книги / Применения ультразвука

среды, которых достаточно, чтобы вызвать рефракцию световых волн. Преломленные световые волны дают визуальное представ­ ление об ультразвуковом луче.

3.10.Заключение

Вэтой главе вкратце рассматриваются принципы, источники генерации ультразвука, различные виды преобразующих мате­ риалов, устройство преобразователей и т.д. Кроме того, уделено внимание различным способам создания и обнаружения уль­ тразвуковых волн для бесконтактного применения. Описаны важнейшие концепции, лежащие в основе выбора материалов, устройства преобразователя, типа, частоты, профиля луча, что служит большим подспорьем при выборе нужного преобразова­ теля. Приведена эквивалентная схема преобразователей. Также обсуждаются относительные достоинства пьезоэлектрического, ЕМАТ- и лазерного ультразвука. Таким образом, третья глава дает всеобъемлющую и подробную информацию об ультразвуковых преобразователях для различных областей применения.

Рекомендуемая литература

1.Allen D R and Martin R, Measuring Boiler Tube wall Thickness in Thermal Power Plants using Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs), Report NO.AERE-R11653, (1985).

2.Bainton K F, Killer M J and Silk M K, J Phys E; Sci Instrum, 14 (1981) 1313.

3.Callerame J, TancreU R H and Wilson D T, IEEE Cat. 79CH 1482-9SU- (London:IEEE), (1979) 407.

4.Frost H M, Electromagnetic Ultrasound Transducers: Principles, Practice, and Applications, Physical Acoustics, Vol. XIV, (1979) 179.

5.Fukuda E, Ultrasonics, 6(1968) 229.

6. Kawai H, Japan J Appl Phys, 8 (1969) 975.

7. Krautkrmar J and Krautkrmar H, Ultrasonic Testing of Material, 3rd ed., Springer Verlag, New York, (1983).Mason W P and Thurston R N, Physical Acoustics, Vol XIV, Academic Press, New York, (1979).

8. Mattiat О E, Ultrasonic Transducer Materials, Plenum Press, New York, (1971).

9.Me Collum M D, Hamonic B F and Wilson О В, Proceeding of third workshop on Transducers for Sonic and Ultrasonic, Technomic Publising Co. Inc, Corlando, Florida, May 6-8, (1992) Chapters 8 and 30.

10. Rose J L and Goldbeig В В, Basic Physics in Diagnostic Ultrasound, John Wiley & Sons, New York, (1979).

11. Rose J L and Goldberg В В, Basic Physics in Diagnostic Ultrasound, John Wiely & Sons, New York, (1979). Silk M G, Ultrasonic Transducers for Nondestructive Testing, Adams Higler Ltd, Bristol, (1984).

12.Stefan Kocis and Zdenko Figura, Ultrasonic Measurements and Technologies, Chapman & Hall, London, (1996).

13.Tamura M, Yamabuchi T, Oyaba T and Yoshimi T, J Audio. Eng Soc, 23 (1975)21.

14.White R M, Chuang С T and Lee A C, IEEE Trans Son Ultrasonics, SU-28 (1981)8.

ГЛАВА 4

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКА

4.1. Введение

Значительный прогресс в применении ультразвука в разно­ образных отраслях имел место главным образом благодаря таким факторам, как простота генерирования и обнаружения ультразвуковых волн, компактность преобразователей, их чувствительность по отношению к тестируемой среде, доста­ точный уровень надежности и приемлемая стоимость. В тре­ тьей главе мы обсуждали основные принципы, различные ви­ ды и совершенствование технологий преобразователей. Как было сказано в третьей главе, принцип пьезоэлектричества и пьезоэлектрические преобразователи чаще всего используются для генерации и обнаружения ультразвуковых волн. Тем не ме­ нее существует ряд других принципов и инструментов, пред­ назначенных для обнаружения ультразвука. Ультраакустика как наука не заканчивается на том, чтобы эффективно создавать и выявлять ультразвуковые волны различными способами. После обнаружения волны ее необходимо точно измерить и про­ анализировать, чтобы оценить ее составляющие и сопоставить измеренные параметры с параметрами среды/материапа (пос­ тоянные упругости, микроструктура, плотность, пористость и др.). Все методы измерения ультразвука имеют ряд общих харак­ теристик:

(I) Эффективное обнаружение.

(II) Анализ источника и составляющих обнаруженной волны. (III) Точное измерение основных параметров, таких как зату­

хание и скорость.

