Фазированной решеткой (ФР) назы­вают преобразователь в виде излучающих и принимающих УЗ элементов, располо­женных на определенном расстоянии друг от друга. Возбуждающие электрические импульсы на элементы подают со сдвигом фазы (времени). Аналогичные электриче­ские временные задержки для каждого принимающего элемента вводят в прием­ный тракт. Изменяя сдвиг фазы, управля­ют акустическим полем преобразователя. Иногда также изменяют амплитуды сиг­налов, подаваемых на различные элемен­
ты и снимаемых с них. В настоящее время подачей и съемом сигналов с элементов ФР обычно управляют по команде от ком­пьютера.

ФР бывают: линейные (одномерные), двухмерные и кольцеобразные. Чаще всего применяют линейные решетки из иден­тичных элементов. ФР используют, когда необходимо управлять полем преобразова­теля [425, с. 509/009 и 505/193] (рис. 1.60); для изменения угла ввода (см. рис. 1.60, б), а также угла разворота (угла относи­тельно дополнительной плоскости), регу­лировки ширины диаграммы направлен­ности, подавления боковых лепестков, для переменной фокусировки (см. рис. 1.60, в), перемещения поля с помощью электрон­ных устройств без механических переме­щений (см. рис. 1.60, а). Это позволяет увеличить скорость контроля и проверять сложные детали.

В [425, с. 503/151] показано, как можно фокусировать акустическое поле на различных расстояниях от преобразовате­ля и как изменять угол ввода. Отличие фокусировки с помощью ФР от фазовой фокусировки, принцип которой изложен в разд. 1.3.1, состоит в том, что в последнем случае фазы соседних элементов (зон) изменяются только на тс/2.

Иногда считают, что каждый элемент ФР излучает сферическую волну. В дейст-

вительности каждый элемент излучает поле с определенной диаграммой направ­ленности. При отклонении поля ФР на некоторый угол от нормали будут сумми­роваться ослабленные боковые лучи диа­грамм направленности элементов. Чем меньше размеры элементов, тем шире их диаграммы направленности, но все же ограниченная ширина диаграммы направ­ленности сохраняется. Считают, что до­пустимо использовать боковые лучи диа­грамм направленности, ослабленные не более чем в 2 раза по отношению к мак­симуму излучения. С учетом этого для создания наклонного преобразователя с ФР на угол ввода > 30° и используют пре­ломляющую призму.

На рис. 1.61 показана линейная (од­номерная) ФР, предназначенная для регу­лирования поля в плоскости ху. Все ее элементы сделаны одинаковыми. Шаг ре­шетки т делают не больше длины волны в ОК. Обычно принимают т = Х( 2, тогда взаимное влияние элементов решетки ми­нимально.

Поле ФР приближенно рассчитывают [327] как произведения поля отдельного элемента на множитель, учитывающий совместное действие всех элементов. Поле прямоугольного элемента в плоскости ху, согласно табл. 1.9, описывается формулой sinA'/A, а общее выражение для поля излу­чения в дальней зоне - формулой

(1.41)

Хг X sin Y

Здесь Р0 - постоянное акустическое дав­ление у поверхности элемента решетки; S - суммарная площадь элементов; г - расстояние от центра решетки до точки наблюдения В; % - диаграмма направлен­ности точечного источника; 9 - угол меж­ду нормалью к поверхности и направлени­ем на точку наблюдения В; X = ак sin 0; а - полуширина элемента; Nx - число эле­ментов решетки; Y = 0,5ATn(sin 0 - tap/т),

где (р = t/T (в долях 2л) - сдвиг фазы ме­жду соседними элементами; t - соответст­вующая временная задержка; Т - период колебаний.

Ширину элемента 2а обычно выби­рают не более mjl, т. е. а < л/8. Благода­ря этому диаграмма направленности от­дельного элемента будет широкой. Для формирования поля продольных волн ис­пользуют центральный основной лепесток этой диаграммы с 0 < 30°, а поперечных (довольно редко) - боковые лепестки с 0 = ±(35...80°). При переходе от продоль­ных волн к поперечным учитывают изме­нение длины волны в формуле (1.41).

Чтобы обеспечить угол ввода а, сдвиг фазы должен быть равен Ф = tf = msina/A,. Тогда

/ ч S sin[o,5A/MAfj|sin 0 - sin a|]

P = PqVp) f : T~ •

Xr sin[0,5taw|sin 0 - sin a|J

Диаграмма направленности такой функции приведена на рис. 1.49, кривая sinX/X. Основной максимум соответст­вует условию 0 = a, а первые миниму­мы - условию

sin 0 = sin a ± тс(0,SkmNx )_1 = sin a ± 2/lVj,

если положить m = X/2. На уровне 0,1, согласно табл. 1.10,

sin 0 = sin a ±,6/Nx.

