超声声束特性

Наиболее часто используемые в УЗК преобразователи обладают следующими основными рабочими характеристиками, которые, в свою очередь, влияют на параметры ультразвукового луча, генерируемого в материале:

Тип - Идентификация преобразователя по виду контроля: контактный, иммерсионный или с линией задержки. Физические характеристики исследуемого материала, такие как шероховатость поверхности, температура и доступность, а также его свойства звукопередачи и диапазон измеряемой толщины будут влиять на выбор типа преобразователя.

Диаметр - Диаметр активного элемента преобразователя. Сам элемент находится внутри корпуса чуть большего размера. Преобразователи малого диаметра обеспечивают лучший акустический контакт с поверхностью образца, но преобразователи большого диаметра лучше размещаются на шероховатых поверхностях из-за эффекта усреднения. Большой диаметр также выбираются по конструктивным соображениям, поскольку частота преобразователя уменьшается.

Частота - Количество колебаний волны в секунду. Обычно выражается в килогерцах (кГц) или мегагерцах (МГц). Ультразвуковые измерения выполняются обычно в диапазоне частот от 500 кГц до 20 МГц, поэтому большинство преобразователей будут функционировать в этом диапазоне. Также доступны преобразователи, работающие в диапазоне частот от 50кГц и до 200 МГц. Проникающая способность улучшается с понижением частоты. С повышением частоты улучшаются разрешение и фокальная резкость.

Полоса пропускания - Стандартные преобразователи для толщинометрии генерируют звуковые волны не на одной конкретной частоте, но в пределах конкретного диапазона отцентрированного по заданной номинальной частоте. Полоса пропускания — диапазон частот в указанных пределах амплитуды. Широкая полоса пропускания желательна при измерениях толщины с использованием контактных, иммерсионных ПЭП и преобразователей с линией задержки.

Длительность импульса - Количество колебаний волны, генерируемых преобразователем с каждым импульсом. Преобразователь с узкой полосой пропускания генерирует большее количество колебаний волны, чем преобразователь с широкой полосой пропускания. На длительность импульса влияет диаметр активного элемента, материал подложки, электрическая настройка и способ возбуждения преобразователя. Короткие волны (широкополосные сигналы) используются в большинстве случаев толщинометрии.

Чувствительность - Отношение между амплитудами возбуждающего импульса и эхо-сигнала от отражателя. Это функция выходной энергии преобразователя.

Профиль луча - В рабочем приближении луч от обычного несфокусированного дискового преобразователя понимается как столп энергии, который распространяется от активного элемента, увеличиваясь в диаметре и постепенно рассеиваясь.

На самом деле реальный профиль луча гораздо сложнее и окрашен градиентом давления в поперечном и осевом направлении. На приведенном ниже изображении красным окрашены участки с максимальной энергией, зелёным и синим — участки с более низкой энергией.

Точная форма луча в данном случае определяется частотой и диаметром преобразователя, а также скоростью звука в материале. Зона максимальной энергии отмечает переход между ближним и дальним полем, каждое из которых характеризуется определенными типами градиентов давления. Длина ближнего поля — важный фактор в ультразвуковой дефектоскопии, поскольку влияет на амплитуду эхо-сигналов от незначительных дефектов, таких как трещины, но не является значимым фактором в толщинометрии.

Фокусировка - Иммерсионные преобразователи могут быть сфокусированы (с помощью акустических линз) для создания луча формы песочных часов, который сначала сужается к маленькой фокусной точке, а затем расширяется. Некоторые виды преобразователей с линией задержки также могут быть сфокусированы. Фокусировка луча очень удобна при контроле труб малого диаметра или изделий с переменным радиусом кривизны, поскольку сосредотачивает акустическую энергию в маленькой зоне и улучшает характеристики эхо-сигнала.

Затухание - При входе в объект организованный волновой фронт, создаваемый ультразвуковым преобразователем, начинает ослабевать из-за неполного переноса энергии в микроструктуре материала. Организованные механические вибрации (звуковые волны) преобразуются в хаотические механические колебания (тепло) до тех пор, пока колебания не затухнут. Этот процесс называется затуханием звука. Затухание зависит от материала и усиливается пропорционально частоте. Как правило, твердые материалы (металлы) имеют меньший коэффициент затухания, чем мягкие материалы (пластмассы). Затухание в конечном итоге ограничивает максимальную толщину материала, которую можно измерить с помощью заданной настройки толщиномера и преобразователя.

Перейти к разделу: Выбор преобразователя