Некоторые методы могут быть чрезвычайно эффективны в отношении одного из вышеперечисленных факторов. Несколько методов характеризуются высокой точностью только в одном из

12 0 Глава 4. Методы измерения ультразвука

аспектов, в то время как для остальных существуют полностью автоматизированные процедуры измерения. Таким образом, для более эффективного применения следует оценить все методы. В этой главе рассказывается об ультразвуковых детекторах и мето­ дах измерения.

В большинстве областей применения ультразвука первооче­ редным фактором является измерение скорости или времени пробега волны. Точный метод измерения скорости или времени пробега имеет огромное значение, поскольку он позволяет выяв­ лять количественную взаимосвязь ультразвуковых измерений и проблем. Эта глава нацелена на то, чтобы дать читателю представ­ ление о процедурах и относительных достоинствах/недостатках тех или иных методов.

4.2. Обнаружение ультразвуковых волн

При обнаружении ультразвуковых волн применяются принци­ пы, основанные на пьезоэлектрических, электрострикционных и магнитострикционных эффектах. Для обнаружения используют­ ся различные методы:

1 ) механический;

2 ) оптический;

3) электрический.

В следующих трех разделах обсуждаются наиболее распростра­ ненные методы обнаружения ультразвуковых волн. Различные экспериментальные методы, применяемые как для создания, так и для измерения распространяющегося ультразвука и его затуха­ ния в среде, рассматриваются позже.

4.2.1. Механический метод

В основе применяемых в данном методе детекторов ультразвуко­ вых волн заложен принцип использования давления излучения [1 ]. Для обнаружения волн используется пропорция между дав­ лением излучения и плотностью энергии. Экспериментальное устройство, применяемое в этом методе, показано на рис. 4.1. На дне сосуда с жидкостью возбуждаются ультразвуковые волны. Они проходят через жидкость вверх и блокируются пластиной. Блокирующая пластина играет роль чаши весов, создающих мик­ роравновесие, рис. 4.1.

Ультразвук проходит сквозьжидкую средуитолка­ етлевую чашу в направлении вверх, воздействуя силой, со­ здаваемой давлением излуче­ ния. Таким образом, возника­ ет неравновесие. Чтобы снова достичь равновесия, с пра­ вой чаши снимают малень­ кий груз. Малое изменение давления излучения вызыва­

ет изменение массы порядка десятков миллиграмм. Так измеряют силу излучения в показателях разницы двух масс.

Данный опыт чаще всего проводится для измерения коэффи­ циента поглощения и скорости ультразвуковых волн. Благодаря техническому совершенствованию инструментария метод не­ сколько устарел.

4.2.2. Оптический метод

Оптический метод широко применяется для обнаружения ультра­ звука. Принципом, заложенным в основу данного метода [2, 3], является изменение плотности и, следовательно, показателя пре­ ломления среды во время прохождения ультразвуковых волн.

Экспериментальное устройство, применяемое в данном ме­ тоде, использующем дифракцию звука, показано на рис. 4.2. Ультразвуковые волны генерирует кристалл кварца Т, который примыкает к одной из сторон ячейки с жидкостью. Кристалл воз­ буждается серией последовательных электрических импульсов. В условиях резонанса кристалл генерирует ультразвуковые волны в результате продольных сжатий и растяжений. Волны проходят сквозь жидкую среду, которая находится в стеклянной трубке, и отражаются рефлектором Р. Волны, отраженные рефлектором, называются эхом. Врезультате в жидкой среде возникают стоячие продольные волны вследствие наложения прямых и отраженных волн. Эти волны вызывают появление стационарной картины уз­ лов и пучностей. Плотность, а значит, и показатель преломления в узлах максимальны, а в пучностях минимальны. Данное устройс­ тво действует как дифракционная решетка, а сам опыт называется экспериментом с дифракционной решеткой.

Источник

света

- Жидкость

Ультразвуковая ячейка

Кристалл кварца (Т)

Рис. 4.2. Акустическая дифракционная решетка

Коллиматор формирует свет от источника. Параллельный моно­ хроматический луч из коллиматора направляется на акустическую решетку и падает на нее перпендикулярно. В результате формиру­ ется дифракционная картина с центральным максимумом первого порядка и максимумом второго порядка с каждой из сторон от него. Такую картину можно наблюдать с помощью зрительной трубы.

