книги / Применения ультразвука
..pdfРис. 2.28. Зависимость амплитуды сигнала от толщины прослойки
амплитуда сигнала изменяется в зависимости от толщины этой прослойки (рис. 2.28). В главе 4 потери при передаче в связываю щей среде рассмотрены более подробно.
Интенсивность звука также снижается из-за шероховатости поверхности среды и рассеяния звукового луча. В таких случа ях затухание представляет собой чистые потери интенсивности вследствие действия вышеперечисленных факторов. Снижение интенсивности во время распространения ультразвуковых волн, происходящее по причине шероховатости поверхности среды, проиллюстрировано на рис. 2.29. Кроме того, становится очевид ным тот факт, что вязкие прослойки важны для увеличения амп литуды сигнала при работе с поверхностями, имеющими сильную шероховатость.
Как правило, измерить затухание ультразвуковой энергии в среде, которое включает все вышеперечисленные потери, доста точно сложно. Тем не менее затухание можно оценить, если из мерить амплитуду многократно отраженных волн и подсчитать потери в последовательных импульсах. Затухание в твердой среде зависит от термической обработки, размера зерна, вязкого тре ния, изменения кристаллической структуры, пористости, упруго го гистерезиса, жесткости, модуля Юнга и т.д.
2.11. Дифракция
Дифракция ультразвуковых лучей объясняет образование зон с высокой и низкой энергией из-за суперпозиции с фронтом плос кой волны. В качестве примера рассмотрим диафрагму, генериру ющую волну кольцевой формы (рис. 2.30). В результате наложения ее на плоскую волну образуются последовательные максимумы и минимумы, то есть области высокой и низкой интенсивности поля, как показано на рис. 2.30.
Шероховатость поверхности (мкм) |
|
||
50 |
100 |
150 |
200 |
Глицерин (100%)
Водный раствор глицерина (50%)
Водный раствор глицерина (25%)
Моторное масло
Рис. 2.29. Зависимость амплитуды сигнала от шероховатости поверхности
тра источника, поэтому ее называют дифракцией Фраунгофера (рис. 2.31).
Согласно теории дифракции угол раствора луча 0 можно полу чить из соотношения:
sin(\)/2) = ^ , |
(2.59) |
по половинному уровню интенсивности относительно ее значе ния на осевой линии на рис. 2.31:
sin(W2) = ^ ^ , |
(2.60) |
по уровню одной десятой от интенсивности на осевой линии:
sin ( в / 2) = ^ ■ |
(2.61) |
Формулы (2.59), (2.60) и (2.61) действительны только для ма лых значений Х/D. В области дальнего поля интенсивность уль тразвукового луча подчиняется закону обратных квадратов, если не учитывать потери, вызванные эффектами поглощения и рас сеяния. Важным аспектом является проектирование ультразвуко вых преобразователей, что рассматривается в главе 3.
2.12.Заключение
Вданной главе представлены и обсуждаются различные базовые понятия, которые играют важную роль в ультраакустике. Вкратце рассмотрены основы предмета, что полезно как для новичков в данной области, так и для исследователей. Эта глава служит от правной точкой для усвоения сложных аспектов ультраакустики, которые будут проанализированы в следующих главах книги.
Рекомендуемая литература
1.Asher R С, Ultrasonic Sensors, Institute of Physics Publishing, London (1997).
2.Babikov О I, Ultrasonics and its Industrial Application, Constuetants Bureau, Plenum Press, (1960).
3.Beranek L L, Acoustics, McGraw Hill (1954), Reprinted by American Institute of Physics (1986).
4.Bergmann L, Ultrasonics, Wiley, New York, (1938).
5.Birgukov S V, Gulyaev Y V, Krylov V V and Plessky V P, Surface Acoustic Waves in Homogeneous Media, Springer (1995).
6.Blitz J, Elements of Acoustics, Butterworth, London, (1964) 27.
7.Blitz J, Fundamentals of Ultrasonics, 2nd Edn. Butterworth London (1967).
8.Blitz J, Fundamentals of Ultrasonics, Butterworth, London (1963).
9.Brekhovskikh L M and Godin OA, Acoustics of Layered Media, Springer (1990).
10.Brekhovskikh L M, Waves in Layered Media, Academic Press (1980).
