УДК 620.179.16
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В.К. Качанов, И.В. Соколов, М.М. Конов, Д.В. Тимофеев, A.A. Синицын
Показано, что на качество преобразования у. з. сигналов в широкополосном преобразователе влияют не только амплитудно-частотные, но и пространственные характеристики широкополосных датчиков. Для оценки качества преобразования у. з. широкополосных сигналов вводятся интегральные пространственно-временные характеристики широкополосного датчика — корреляционное распределение поля и корреляционная диаграмма направленности. Приведены экспериментальные корреляционные пространственно-временные характеристики мозаичного низкочастотного широкополосного преобразователя.
Ключевые слова: ультразвук, широкополосный низкочастотный пьезоэлектрический преобразователь, мозаичный преобразователь, диаграмма направленности, корреляционное распределение поля, корреляционная диаграмма направленности.
При разработке у. з. широкополосных пьезоиреобразователей (ПЭП) разработчики с помощью различных методов обеспечивают требуемую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) датчика, однако при этом, как правило, не учитывают пространственные характеристики широкополосных ПЭП.
Основной способ измерения АЧХ ПЭП, согласно ГОСТ 23702—90, "производится в совмещенном режиме "излучения-приема" на акустической нагрузке из оргстекла, стали или алюминиевого сплава" [1]. При этом используют радиоимпульсы изменяемой частоты с прямоугольной огибающей такой длительности, которая позволяет, измеряя амплитуду принимаемого сигнала, фиксировать амплитудно-частотную характеристику исследуемого ПЭП после окончания всех переходных процессов (рис. 1). Другие способы измерения АЧХ широкополосного ПЭП позволяют судить об АЧХ по активной составляющей сопротивления датчика или по спектру сигнала, прошедшего через ПЭП [2].
Однако все перечисленные выше способы снятия частотных характеристик не учитывают влияние на АЧХ широкополосного датчика его пространственных характеристик. Более того, пространственные характеристики широкополосных датчиков используют крайне редко: в частности, в работах И.Н. Ермолова и А.Х. Вопилкина [3, 4] при анализе сферически-вогнутого преобразователя (СВП) обсуждается пространственная характеристика — диаграмма направленности (ДН) широкополосно-
Владимир Климентьевич Качанов, доктор техн. наук, профессор кафедры электронных приборов Московского энергетического института (технический университет). Тел. (495) 362-75-24. E-mail: kachanovvk@mail.ru
Игорь Вячеславович Соколов, доктор техн. наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры электронных приборов Московского энергетического института (технический университет). Тел. (495) 362-75-24. E-mail: sokoloff_igor@mail.ru
Михаил Михайлович Конов, аспирант кафедры электронных приборов Московского энергетического института (технический университет). тел. 8-926-520-80-15. E-mail: konovmm@yandex.ru
Дмитрий Валерьевич Тимофеев, аспирант кафедры электронных приборов Московского энергетического института (технический университет). Тел. 8-926-280-13-71. E-mail: dt85@mail.ru
Алексей Алексеевич Синицын, аспирант кафедры электронных приборов Московского энергетического института (технический университет). Тел. 8-903-573-81-69. E-mail: c.i.n@mail.ru
го преобразователя на различных частотах. Однако это рассмотрение проводится лишь с целью определения оптимальной формы широкополосного ПЭП (вогнутой или выпуклой) и не касается структуры поля у. з. широкополосного преобразователя.
Импульсы синхронизации
Рис. 1. Метод измерения АЧХ ПЭП с помощью прямоугольника радиоимпульса изменяемой частоты согласно ГОСТ 23702—90.
В [3] анализировали параметры высокочастотных преобразователей, предназначенных для работы в мегагерцовом диапазоне частот, что, по-видимому, не позволило детально исследовать структуру поля широкополосного преобразователя и выявить особенности зависимости формы сигнала и пространственных характеристик широкополосного преобразователя как для ближней, так и для дальней зоны. Нами были проведены аналогичные эксперименты по изучению структуры поля широкополосного ПЭП в воде, при этом эксперименты специально проводили для относительно низкочастотных (средняя частота /0 ~ 100 кГц) широкополосных (А///0 > 1) датчиков. Тем самым длина волны в наших экспериментах была почти на два порядка больше, чем в работе [3], что позволило более детально исследовать особенности акустического поля широкополосных ПЭП и зафиксировать различие формы у. з. широкополосного сигнала в разных точках поля.
На основании анализа экспериментальных результатов был сделан вывод о том, что вследствие значительной неоднородности акустического поля широкополосного ПЭП пространственные характеристики оказывают существенное влияние на форму у. з. сигнала в различных точках поля. Одновременно стало ясно, что экспериментально изучить тонкую структуру поля широкополосного преобразователя даже на столь низких частотах достаточно трудно. Именно поэтому для анализа пространственно-временных характеристик у. з. широкополосных преобразователей были использованы методы компьютерного моделирования, позволяющие получить более точное представление о структуре поля широкополосного пьезопреобразователя, о его влиянии на форму у. з. сигнала в различных точках поля и, тем самым, о влиянии структуры акустического поля широкополосного ПЭП на качество у. з. контроля.
