Добрый день.
Наша компания время от времени принимает участие в подобного рода дискуссиях.
Однако, когда речь заходит о продукции компании, тем более упоминаются специалисты АКС, которые непосредственно участвуют в разработках ГОСТов, приборов, преобразователей и т.д., считаем необходимым изложить свою точку зрения в обсуждаемом вопросе и приводим техническую справку.
О РС ПЭП, ФОКУСИРОВКЕ, ПОЛЕ и проч.
1. О стандарте и терминах в нём
ГОСТ Р 55725–2013 не терминологический. Он определяет общие технические требования к пьезопреобразователям (ПЭП) для ультразвукового (УЗ) контроля. Термины в нём используются в его тексте. Некоторые из них специфические, нужные только для этого стандарта и для описания методов измерений параметров ПЭП в испытательном стандарте. Например, «Измерительный эхоимпульс» или «Частотная передаточная функция». Термин «Фокусирующий преобразователь» определён в ГОСТ Р ИСО 5577-2009.
2. Раздельно-совмещённый (РС) фокусирующий преобразователь
Пока возможно – это экзотика, но в будущем может найти применение, ведь задачи УЗ контроля очень разные и новые всё появляются.
Просто фокусирующий ПЭП – это «Преобразователь, в котором при помощи специальных устройств (…….) формируют фокусирующийся луч или фокус» (ГОСТ Р ИСО 5577-2009). Здесь, правда, слово «луч» авторы стандарта применили, наверное, для наглядности. На самом деле – это пучок.
Спецустройства – это линзы, вогнутые пьезоэлементы, фокусируемые антенные решётки и т.д. Главным отличием фокусирующих систем (ПЭП, в частности) от нефокусирующих является схождение лучей акустического пучка, исходящих от излучателя, в точку или линию, которую называют фокусом. За фокусом лучи расходятся. Сферически вогнутый пьезоэлемент фокусирует в точку, цилиндрически вогнутый – в линию.
Строго говоря, точка или линия не возможны. Размеры фокальной области (зоны вблизи фокуса) всегда соизмеримы с длиной волны. Но фокусировка тем и хороша, что фокальная зона, как правило, намного меньше размера апертуры фокусирующей системы. ПЭП, например, с пьезоэлементом и линзой диаметром 10 мм на частоту 5 МГц обеспечивает в стали фокальную зону порядка 1 мм.
РС фокусирующий ПЭП, как и любой РС должен состоять из двух фокусирующих преобразователей, фокальные зоны которых совмещены. Например, хордовый преобразователь с цилиндрически вогнутыми пьезоэлементами, образующие (цилиндра) которых параллельны, позволяет озвучивать всю толщину стенки трубы (или сварного шва) и обнаруживать отражатели в них с высокой чувствительностью.
3. Акустическое поле РС ПЭП и поле совмещённого ПЭП
Конечно их поля в режиме излучение-приём разные. Об этом можно судить хотя бы потому как зависит у этих преобразователей амплитуда донного сигнала от толщины объекта контроля (ОК). У РС ПЭП она быстро растёт с ростом толщины, достигает максимума и затем медленно падает. У совмещённого (С) ПЭП амплитуда монотонно только уменьшается, начиная от самых малых толщин, где она наибольшая, и до толщин, где сигнал уходит под шум усилителя или шум структуры металла.
Сравнивать поля этих преобразователей только в режиме излучения нет смысла. РС преобразователь так не используют. Да и странно сравнивать работу С преобразователя с половинкой РС преобразователя. Но и в этом случае их поля разные. Даже если РС преобразователь не имеет призм (что очень редко бывает) и форма и размеры каждого его пьезоэлемента точно такие же как пьезоэлемент у С преобразователя, всё равно протекторы должны быть тоже из одного материала и одинаковой толщины. Иначе неизбежны хоть и малые, но различия их полей.