11.Brillowin, L, Wave Propagation and Group Velocity, Academic Press (1960).
12.Carlin B, Ultrasonics, 2nd Edn., McGraw Hill, New York (1960).
13.Davis A H, Modern Acoustics, Bell, (1934).
14.Erawford A E, Ultrasonic Engineering, Butterworth (1955),
15.Goldman R G, Ultrasonic Engineering, Reinbold Publ Co, New York (1965).
16.Gooberman G L, Ultrasonics Theory and Application, English Universities Press, London (1968).
17.Herzfeld K F and Litovitz T A, Absorption and Dispersion of Ultrasonics, Academic Press, New York (1954).
18.Mason W P and Mcskimin H J, JAcoust Soc Amer, 19 (1947) 466.
19. Mason W P (Ed.), Physical Acoustics |
Principles and methods, |
Academic Press, Series of volumes. |
|
20.Nozdrev V F, Application of Ultrasonics in Molecular Physics, Gordon & Breach, New York (1963).
21.Richardson E G, Ultrasonic Physics, 2nd Edn. Elsevier, Amsterdam (1962).
22.Stefan Kocis and Zdenko Figura, Ultrasonic Measurements and Technologies, Chapman & Hall, London (1996).
23.Stephens R W В and Bate A E, Acoustics and Vibrational Physics, 2nd Edn. Arnold, London (1986).
24.Truell R, Elbaum, C and Chick В В, Ultrasonic methods in Solid State Physics. New york, Academic Press (1969).
ГЛАВА 3
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
3 . 1 . В в е д е н и е
В главах 1 и 2 мы провели обзор науки и технологии ультраакус тики и обсудили основополагающие принципы ультразвука.
Ультразвуковой преобразователь— это прибор, который может превращать электрическую энергию в звуковые волны высокой частоты и наоборот. Преобразователь является важным элемен том ультразвуковой системы. От него зависят желательный вид энергии с учетом частоты, тип волны и характеристика направ ленности. По принятому преобразователем сигналу из среды оценивается взаимодействие ультразвуковых волн с внутренней структурой исследуемого материала.
Ультразвуковые волны можно создавать различными спосо бами, например, используя свистки, сирены, искровые разряд ники, принципы пьезоэлектрического, электростатического и электромагнитного преобразования. Для генерации ультразвуко вых волн и их обнаружения применяются также лазерные техно логии. Одним из последних материалов для пьезоэлектрических преобразователей стал поливинилиденфлюорид (PVDF). Новые разработки включают создание композиционных материалов, по лупроводников и сверхпроводников для использования на очень высоких частотах, а также специальных материалов для приме нения в суровых условиях. Тем не менее значительная часть уль тразвуковых преобразователей является пьезоэлектрическими керамическими преобразователями. В настоящее время им прина длежит более 90% рынка преобразователей для ультразвуковых из мерений и применений в условиях низких и высоких температур. Пьезоэлектрические преобразователи являются обратимыми при борами и используются как для создания, так и для обнаружения ультразвуковых волн.
В данной главе предпринята попытка объяснить следующие аспекты:
(I) Источники образования волн. (II) Преобразующие материалы.
(III) Создание пьезоэлектрических преобразователей. (IV) Работа различных типов преобразователей.
(V)Характеристика ультразвукового луча преобразователя.
3.2.Различные виды источников ультразвука
Восновном для создания ультразвуковых волн используются сле дующие методы:
1 ) механический;
2 ) электростатический;
3)электродинамический;
4)магнитострикционный;
5)электромагнитный;
6 ) пьезоэлектрический;
7) лазерный.
Во всех вышеперечисленных методах используется закон со хранения энергии, то есть один вид энергии преобразуется в дру гой. К примеру, в механическом методе механическая энергия переходит в ультразвуковую (тоже механическую). В пьезоэлек трическом методе электрическая энергия превращается в меха ническую по законам пьезоэлектричества. В лазерном методе лазерная энергия (электромагнитная энергия) или термоупругая энергия переходит в механическую.
3.2.1. Механический метод
Звук в теле можно производить с помощью механического уда ра или трения. Данное явление, хорошо известное в диапазоне слышимости, порождает широкий спектр вибраций, простираю щийся в мегагерцовую область частот. Создаются все виды волн в диапазоне частот от 1 0 0 кГц до 1 МГц. Этот метод был самым первым, используемым для генерации ультразвуковых волн в воз духе: свисток Гальтона. В качестве источника ультразвука приме нена миниатюрная органная труба.
