УДК 616-71
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СИНФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ
О.В. Муравьева, А.В. Мышкин
Исследовано влияние конструктивных особенностей синфазного ЭМА-преобразователя на формирование дополнительных лепестков в его акустическом поле с позиций оптимизации зазора, апертуры, числа и параметров элементов индуктора.
Ключевые слова: синфазный электромагнитно-акустический преобразователь, акустическое поле, дополнительные лепестки, рабочая частота, конструктивные особенности преобразователя.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование акустических полей преобразователей, используемых в неразрушающем контроле, — обязательный элемент при разработке электроакустического тракта прибора. От диаграммы направленности зависят чувствительность контроля, точность измерения толщины, скорости или координат дефектов, шаг сканирования, поперечная разрешающая способность, условные размеры дефектов.
Основы расчета диаграмм направленности фазированных линейных решеток для пьезопреобразователей в дальней зоне изложены в [1, 2]. Следует отметить, что теория фазированных решеток описывает акустическое поле преобразователя в дальней зоне и основана на представлении единичного элемента решетки с помощью функции сосредоточенного источника с диаграммой направленности, описываемой единичной или элементарной тригонометрической функцией (cosö) [2]. Известно, что функция направленности единичного элемента решетки в твердом теле определяется как типом волны, так и параметрами решетки (размер единичного элемента, период решетки, зазор между ближайшими элементами решетки) [3].
Из теории фазированных пьезопреобразователей вытекают основные требования, которые следует учитывать при проектировании фазированных преобразователей [1, 4]:
ширина одного элемента не должна превышать полдлины волны X и определяется максимальным отклонением луча по углу 6max;
шаг решетки p должен удовлетворять условию p < 0,67X во избежание образования дополнительных лепестков диаграммы направленности.
Применение теории фазированных решеток к ЭМА-преобразователям усложняется тем, что функция направленности сосредоточенного источника определяется также механизмом возбуждения упругих волн, ориентацией поля подмагничивания и зазором между индуктором и объектом контроля [3].
Следует отметить, что требования, изложенные в теории фазированных решеток, могут быть труднореализуемыми в конструкции реальных пьезо- и ЭМА-преобразователей из-за сложности конструктивных решений, особенно в случае высоких частот или больших углов при сканировании.
Предложенный в [5] подход к моделированию акустического поля ЭМА-преобразователя, основанный на представлении индуктора в виде
Ольга Владимировна Муравьева, доктор техн. наук, профессор кафедры "Приборы и методы контроля качества" ФГБОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова", в.н.с. ФГБУН Физико-технический институт УрО РАН. Тел. (3412) 588897. E-mail: nedzv@istu.ru
Андрей Владимирович Мышкин, аспирант кафедры "Приборы и методы контроля качества" ФГБОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова". Тел. (3412) 588897. E-mai: pmkk@istu.ru
линейной решетки синфазных излучателей, позволяет учесть влияние конструктивных элементов ЭМА-преобразователя на его акустическое поле. В статье исследованы особенности акустических полей синфазных ЭМА-преобразователей с позиций влияния конструктивных особенностей и основных параметров синфазного ЭМА-преобразователя на формирование требуемой диаграммы направленности, заключающееся в минимизации ширины основного лепестка, подавлении боковых лепестков, полном устранении дополнительных лепестков.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПОДХОДЫ
Общепринято, что диаграммы направленности как целого пьезоэлемен-та, так и ЭМА-преобразователя в виде ленты с током представляются в виде основного лепестка (область диаграммы направленности, включающая ее максимум и ограниченная ближайшими к нему нулями или достаточно глубокими минимумами) и боковых лепестков (области диаграммы направленности, прилегающие к локальным максимумам и лежащие за пределами основного лепестка).
Специфическим для фазированной решетки пьезопреобразователей, равно как и ЭМА-преобразователей, представляемых в виде решетки элементов, наряду с формированием основного и боковых лепестков является возникновение дополнительных лепестков, возникающих за счет синфазного сложения сигналов от различных элементов в направлениях, отличных от направления основного лепестка. Направления дополнительных лепестков могут быть вычислены по формуле [1]
0е = агс8т(тА,/р), (1)
где т — целое положительное число.
Дефектоскопия объекта контроля предполагает отсутствие эхосигналов в любых других направлениях, кроме направления основного лепестка диаграммы направленности. При наличии боковых или дополнительных лепестков значительной амплитуды либо хорошо отражающей поверхности в их направлениях эхосигналы могут восприниматься как полезные, а следовательно, приводить к появлению артефактов в эхограмме объекта и к возможности ошибочных результатов контроля. Оптимизация конструкции преобразователя заключается в минимизации ширины основного лепестка, подавлении боковых лепестков, полном устранении дополнительных лепестков.
Известно [1], что в случае фазированной решетки пьезопреобразовате-лей амплитуда дополнительных лепестков зависит от шага размещения элементов решетки, количества элементов, частоты, ширины пропускания преобразователя (степени демпфирования пьезопреобразователей).