Поле преобразователя в режиме приёма – то же самое что и при излучении. Только всё в обратную сторону: УЗ сигнал от какого-то источника приходит к приёмному преобразователю. Сигнал физически существует – это акустическая волна, колебания среды, энергия. Преобразователь может этот сигнал и не принять, если он приходит с того угла от акустической оси, в направлении которого преобразователь ничего не излучает, если его включить на излучение. Преобразователь примет этот сигнал с таким же коэффициентом передачи энергии или амплитуды поля от источника до входа преобразователя, с каким он в режиме излучения передаст энергию или амплитуду в точку среды, где расположен источник.
Здесь речь только об акустическом тракте. Преобразование в электрические колебания к тракту не относятся, как и электроакустическое преобразование в режиме излучения.
В режиме излучение-приём общий коэффициент передачи – есть произведение коэффициентов «туда» и «обратно». Аналогично такому произведению коэффициентов усиления каскадов усилителя. Ещё, конечно, последовательно в акустический тракт включён отражатель со всеми своими отражательными и направленными свойствами.
По этой теме правильно и хорошо сказано в посте #243.
4. Акустическое поле, пучок, диаграмма направленности.
Что такое акустическое поле? Всего лишь абстракция, позволяющая наглядно представить себе и другим работу преобразователя и правильно рассчитать или измерить акустические параметры его действия на среду распространения УЗ волн и влияния этой среды на приёмный преобразователь.
Вот какое определение акустического поля даёт ГОСТ Р ИСО 5577-2009: «Распределение амплитуды акустического давления в пространстве (см. рисунок 3)». Заметьте «распределение», а не величина давления. А на рисунке 3 – вид этого распределения для непрерывного излучения.
А вот определение акустического поля из справочника «Ю.В. Ланге, В.А. Воронков. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения. Справочник. Изд. второе. Москва, 2003 год»: «акустическое поле (acoustic field; sound field):
1. Область существования акустических волн. Представляется в виде распределения амплитуды волны в пространстве.
2. Трехмерная структура излучения, полученная от источника акустической энергии [10]».
Здесь ключевые слова «Область существования» и «структура». Нигде нет конкретных значений силового воздействия на среду или среды на преобразователь.
Все толщиномеры и дефектоскопы работают в импульсном режиме, кроме, конечно, резонансных. Какое «физическое» поле преобразователя может быть в импульсном режиме? Никакого, если представлять его себе как область пространства, аналогичную пучку света в тумане. Преобразователь излучил зондирующий импульс: в пространство полетел сгусток энергии колебаний частиц среды. Область, куда он ещё не долетел, не возмущена, спокойна. Область, которую он уже пролетел, тоже спокойна. Есть только остаточные колебания структуры среды, создающие структурный шум. А поле – это пространство, где зондирующий импульс (сгусток колебаний) был, есть и ещё будет при своём полёте. И в любой точке этого пространства можно рассчитать параметры акустических колебаний (амплитуду давления, смещения или колебательной скорости), пользуясь формулами акустического тракта, которые, правда, получены для непрерывного режима, но вполне точны и для обычных дефектоскопических импульсов. Есть и понятие «пространственная длина зондирующего сигнала». Её оценка – это произведение длительности импульса на скорость звука.
Акустическое поле – это по-другому, пучок (пучок лучей), т.е. простое и наглядное представление траектории пролёта зондирующего импульса, который занимает некоторый объём пространства, меняющийся в размерах при движении. У совмещённого ПЭП пучок в ближней зоне почти параллельный, а дальше – расходящийся, у фокусирующего – сходящийся в фокус и затем расходящийся.
Пучок характеризуют диаграммой направленности. Но она определена только для дальней зоны. Об этом часто забывают. Поэтому говорить о диаграмме направленности элементов РС преобразователя на расстояниях до точки схождения их акустических осей неправильно. Эта точка у ПЭП для толщиномеров находится примерно на глубине в 10 – 20 мм в стали от рабочей поверхности преобразователя. А это ближняя зона или граница зон.
