Ручной УЗК. Продукции
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
45 Акустическое поле излучателя. Акустическое поле преобразователя определяет зависимость акустических величин (давление, смещение, скорость) от положения исследуемой точки в пространстве. Поле, возникающее в результате действия излучающего преобразо- вателя, называется полем излучения. Одним из простых случаев является звуковое поле круглого плоского излучателя, который колеблется с одинаковой фазой и амплитудой по всей поверхности. Такой источник звука называется идеальным поршневым излучателем. Акустическое поле излучателя вблизи его поверхности и на удалении существенно отличаются (рис. 5). Поэтому  Поле излучения на оси преобра- зователя (а) и общая схема поля (б) различают две характерные области поля - ближнее и дальнее поля. В ближнем поле ультразвук распространяется в виде нерасходящегося пучка, ограниченного краями излучателя. Вдоль акустической оси пучка, проходящей через центр поршневого излучателя и являющейся осью симметрии звукового поля, имеются чередующиеся минимумы и максимумы давления, количество которых равно отношению диаметра преобразователя к длине волны. Например, круглый излучатель с отношением диаметра к длине волны равным четырем имеет два минимума давления на оси и два максимума. Первый минимум располагается точно в центре излучателя на его поверхности. Излучатель с отношением, “46 равным семи, имеет четыре максимума и три минимума давления, причем в центре излучателя располагается первый максимум. Наличие экстремумов объясняется с помощью метода Френеля, который предложил усовершенствовать принцип Гюйгенса, дополнив его принципом зонного строения поля. По Гюйгенсу, вся поверхность колеблющегося поршня представляется в виде множества элементарных излучателей, возбуждающих элементарные волны, в которых звуковое давление уменьшается пропорционально расстоянию. Таким образом, звуковые давления элементарных волн в какой-либо точке поля не просто складываются, а еще учитывается разница путей, которые они проходят. Например, две волны одинаковой интенсивности, имеющие разницу в длине пути (разность хода), которая равна точно половине длины волны, при сложении полностью погасят друг друга. Если же разность хода равна нулю (или полной длине волны, что то же самое), то звуковое давление при сложении волны удваивается. Таким образом, различия в разности хода от нуля до половины длины волны приводят к изменениям результирующего звукового давления в какой-либо точке поля от нуля до удвоенного максимального значения. Сущность метода Френеля заключается в том, что все эле- ментарные волны, образующие в какой-либо точке звукового поля результирующее давление, разбиваются на группы.. В каждую группу входят волны, которые проходят примерно одинаковый путь. При плоской поверхности излучателя это наблюдается для всех волн, выходящих из зоны, имеющей форму кольца. Таким образом, можно разбить поверхность дискового излучателя на некоторое количество зон, имеющих одинаковую площадь. Волны, излученные каждой зоной, складываются в звуковое давление, пропорциональное площади зоны и обратно пропорциональное их пути до точки наблюдения. На близком расстоянии от поверхности излучателя (по сравнению с его диаметром) разность хода волны от различных зон Френеля сильно различается, поэтому здесь мы наблюдаем быстрое чередование минимумов и максимумов давления по мере перемещения точки наблюдения от поверхности излучателя. Однако, если еще дальше отодвинуть точку наблюдения, разность хода волны уже не будет такой существенной, и частота осцилляций 47давления уменьшается. На расстоянии Х==а2/2Х, где а - радиус излучателя, будет наблюдаться точка последнего минимума давления, в которой волны от всех зон приходят в противофазе. При дальнейшем увеличении расстояния наблюдается повышение давления и на расстоянии Х6=а2Д наблюдается последний максимум. Если еще больше увеличивать расстояние, то в каждую следующую точку на акустической оси волны из зон Френеля будут приходить с различной разностью хода, но она во всех случаях будет меньше половины длины волны и взаимного гашения волн уже не будет. Поэтому максимум давления будет находиться на оси излучателя и монотонно убывать с расстоянием. Поле на расстоянии менее Хб=а2Д называют ближним по- лем, на расстояниях, превышающих Х6 - дальним. Звуковое давление на оси преобразователя в ближнем поле колеблется от нуля до удвоенного значения, в дальнем поле оно монотонно уменьшается. На расстоянии примерно ЗХ6 оно достигает значения, равного давлению на поверхности излучателя, поэтому область от Хб до ЗХ6 называют также переходной зоной. Поле на расстоянии, превышающем ЗХб, называют зо- ной Фраунгофера. Если снять поперечные профили поля круглого излучателя, то и на них будут наблюдаться минимумы и максимумы звукового давления. Их количество тоже определяется отношением диаметра излучателя к длине волны, но амплитуда побочных максимумов всегда меньше значения главного максимума, лежащего на оси преобразователя. Поскольку в дальнем поле максимум звукового давления всегда располагается на оси, то для описания поля применяется диаграмма направленности -графическое представление зависимости амплитуды давления от угла между акустической осью и направлением на точку наблюдения. Диаграмму направленности излучателя можно получить, если измерить амплитуду звукового давления на окружности, проведенной вокруг центра излучателя на расстоянии, превышающем ближнее поле, а затем представить результаты измерений в полярных координатах в виде векторов, идущих от центра излучателя под соответствующими углами. Однако такую диаграмму направленности трудно анализировать, т.к. значения 48 звукового давления, полученные под разными углами, могут различаться на много порядков. Поэтому в акустике используют логарифмическую сравнительную шкалу - шкалу децибелов (дБ) A = 201g£c м где Р, - давление на оси излучателя, Р - давление в точке вне оси излучателя. Угол, под которым наблюдается первый минимум диаграммы направленности, называется углом 0ораскрытия: sin90 = 1.22 — = 0.61 — , 0 = arcsin0.61 —. 0 D а а Центральная часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда сигнала уменьшается от единицы до нуля, называется основным лепестком. Рассматриваемые выше явления возникают только при непрерывном излучении и тогда, когда излучаемые импульсы имеют достаточную длину, чтобы они могли накладываться (интерферировать) друг на друга в разных точках поля. Для этого импульс должен иметь длительность более шести колебаний. На практике длительность излучаемых импульсов несколько меньше (3-5 колебаний), поэтому реальное поле отличается от теоретического, в частности, минимумы и максимумы давления сглаживаются. Кроме того, уравнение для расчета угла раскрытия справедливо только при 2а»Х. По мере уменьшения отношения аД угол раскрытия увеличивается до 90° и далее остается постоянным. Для практики контроля используется простая модель звукового пучка поршневого излучателя. Упрощенно его можно представить в виде конуса лучей с углом раскрытия 0, вер- шина которого лежит в центре излучателя. Интерес пред- ставляют границы пучка, характеризующиеся уменьшением амплитуды звукового давления на определенную величину. Например, если границей пучка считают ослабление сигнала в 10 раз (20 дБ), то пучок можно рассматривать как конус, только начиная с расстояния около 1,3 Хб. На расстоянии Х6 ширина пучка примерно равна половине диаметра излучателя, на расстоянии около 2,3 Хб ширина пучка становится равной диаметру излучателя. |