ИЗВЕСТНЫЕ СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЗКОПОЛОСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В настоящее время ни в радиолокации, ни в у. з. дефектоскопии не используется даже определение "диаграммы направленности широкополосного преобразователя". Более того, классическое понятие ДН (пере-
шедшее в у. з. технику из радиолокации) заведомо предполагает построение поля преобразователя на одной частоте. Поэтому прежде чем заняться анализом пространственно-временных характеристик широкополосных датчиков, необходимо ввести понятия, которые бы позволили охарактеризовать структуру поля у. з. широкополосных преобразователей.
Из теории антенн в радиотехнике известно [5], что ДН — это графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны (или коэффициента направленного действия антенны) от направления излучения антенны в заданной плоскости. Диаграммой направленности антенны также часто называют зависимость модуля амплитуды сигнала в дальней зоне от угловых координат. ДН характеризуется пространственным (телесным) углом б, внутри которого происходит излучение у. з. сигнала в направлении излучения Ъ. ДН обозначают символом /(б). В нормированной ДН все значения амплитуд делят на максимальное значение и обозначают нормированную ДН символом ^(б). На рис. 2 показан ряд таких нормированных ДН для излучателей с различной апертурой Б.
Рис. 2. Вид нормированных ДН преобразователей в полярных координатах в зависимости от соотношения Б/Х.
На рис. 2а—„ изображены ДН излучателей для четырех значений апертур Б1 < Б2 < Б3 < Б4. На фиксированной частоте (при Х1 = Х2 = Х3 = Х4) угол раскрыва диаграммы направленности б ~ Х/Б с увеличением Б уменьшается.
Если говорить не о ДН, а о пространственном распределении акустического поля излучателя, то для него трехмерное распределение представлено на рис. 3. На рис. 3а трехмерное поле изображено для излучателя, расположенного в точке с координатами X = У = Ъ = 0 в плоскости ХУ. На рис. 36 показаны эквипотенциали амплитуды этого поля. Очевидно, что такая форма отображения поля преобразователя более всего соответствует представлению истинного вида поля. Использование цветового кодирования позволяет в двумерном представлении строить изображения трехмерных полей реальных излучателей. На рис. 3в приведено такое поле расположенного в плоскости ХУ монолитного круглого пье-зопреобразователя с апертурой Б = 50 мм, излучающего узкополосный сигнал на частоте /0 = 100 кГц. Здесь достоверно отображается пространственное распределение поля вдоль оси излучения Ъ, а цветовое кодиро-
вание соответствует информации о распределении амплитуд в области существования акустического поля.
Рис. 3. Примеры представления пространственного распределения поля у. з. узкополосного преобразователя.
На рис. 4 показано сечение поля вдоль оси излучения Z (кривая 1) того же круглого преобразователя с апертурой D = 50 мм для узкополосного сигнала частотой f0 = 100 кГц. Картина поля преобразователя позволяет судить об интерференционных явлениях в поле антенны, которые наиболее сильно проявляются в проделах ближней зоны. В переходной зоне однородность поля повышается, а в дальней зоне акустическое поле практически однородно. Как известно, неравномерность поля ближней зоны приводит к значительным вариациям амплитуды эхосигнала при незначительных изменениях положения отражателя вблизи плоскости апертуры датчика, что снижает достоверность результатов традиционной эхоимпульсной дефектоскопии.
На рис. 5а приведено трехмерное изображение акустического поля для узкополосного преобразователя круглого сечения диаметром D = 50 мм
(/о = 100 кГц) вдоль оси Ъ, на котором более наглядно видны "тонкие" интерференционные явления поля в ближней зоне преобразователя. На рис. 56 изображено то же поле в виде набора сечений, соответствующих разным значениям координаты Ъ.
Рис. 4. Распределение амплитуды акустического давления преобразователя для узкополосного (1) и широкополосного сигнала (2).
Все перечисленные выше способы представления пространственных характеристик поля у. з. ПЭП справедливы только для преобразователя, работающего с узкополосным сигналом. К сожалению, ни одна из перечисленных выше форм представления пространственных характеристик
а
X
Рис. 5. Трехмерное изображение распределения поля круглого узкополосного преобразователя (а) и "сечения" поля плоскостями, нормальными к оси излучения Ъ (•).
ПЭП не годится для отображения характеристик поля широкополосного ПЭП. Пожалуй, только график распределения поля вдоль оси излучения частично может характеризовать пространственные параметры преобразователя широкополос
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.