Длина световой волны равна:

где d —расстояние между двумя соседними узлами или пучностя­ ми, 0 и п —соответственно угол дифракции я-го порядка и поря­ док максимума.

Длина ультразвуковой стоячей волны:

Данный метод полезен для измерения длины волны и скоро­ сти распространения ультразвуковых волн в жидкостях и газах при различных температурах.

4.2.3.Электрический метод

Вэлектрическом методе длина ультразвуковой волны измеряется при помощи следующих приемов:

(I)Интерферометрия, или метод незатухающей волны.

(II) Импульсные методы

Наиболее важным аспектом в любых областях применения ультразвуковых волн является точное измерение времени про­ бега волны. В импульсном методе (РТ) [5] для генерирования и обнаружения ультразвуковых волн в жидкостях и твердых телах используется пьезоэлектрический преобразователь (с линией за­ держки или без нее). В импульсном методе, основанном на дейс­ твии электрического импульса малой продолжительности, волны создаются широкополосным пьезоэлектрическим преобразова­ телем. Преобразователь генерирует либо продольные, либо по­ перечные ультразвуковые волны в зависимости от характеристик пьезоэлемента. Преобразователь контактирует с материалом че­ рез соответствующую связующую прослойку (рис. 4.4).

Задняя поверхность

Рис. 4.4. Вид устройства в разрезе с демонстрацией основных эхо-сигналов

Продольные или поперечные ультразвуковые волны проходят через кварцевый буфер в образец. На передней поверхности образ­ ца часть энергии переходит в него, а остальная часть отражается обратно в пьезоэлектрический кристалл. Отраженные ультразвуко­ вые волны называются эхом передней поверхности (FS) и показаны на рис. 4.5. Волна, которая проходит в образец, отражается от его задней поверхности и называется эхом Вг Часть отраженной вол­ ны снова отражается от передней поверхности, а затем от задней. Второе отражение от задней поверхности формирует эхо ВТ Эхосигналы В, и В2показаны на рис. 4.5.

среды в разреженную (от преобразователя к люциту) происходит опрокидывание фазы. Это приводит к изменению внешнего вида эхо-сигналов от задней поверхности, то есть к появлению после­ довательности чередующихся эхо-сигналов исходной формы и их зеркальных отражений. В результате в измерения времени пробе­ га закрадываются ошибки. Можно избавиться от этой проблемы, если в измерениях рассматривать чередующиеся эхо-сигналы, а не сигналы одинаковой формы. Есть и другой вариант: нужно предва­ рительно провести опрокидывание фазы эхо-сигналов с помощью электронных средств.

Скорость ультразвуковых волн в веществе рассчитывается по

где d — толщина материала, / — время, за которое ультразвуковая волна проходит туда и обратно.

4.3.Методы точного измерения

Кимпульсным методам, применяемым для повышения точности измерения характеристик распространения ультразвуковых волн, относятся:

(I) циклическое возбуждение;

(И)наложение импульсов;

(III)перекрывание эхо-импульсов; (IV) взаимная корреляция;

(V)наклон фазы; (VI) прямой.

Рассмотрим вышеназванные методы, уделив внимание досто­

инствам и недостаткам каждого из них.

4.3.1. Циклическое возбуждение

Блок-схема метода циклического возбуждения (SA) [6] приведе­ на на рис. 4.6. Этот автоматизированный способ применяется для относительных измерений скоростей ультразвука. Метод не под­ ходит для абсолютного измерения скоростей.

Рис. 4.6. Блок-схема метода циклического возбуждения

Электрический импульс от запускающего передатчика на­ правляется на передающий преобразователь, который генерирует ультразвуковые волны в образце. Передний фронт принятого из образца и усиленного сигнала используется для генерации им­ пульсного сигнала, который инициирует новый импульс в пере­ датчике. Так происходит циклически, начиная с момента возник­ новения импульса. Счетчик измеряет количество сигналов запуска в секунду. Очевидно, что длительность одного цикла превышает время прохождения импульса в образце. Это обусловлено элект­ рическими задержками, связанными с запуском передатчика, вре­ менем нарастания усиливающегося импульса, генерацией сигнала запуска, акустическими задержками в двух преобразователях и их контактах с образцом. Если бы все эти задержки можно было из­ мерить и откорректировать, абсолютная точность системы превы­ шала бы 1 часть на 104 или 100ррт (частей на миллион).