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초음파 시험에서의 초음파 빔 특성

초음파의 높은 진동 수(MHz)와 이에 따른 짧은 파장 때문에 초음파 소스는 방향성이 강한 특성을 가지고 있습니다. 특히 언급할 만한 음압 진폭 p는 공간의 작은 부분에서만 확인할 수 있습니다. 시험에서 음장의 필수적이고 가장 중요한 부분은 음장의 좁은 부분에 있으며 이 부분을 초음파 빔이라고 합니다.

이러한 방향성 효과를 이해하기 위해 변환기의 표면은 소리를 방사하는 지점의 배열로 간주됩니다. 이러한 지점에서 방사된 각 음파는 구형으로 전파됩니다. 이들은 서로 다른 전달 시간으로 공간의 한 지점인 Q에 도달합니다(그림 20). 이곳에서 개별 파동이 겹치고 간섭하며 위상과 진폭에 따라 Q 지점에서 총 음압을 제공합니다. Q의 위치에 따라 간섭의 영향은 매우 다를 수 있습니다. 그림 21은 D/λ = 10인 수정에서 간섭으로 인해 사운드가 좁은 부분으로 어떻게 묶이는지 보여줍니다. 변환기 바로 앞 영역에는 음압 변화가 심한 영역인 "근거리 음장"이 있습니다. 변환기에서 가장 멀리 떨어진 최대 압력은 근거리 필드의 음장의 끝을 표시합니다. 이 지점에서 초음파 빔이 최대 강도까지 집중됩니다. 각 음원에는 변환기의 모양에 따라 모양이 변하는 근거리 음장이 있습니다.

재료를 검사할 때는 초음파 빔의 어느 부분이 검사에 적합한지, 즉 프로브의 작동 범위를 아는 것이 매우 중요합니다. 자주 묻는 질문: 원판형 평면 변환기를 사용하는 경우, 점 반사체에서 발생하는 에코가 축의 최대 압력 미만으로 일정 값 이상 감소하지 않는 빔의 가장자리는 어디입니까? 프로브가 음향 축에서 방향성 인자 R=1을 가지면 축 바깥의 Q 지점에서 압력 R < 1을 생성합니다.

해당 지점에서 반사된 음파는 동일한 프로브에 동일한 감소 값 R < 1로 포착됩니다. 반사체(점)에서 독립된 귀로 신호는 음향 축과 비교하여 방향성 인자 R²로 위치합니다. dB 시스템에서.

점 반사체 에코에서 20dB 진폭 감소는 자유장이 20/2dB = 10dB 감소함을 의미합니다. 그림 22는 이러한 빔 제한을 원거리 음장에서는 정확하게, 근거리 음장에서는 감싸는 형태로 보여줍니다. 이 빔 외부에는 언급할 만한 음압이 없습니다. 그림 22는 프로브의 음향 방사 모델입니다.

근거리 음장은 대략적인 수정 직경을 가진 빔을 표시하지만, 근거리 음장의 끝 부분으로 가면서 수정 직경의 절반으로 줄어듭니다.

발산 각도 γ는 원판형의 수정의 음향 축에 수직인 음압 진폭 p가 다음 등식을 따르기 때문에 일정합니다.

직사각형 수정의 경우 다음이 적용됩니다.

여기서 S는 수정의 A 또는 B면 중 하나를 사용합니다. 등식 10과 11 및 그림 23에 따라 다음 굴절각 γ₆ 및 γ₂₀ 또한 진폭이 6dB과 20dB씩 떨어지는 중요한 경우에 속합니다.

디스크 오실레이터의 경우:

γ₆ = arc sin 0.51 λ/D

γ₂₀ = arc s in 0.87λ/D

직사각형 오실레이터의 경우:

γ₆= arc sin 0.44 λ/s

γ₂₀ = arc sin 0.74 λ/s

(s = 오실레이터의 선택 면(a 또는 b))

변환기와의 거리 z에 따라 음압 p도 바뀝니다. 원판형 변환기에는 다음이 적용됩니다.

(D 변환기 직경, z 거리) 더 긴 거리 z에 대해서는 방정식 (12)를 다음과 같이 근사치로 계산할 수 있습니다.

dE3 시스템에서는 다음과 같이 됩니다.

다음 등식은 모양에 관계없이 모든 변환기에 적용됨: 거리가 먼 경우 음압 진폭은 거리에 비례하여 감소(방정식 13)하거나 거리의 대수에 대해 표시된 음압 곡선(방정식 14)은 직선이 됩니다. 이러한 관계가 적용되는 영역을 "원거리 음장"이라고 합니다. 근거리 음장과 원거리 음장 사이의 범위를 "전환 범위"라고 합니다. 방정식 12처럼 쉽게 설명할 수 없는 정사각형 변환기의 거리 법칙은 그림 25에 나와 있습니다.

표 4는 평평한 원판형 및 직사각형 변환기를 사용하여 자유장과 에코 작동에 대한 초음파 빔의 너비를 추정하기 위한 보조 표입니다. 그런 다음 빔 너비(축에서 측정)는 다음과 같이 계산됩니다.