Влияние конструктивных параметров многоэлементных фазированных преобразователей на формирование акустических полей

• Автор: Мышкин, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 175 с. : ил.

Содержание

Общая характеристика работы

Глава 1 Многоэлементные ультразвуковые преобразователи и методы расчета акустических полей
1.1 Преобразователи на фазированных решетках в неразрушающем контроле и диагностике

1.2 Артефакты ультразвукового изображения

1.3 Электромагнитно-акустические преобразователи в неразрушающем контроле

1.4 Методы расчета акустических полей

1.4.1 Расчет одноэлементных пьезоэлектрических преобразователей

1.4.2 Расчет многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей

1.4.3 Вторичные лепестки в ДН ФР преобразователей

1.4.4 Расчет электромагнитно-акустических преобразователей
Выводы по главе 1. Формулировка цели и задач исследования
Глава 2 Физико-математическая модель расчета акустических полей многоэлементных преобразователей
2.1 Постановка задачи в общем виде
2.2 Особенности расчета фазированных решеток пьезоэлектрических преобразователей
2.3 Особенности расчета фазированных решеток ЭМАП
2.4 Алгоритм расчета
2.5 Программное обеспечение
Выводы по главе
Глава 3 Исследование акустических полей электромагнитно-акустических
преобразователей
3.1 Синфазные ЭМАП
3.1.1 Формирование поля вихревых токов синфазными ЭМАП
3.1.2 Акустические поля синфазных ЭМАП
3.1.3 Влияние рабочей частоты ЭМАП на характеристики дифракционных лепестков

3.1.4 Влияние конструктивных особенностей синфазных ЭМАП на характеристики дифракционных лепестков
3.2 Противофазные ЭМАП
3.2.1 Формирование поля вихревых токов противофазными ЭМАП
3.2.2 Акустические поля противофазных ЭМАП
3.2.3 Влияние конструктивных особенностей противофазных ЭМАП на характеристики дифракционных лепестков
3.3 Влияние неравномерности зазора по апертуре ЭМАП
3.4 Экспериментальные исследования
3.4.1 Аппаратно-программные средства
3.4.2 Конструкции используемых ЭМАП
3.4.3 Результаты экспериментальных исследований
3.5 Проектирование ЭМАП поперечных волн горизонтальной поляризации для УЗ
структуроскопа СЭМА
Выводы по главе
Глава 4 Исследование акустических полей фазированных решеток пьезопреобразователей
4.1 Секторные фазированные УЗ медицинской диагностики
4.2 Секторные фазированные преобразователи в УЗ неразрушающем контроле
4.3 Влияние неисправностей элементов фазированной решетки на акустическое поле
преобразователя
Выводы по главе
Заключение
Библиографический список
Приложение А Блок-схемы программы «РАТАБ БтаикЮг»
Приложение Б Акты внедрения

Общая характеристика работы
Актуальность
Многоэлементными преобразователями в ультразвуковой (УЗ) диагностике и неразрушающем контроле (НК) принято называть преобразователи, имеющие более одного излучающего (приемного) элемента. К ним относятся фазированные решетки (ФР) пьезопреобразователей, обладающие рядом преимуществ в сравнении с одноэлементными, в частности, возможностями фокусировки и углового сканирования, исследования труднодоступных областей объекта контроля (ОК). К многоэлементным можно также отнести бесконтактные электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП), которые могут быть представлены в виде ФР отдельных лент с током.
Исследование полей УЗ преобразователей - обязательный элемент при разработке электроакустического тракта прибора. От диаграммы направленности (ДН) зависят чувствительность, точность измерений толщины, скорости или координат дефектов, шаг сканирования, поперечная разрешающая способность, условные размеры дефектов. Грамотное формирование ДН ЭМАП приобретает первостепенное значение при их проектировании, так как позволяет несколько скомпенсировать низкие коэффициенты ЭМА преобразования за счет концентрации УЗ волн в узком телесном угле и в требуемом направлении. Принято считать, что мешающими в ДН ультразвукового преобразователя являются близлежащие к основному боковые лепестки, приводящие к появлению артефактов УЗ изображения. Специфическим для фазированных преобразователей (ФП) является возможность появления в его акустическом поле дифракционных лепестков, обусловленных интерференцией УЗ волн от дискретных элементов ФР. Амплитуда последних может быть соизмерима с амплитудой основного лепестка, что наличии хорошо отражающей поверхности в направлении дифракционных лепестков и при слабо отражающей поверхности в направлении основного лепестка может привести к искажениям УЗ изображения ОК и его ошибочной интерпретации.
Актуальным является исследование особенностей акустических полей многоэлементных пьезо- и ЭМАП с позиций влияния на формирование боковых и дифракционных лепестков их конструктивных особенностей и параметров возбуждения и разработка научно-обоснованных требований к конструированию и использованию многоэле-

Наряду с описанными существуют другие методы минимизации артефактов вторичных лепестков: аподизация [139], применение не эквидистантных решеток [109], применение которых не всегда благоприятно сказывается на характеристике преобразователя, дополнительно усложняя процесс производства ФР, аппаратуру и процесс контроля.
1.4.4 Расчет электромагнитно-акустических преобразователей
Акустические поля бесконтактных ЭМАП повсеместно исследуются в научной литературе, начиная с 70-х годов XX века с работ Шкарлета Ю.М. [111, 112], Шубаева С.Н. [113], Буденкова Б.А., Буденкова Г.А. [22], Глухова H.A. [29], Комарова В.А. [51, 55], Ремезова В.Б., Ольшанского В.П. [81], заканчивая современными публикациями Комарова В.А. [50, 52, 53], Муравьева В.В., Муравьевой О.В., Ремезова В.Б. [93], Сучкова Г.М. и других исследователей [19, 33, 43, 47, 57, 89, 110].
Большинство работ в указанном направлении базируется на представлении ЭМАП в виде витка [93], плоской круглой катушки с током [29], нити [81], ленты с током [22] или двух синфазно (противофазно) возбуждаемых лент с током [53]. В ряде публикаций показано, что направленность реальных ЭМА-излучателей (в частности, прямоугольной катушки) описывается выражениями, идентичными выражениям для направленности пьезопреобразователей в дальней зоне [89].
Отличительной особенностью подходов, реализованных в научной школе Буденкова Г.А. [23], является использование при расчете акустических полей ЭМАП ДН сосредоточенных источников в виде горизонтальной и вертикальной сосредоточенных сил, пары сил или центра давления в зависимости от механизма ЭМА-преобразования [23].
Подход Комарова В.А. к расчету акустических полей ЭМАП основан на использовании пространственной гармонической модели, согласно которой поле представляется в виде бесконечного набора поверхностных пространственных гармоник, имеющих различные частотно-независящие (для квазистационарного поля) волновые вектора и амплитуды. Получен ряд интегральных выражений для расчета полей ЭМАП в магнито-стрикционных и немапштострикционных средах для индукторов различной формы (цилиндр, лента, две противофазные ленты) [50, 52, 53, 54]. Предлагается способ оценки протяженности ближней зоны ЭМА-нреобразователя по угловой ширине основного ле-