СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DETERMINING DIRECTIONAL DIAGRAM OF PIEZOELECTRIC TRANSDUCER (VERSIONS)

Изобретение относится к области неразрушающего ультразвукового контроля, а именно к способам определения диаграммы направленности пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП).
Известен способ определения диаграммы направленности ПЭП при его перемещении по поверхности образца, содержащего ненаправленный отражатель, находящийся в дальней зоне ПЭП, и анализ зависимости амплитуды эхосигнала от расстояния до отражателя (см. ГОСТ 23702-90. Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний).
Недостатком данного способа является влияние на результат квазиискривления лучей под влиянием затухания ультразвука в материале тест-образца и дифракционного ослабления амплитуды сигнала при изменении расстояния от ПЭП до отражателя.
Известен также способ определения диаграммы направленности при регистрации поля контактного ПЭП на поверхности полуцилиндрического или полусферического образца точечным приемным преобразователем, например электромагнитоакустическим преобразователем (см. Европейский стандарт. EN 12668-2: 2001. Неразрушающий контроль. Характеристика и проверка ультразвукового оборудования. Часть 2. Преобразователи, а также «IMPROVERMENT IN AND RELATING TO THE DETERMINING OF ULTRASONIC PROBE CHARACTERISTICS» GB 1566429A).
Недостатком этого способа является технологическая сложность его реализации из-за сложности изготовления измерительного оборудования, необходимость применения дополнительного приемного преобразователя.
Известен способ определения диаграммы направленности ПЭП, принятый за прототип, при котором регистрируют эхосигналы от отверстия бокового сверления при сканировании ПЭП в одной плоскости по поверхности образца, рассчитывают многочастотные голограммы по эхосигналам, рассчитывают пространственный спектр голограмм с последующим расчетом диаграммы направленности (см. Бадалян В.Г., Базулин Е.Г., Бычков И.В. и др. Система калибровки пьезоэлектрических преобразователей «Авгур 2.2» // Законодательная и прикладная метрология, 1993, №5, с.14-17).
Недостатком данного способа является необходимость устранения реверберационных шумов ПЭП, отстройки от сигналов, образующихся при возникновении волны обегания/соскальзывания на отверстии бокового сверления, трансформированных волн. Кроме того, этот способ позволяет определять только одно сечение трехмерной диаграммы направленности при выполнении однократного сканирования. Кроме этого для определения иных характеристик ПЭП, кроме диаграммы направленности, дополнительно требуется применение образца с полуцилиндрическим дном.
Предложен способ определения диаграммы направленности контактного ПЭП, при котором регистрируют эхосигналы в совмещенном режиме от отражателя при сканировании ПЭП в одной плоскости, рассчитывают голограммы по эхосигналам, рассчитывают пространственный спектр голограмм, после чего рассчитывают диаграммы направленности, отличающийся тем, что эхосигналы регистрируют для от дна полусферического образца, для чего сканируют по двум координатам, рассчитывая произвольные сечения трехмерной диаграммы направленности. Также при использовании образца с полуцилиндрическим дном сканируют по одной координате, рассчитывая единичные сечения диаграммы направленности.
Технический результат предложенного способа практически устраняет влияние реверберационного шума и необходимость его отсечения для контактных ПЭП, отбор сигнала для обработки существенно упрощается. Процедура определения характеристик ПЭП существенно упрощается за счет использования единственного образца. Отсутствует необходимость использования дополнительного приемного преобразователя.
Описываемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен эскиз полусферического образца для калибровки контактных ПЭП, на фиг.2 показаны два взаимно перпендикулярных сечения трехмерной диаграммы направленности, на фиг.3 - иллюстрация примера определения двух сечений диаграммы направленности по двухмерному спектру голограмм.
Особенность полусферического дна образца, показанного на фиг.1, заключается в его сферической симметрии и возможности представить полусферический отражатель как точечный отражатель, расположенный в центре симметрии. Полуцилиндрический образец обладает симметрией в одной плоскости.
Трехмерная диаграмма направленности ПЭП 1, показанная на фиг.2, может быть представлена набором сечений, из которых на практике интерес представляют сечение в основной плоскости 2, перпендикулярной рабочей поверхности 3 ПЭП, в которой лежит акустическая ось 4 преобразователя и дополнительная плоскость 5, перпендикулярная основной и также проходящая через акустическую ось.
Далее на примере при использовании наклонного ПЭП с углом ввода 50° с частотой 2.5 МГц, развернутого на 45° по азимуту, изложено описание предложенного способа. Результат расчета по указанному примеру показан на фиг.3.
1. Выполняется регистрация эхосигналов p(x,y,t), где х,у - координаты точки ввода ПЭП, мм относительно центра симметрии отражателя при сканировании, t - время прихода эхосигнала, мкс.
2. Через преобразование Фурье во времени из эхосигналов рассчитываются многочастотные голограммы:
t
min
max
h(x,y,f)=ℑ(p(x,y,t)), f⊂(f, f),
min
max
где f - частота, МГц, f и f - границы полосы пропускания ПЭП.
3. Через двухмерное пространственное преобразование Фурье рассчитывается пространственный спектр голограмм (пространственный спектр голограмм на одной частоте показан на фиг.3):
x
y
xy
min
max
H(k,k,f)=ℑ(h(x,y,t)), f⊂(f, f),
2
Из двумерного спектра голограмм на частоте f может быть извлечено произвольное сечение диаграммы направленности. Частоте f соответствует волновое число k=2·2π/λ, где λ=c/f длина волны, умножение на двойку учитывает совмещенный режим регистрации, то есть соответствует расчету диаграммы направленности излучения-приема. Сечение диаграммы направленности излучения-приема Θ(α,β,f) на частоте f может быть вычислено по алгоритму, описанному далее.
Определяется угол азимутального разворота диаграммы направленности относительно оси X сканирующего устройства (в случае если ось Х сканирующего устройства и ось Х системы координат ПЭП совпадают, то этот угол является максимумом диаграммы в дополнительной плоскости)
*
y max
x max
β=arctan 2(k,-k),
x max
y max
x
y
э
э
где k, k - волновые числа, соответствующие точке спектра H(k,k,f) с максимальным значением амплитуды, где f - эффективная частота эхоимпульса.
*
Для диаграммы направленности в основной плоскости при фиксированном азимутальном угле разворота β (геометрическое место точек, соответствующих основной плоскости, показано на фиг.3 выноской "1")
, где
*
*
Для диаграммы направленности в дополнительной плоскости при фиксированном угле ввода в основной плоскости αи фиксированном азимутальном угле β (геометрическое место точек, соответствующих дополнительной плоскости, показано на фиг.3 выноской "2")
, где
5. Сумма парциальных диаграмм направленности по всем частотам составляет импульсную диаграмму направленности. Результат расчета сечений диаграммы направленности может быть показан в виде зависимости относительной амплитуды от угла, как на фиг.3.
Преимуществами предложенного способа являются отсутствие влияния реверберационного шума и необходимости его отсечения, возможность определения полной трехмерной диаграммы направленности ПЭП и точное определение точки ввода ультразвука, возможность использования единственного образца при определении характеристик ПЭП, возможность уменьшения размеров области сканирования и снижение требований к качеству акустического контакта, облегчение определения диаграммы направленности для ПЭП с длительной эхоимпульсной характеристикой, отсутствие дополнительных приемных преобразователей.