книги / Применения ультразвука

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

Окончание табл. 3.8.

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.

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) =

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:

Для наклонного преобразователя с прямоугольным преобра­ зующим элементом:

где dp —толщина люцитовой прокладки, ULP —скорость продоль­ ной волны в люците, Um —скорость продольной волны в иссле-

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:

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

Табл. 3.10 Значения Л'для круглых и прямоугольных преобразователей, полученные в импульсном эхо-методе

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