Представляется актуальным исследование основных особенностей акустических полей ЭМА-преобразователей с позиций влияния на формирование боковых и дополнительных лепестков зазора между индуктором и объектом контроля, частоты, размеров отдельных элементов и апертуры решетки и ее конструктивных особенностей.
В качестве исходных параметров при исследовании выступают [5]: ширина активной апертуры а; количество элементов решетки Ы; ширина одного элемента решетки е; расстояние между ближайшими элементами g; расстояние между центрами соседних элементов решетки (период решетки) р; зазор между индуктором и объектом контроля к; рабочая частота преобразователя /. Рассмотрено распределение относительных амплитуд смещений продольных и поперечных волн по углу 0 для единичного элемента (ЦЫе) и решетки в целом (Ц{).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Рассмотрим формирование акустических полей на примере ЭМА-преобразователей продольных и поперечных волн, излучаемых по нормали к поверхности, с позиций влияния зазора между индуктором и объектом контроля, рабочей частоты преобразователя/, числа элементов в решетке N. Поперечная гУ волна формируется при ориентации поляризующего поля В0 по нормали к поверхности, а продольная I волна — при ориентации поляризующего поля В0 вдоль поверхности. Полагаем, что ЭМА-преобразователь имеет фиксированную апертуру шириной а = 10 мм и фиксированный размер единичного элемента решетки е = 0,5 мм.
Формирование дополнительных лепестков в диаграммах направленности продольных и поперечных волн ЭМА-преобразователя иллюстрируется рис. 1, на котором представлены диаграммы направленности единичного элемента ие е в решетке и диаграммы направленности решетки и1 , для
и/ип 1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
М \
/ \
/
4 С, О
и/и0 б 1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
I
г
О
—С Л 'г -—
-90 -60 -30 0 30 60 0, ° -90 -60 -30 0 30 60 0 °
и
1е
и
и
и
Рис. 1. Диаграмма направленности единичного элемента решетки ики и ЭМА-преобразователя ии продольной (а) и поперечной (б) волн: а = 10 мм; к = 0,1 мм; N = 8 элементов; е = 0,5 мм; g = 0,86 мм; р = 1,36 мм; / = 5,0 МГц.
продольных (а) и поперечных (б) волн. Расчеты проведены для к = 0,1 мм; N = 8 элементов ^ = 0,86 мм, р = 1,36 мм);/= 5,0 МГц. Наблюдаются дополнительные лепестки 0( и О1 существенной амплитуды под углами 0О ~ ±60°, 9е, ~ ±30° в диаграммах направленности продольных и поперечных волн. Отметим, что уровень и направление дополнительных лепестков определяются рабочей частотой / ЭМА-преобразователя, зазором между индуктором и поверхностью объекта контроля, шагом размещения элементов решетки р.
В качестве примера на рис. 2 показано, как видоизменяются диаграммы направленности продольной и поперечной волн при изменении рабочей ча-
и/и
Мг
М,
- г С,
и/и0 б 10
0,8 0,6 0,4 0,2 0
-90 -60 -30
и
30 60 0,
и
Мг
М,
Сг I
-90 -60 -30 0 30 60 0,
и
и
Рис. 2. Влияние на диаграмму направленности продольной и поперечной волн рабочей частоты ЭМА-преобразователя (а = 10 мм; к = 0,1 мм; N = 8 элементов; е = 0,5 мм;
g = 0,86 мм; р = 1,36 мм): / = 3,0 МГц (а); / = 5,0 МГц (б).
4 Дефектоскопия, № 1, 2014
а
а
0
стоты/ЭМА-преобразователя с 3 до 5 МГц: до уровня ~0,5 возрастает уровень дополнительных лепестков для поперечной волны; до уровня —0,25 — для продольной волны. Отметим, что направления дополнительных лепестков в диаграммах направленности (лепестки О( и О) в ряде случаев не согласуются с рассчитанными в соответствии с формулой (1), что объясняется различием в диаграммах направленности единичных элементов решетки от полагаемых в расчетах [1], особенно при ненулевых зазорах и для поперечных волн.
На рис. 3 показаны обобщенные зависимости направления 0О дополнительных лепестков О, и О1 и соотношения их амплитуды и амплитуды основного лепестка ио/им для продольных и поперечных волн от рабочей частоты ЭМА-преобразователя. Сплошными кривыми обозначены углы появления дополнительных лепестков, построенные в соответствии с расчетной формулой (1). Индексы 1 и 2 соответствуют формированию кратных дополнительных лепестков (т = 1 или 2 в формуле (1)). Для продольных волн наблюдается однозначная закономерность уменьшения угла появления дополнительных лепестков и увеличения их амплитуды (почти в 3 раза в сравнении с амплитудой основного лепестка) с увеличением частоты в диапазоне от 2 до 10 МГц. При этом рассогласование с теорией фазированных реш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.