Использование ФР требует примене­ния импульсов повышенной длительности т, чтобы обеспечить интерференцию сиг­налов, приходящих от разных элементов. Это особенно существенно при больших углах ввода. Например, если а —э 90°, то нужно выполнить условие тс > Nxm.

При применении ФР с целью умень­шения боковых лепестков диаграммы на­правленности амплитуды возбуждаемых и принимаемых сигналов уменьшают от центрального элемента к периферийным. ФР для излучения и приема наклонных к поверхности волн, как правило, распола­гают на призме, как для наклонного пре­образователя. Призма обеспечивает ос­новное значение угла ввода, а с помощью ФР варьируют этот угол в узких пределах.

Рекомендации по проектированию ФР содержатся в [327]. Предложена более общая формула для поля излучения в дальней зоне. Без учета затухания она имеет вид

Здесь /0) - диаграмма направленности отдельного элемента; /„ и /о - амплитуды возбуждающих токов в п-м и нулевом элементах; а - угол ввода (основной); v|/„ - фаза в п-м элементе. Рассмотрено влияние ошибок фазового распределения. Эта формула позволяет учесть эффект нерав­номерного возбуждения элементов ФР.

В [425, с. 505/193] отмечается, что для расчета ФР и управления ими необхо­димо пять программ.

1. Программа для расчета углов па­дения и разворота (для наклонных преоб­разователей), фокусирования с учетом расстояния между преобразователем и контролируемой зоной.

2. Программа для выбора распреде­ления задержек и амплитуд сигналов, по­даваемых на элементы ФР. Она определя-

34

32

30

28

ет акустическое поле ФР. Ее рассчитыва­ют на основе знания предполагаемых по­лей различных элементов либо, наоборот, исходя из требуемых параметров поля получают нужное распределение задержек и амплитуд сигналов.

3. Программа для управления полем во время контроля.

4. Программа контроля работы аппа­ратуры, управления задержками и ампли­тудами сигналов во время перемещения преобразователя.

5. Программа представления и оцен­ки результатов контроля. Имеются в виду выбор типа развертки, использование ме­тода синтезированной апертуры и т. п.

В [425, с. 481/038] для образования решетки пьезоэлемент из РЬТЮ3 разре­зался на разную глубину: разрезались только электрод; электрод и пьезоэлемент на небольшую глубину; электрод и пьезо­элемент полностью. Сравнительные испы­тания (рис. 1.62) показали, что в первом варианте амплитуда эхосигнала от опор­ного отражателя была на 3,5 дБ выше, а соотношение полезный сигнал/помеха на 4 дБ выше, чем в других вариантах. Форма огибающей от отражателя практически идентична.

В [425, с. 507/637] сообщалось о раз­работке гибких ФР для контроля изделий со сложной поверхностью. Неровности поверхности были скорректированы за­держками времени для различных элемен­тов. В результате поле оказалось подоб­ным полю для плоской поверхности.

В [422, с. 2171] разработана самофо­кусирующаяся ФР для контроля листов волнами Рэлея и Лэмба. Центральный

элемент решетки (рис. 1.63) излучает им­пульс. Эхосигнал от отражателя, располо­женного в точке, где желательно получить фокусировку, принимает все элементы решетки. С учетом времени пробега этого импульса, формы и размеров решетки ав­томатически рассчитываются и вводятся времена задержек для всех других элемен­тов. В экспериментальной установке ФР располагалась на призме из акрила, обес­печивающей требуемый угол падения для возбуждения и приема волн Рэлея или Лэмба. Решетка имела восемь элементов на частоту 5 МГц размером 3,5 х 8,3 мм.

Далее приводятся примеры практиче­ского применения ФР. В [425, с. 509/009] рассмотрено применение ФР для контроля труб иммерсионным способом. ФР из очень большого числа элементов (напри­мер, 128) располагают концентрично тру­бе так, чтобы она охватывала трубу на угол > 90° (рис. 1.64). В процесс контроля включают группы элементов (например, из 16 штук), чтобы поле фокусировалось на поверхности трубы, имело оптималь­ный угол падения, а затем осуществлялось линейное перемещение поля. Подключая

различные группы элементов, можно бы­стро проверить четвертую часть окружно­сти трубы.

В [425, с. 505/193] показан пример эксплуатационного контроля ротора с кольцевыми пазами (рис. 1.65). Здесь нужно обеспечить контроль всего металла и ФР изменяет угол ввода для достижения этой цели.