j     1

 

Несмотря на то что точка А и С находятся на одном и том же расстоянии от излучателя

Дефекты, расположенные в т. С будут выявляться хуже т к в этом направлении распространяется меньше энергии чем в направлении т А.

 

        С                                 энергия в т С

А

Диаграмма направленности наклонного преобразователя.

При рассмотрении поля наклонного преобразователя реальную пьезопластину заменяют мнимым излучателем, который излучает волну нужного типа непосредственно в материал контролируемого объекта.

2а -размер в плоскости падения равен:     2а=2а;       2а=2а –размер мнимого излучателя в дополнительной плоскости.

                                                                                        2а

2а

                                                                                                                         b

a

Введение мнимого излучателя позволяет применить формулы для расчета протяженности ближней зоны иугла раскрытия, заменить в них размер пьезопластин на размер мнимого излучателя.

Пример1 : b=40°;     a=50°;      2а=12мм;        f=2,5мГц.      2а=12=10,6 мм;

Пример2 : b=50°;     a=65°;      2а=12мм;        f=2,5мГц.      2а=12=8 мм

С увеличением угла призмы размер мнимого излучателя в плоскости падения уменьшается, следовательно, угол раскрытия основного лепестка ДН в плоскости падения увеличивается.

Угол раскрытия основного лепестка ДН в дополнительной плоскости не зависит от угла призмы.

Электромагнитоакустический преобразователь.

ЭМА представляет собой катушку и эл магнит. При пропускании через катушку эл тока в самом контролируемом объекте наводятся вихревые токи. Со стороны магнитного поля, создаваемого эл магнитом, на электроны , образующие вихревой ток, действует сила, приводящая к их смещению. Это смещение передается  центрам кристаллической решетки, в результате чего возникает акустическая волна любого типа в зависимости от формы катушки.

Методы УЗ контроля.

                         Классификация методов акустического контроля.