Область пересечения пучков элементов РС преобразователя (у приёмного элемента, как мы выяснили, тоже пучок принимаемых колебаний) является областью существования акустических волн в режиме излучение-приём. Это по определению терминологического справочника акустическое поле в этом режиме. УЗ сигналы, которые принимает РС преобразователь, распространяются только в этой области. При очень малых толщинах ОК (порядка 1 мм и меньше) только ближайшие края пучков элементов преобразователя участвуют в передаче сигналов от излучающего элемента к донной поверхности и обратно к приёмнику. Поэтому и амплитуда донного сигнала очень мала. Остальные части пучков формируют только многие колебания с большой амплитудой, следующие за полезным донным сигналом, точнее за первой и второй полуволнами этих колебаний, которые используются в толщиномерах для отсчёта времени прихода донного сигнала.
5. Точка схождения, фокус РС преобразователя
Точка на акустической оси РС преобразователя, в которой пересекаются акустические оси его элементов – точка схождения по ГОСТ Р ИСО 5577-2009 – иногда именуется фокусом РС преобразователя. В частности, в справочнике Ю.В. Ланге и В.А. Воронкова есть статья «Фокус раздельно-совмещенного преобразователя (focus of dual search unit)».
Судя по английскому варианту этого термина, в справочник он попал из иностранной литературы, т.к. одна из целей справочника – показать соответствие русскоязычных и иностранных терминов. Строго говоря, фокусом названа точка, лежащая немного ближе точки схождения.
Фокусом этот «фокус» РС преобразователя, естественно, не является в обычном понимании фокуса фокусирующего преобразователя. РС преобразователь не формирует в среде сходящихся УЗ пучков. Они расходящиеся, т.к. в обычных РС ПЭП нет средств для этого (вогнутых пьезоэлементов, линз). И поэтому РС преобразователь не является фокусирующим.
Фокусом эту точку, из которой приходит максимальный эхосигнал, назвали, видимо, просто по аналогии с точкой фокуса фокусирующего преобразователя, который тоже принимает максимальный эхосигнал от отражателя в своём фокусе.
6. Зона фокусировки обычного совмещённого преобразователя
У обычного С преобразователя есть небольшая область пучка, где он немного сужается и далее уже расходится. Она находится вблизи границы ближней и дальней зон поля. Этот эффект называют естественной фокусировкой (см. книгу Й. Крауткремер, Г. Крауткремер. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник. М.: Металлургия. 1991.). Он вызван не специальными средствами, а дифракцией волн.
Вследствие интерференции колебаний от разных частей излучающей поверхности преобразователя в акустическом поле возникают зоны сложения или взаимного вычитания амплитуд волн, пришедших в эти зоны. И вблизи границы ближней и дальней зон акустического пучка колебания от всех частей излучателя, как от центральной, так и от краёв становятся приблизительно синфазны на оси пучка (разности фаз уже меньше четверти длины волны). Поэтому здесь наблюдается максимум акустического давления, которое уменьшается при отдалении от оси пучка. А поперечный размер пучка в этом сечении меньше диаметра излучателя, если его определять по некоторому уровню от максимума давления. И чем ниже этот уровень, тем, очевидно, шире пучок. Т.е. степень этой естественной фокусировки зависит от выбора уровня оценки ширины (толщины) пучка.
Поскольку специальных средств для фокусирования УЗ волн в обычном совмещённом преобразователе нет, то его и нельзя назвать фокусирующим. Да и область этой «фокусировки» намного больше длины волны.
7. Используют ли антенные решётки для толщинометрии?
Да, конечно. Для измерения толщины железобетонных изделий используют матричные антенные решётки. Без них донный сигнал из структурного шума не выделить. Можно, конечно, использовать прямой совмещённый ПЭП на частоту 100 кГц с апертурой в 70 – 100 мм, и с помощью солидола тщательно притереть его к бетону. Но такая технология осталась в прошлом веке.
При УЗ контроле металлов приборами с антенными решётками иногда попутно с получением изображений внутренней структуры ОК измеряют и его толщину, используя сигналы антенной решётки. Но для этого не выделяют отдельные элементы решётки только для толщинометрии. В сигналах от обычных элементов даже наклонных решёток присутствуют эхосигналы от донной поверхности ОК.