Экспериментальное приспособление, используемое Гальтоном для создания ультразвуковых волн различной частоты, показано на
рис. 3.1. Оно состоит из двух круглых стеклянных цилиндров АВ и CD, расположенных таким образом, что расстояние между концами В и С можно регулировать с помощью двух микрометрических вин тов S, и Sr Воздух, задуваемый в сопло А, выходит из круглого конца В. Выходящий воздух ударяет по острому кончику С, который выпол нен в виде режущей кромки ножа. Регулируя расстояние между В и С с помощью винтов Sj и S2, можно заставлять столб воздуха в трубе CD вибрировать. Длину вибрирующего столба воздуха можно изменять с помощью клапанного приспособления S3и таким образом варьиро
вать частоту создаваемого ультразвука. Частота генерируемых ультразву
ковых волн задается следующей фор мулой:
, |
и |
(3.1) |
f |
= ~77}---- Г, |
|
|
4(L+x) |
|
где U — скорость звука в воздухе, L — длина вибрирующего столба воздуха, х — концевая поправка.
Рис. 3.1. Механический генератор
3.2.2. Электростатический метод
Электростатический метод можно использовать для создания уль тразвука высоких частот от 10 до 200 МГц. В данном методе перед неподвижным электродом помещается тонкая (= 50 мкм) про водящая пленка, отделенная от него диэлектрической (изоляци онной) пленкой (рис. 3.2). На металлические пластины подается переменное напряжение. Механические силы, возникающие на поверхности подвижного электрода, генерируют ультразвуковые волны. Частота волн зависит от частоты подаваемого напряже ния. Волны, созданные таким способом, являются продольными, поскольку электростатические силы действуют перпендикулярно поверхности.
Сила F, рассчитываемая по нижеприведенной формуле, при тягивает пластины заряженного конденсатора друг к другу:
(3.2)
где гг—абсолютная диэлектрическая проницаемость, S —площадь поверхности пластины, V—подаваемое напряжение, d —расстоя ние между пластинами (электродами).
Сила притяжения не зависит от полярности подаваемого на пряжения. Следовательно, если подается переменное напряжение определенной частоты, получается ультразвук двойной частоты. Если удвоение частоты нежелательно, необходимо дополнитель но подать постоянное напряжение V_ > V~.
Несмотря на то что электростатические силы используются для непосредственной генерации ультразвука высокой частоты, получа емые амплитуды относительно малы для эхо-импульсных операций.
^Электрод, совершающий колебания
Пленочный изолятор Неподвижный электрод
Ультразвук
Рис, 3.2. Электростатическое передающее устройство
3.2.3. Электродинамический метод
Данный метод, в основе которого лежит сила Лоренца, также на зывают магнитно-индуктивным методом. Катушка с переменным электрическим током помещается в среду, обладающую электро проводностью. При этом в малом элементе среды объемом dVвоз никает вихревой ток плотности / и на объем {/^действует сила F. Здесь следует уделять внимание направлениям: векторы J, В и F расположены под прямыми углами друг к другу:
F ~ J x B |
(3 .3 ) |
Выбирая направление магнитного поля В, мы можем произ водить либо продольные, либо поперечные волны. Если В ориен тировано параллельно поверхности, а сила F перпендикулярна ей, как показано на рис. 3.3а, создаются продольные волны. Если же поле В перпендикулярно поверхности, a F параллельна ей (рис. З.ЗЬ), возникают поперечные волны.
Устройство, основанное на принципе силы Лоренца, называ ется электромагнитным акустическим преобразователем (ЕМАТ).
Его устройство рассматривается в разделе 3.2.5.
3.2.4. Магнитострикционный метод
Все ферромагнитные материалы подвергаются механической де формации при попадании в магнитное поле. Это явление называ ется магнитострикцией и не зависит от направления магнитного поля. С помощью магнитострикционного осциллятора (рис. 3.4) можно создавать продольные волны.
F = У х Д
Рис. 3.3. Электродинамический метод
Рис. 3.4. Магнитострикционный осциллятор