Фокусирующий преобразователь кон­центрирует энергию поля в определенной области - фокальной зоне, которая при сферической фокусировке имеет вид кру­га, а при цилиндрической - полосы. Здесь рассмотрена сферическая фокусировка, однако полученные закономерности спра­ведливы также для цилиндрической.

Наибольшее применение получили способы фокусировки криволинейной пье­зопластиной (активным концентрато­ром) и линзой (рис. 1.56). Между искрив­ленной поверхностью пьезопластины и плоской поверхностью изделия вводят акустическую задержку, которая также играет роль линзы. Кроме того, применя­ют фазовую фокусировку (см. разд. 1.3.1)
и фокусировку с помощью ФР, которая будет рассмотрена позднее.

Для обеспечения эффективной фоку­сировки задержка и линза должны иметь толщины, значительно меньшие длины ближней зоны, поэтому считают, что в этой области акустическое поле - пучок лучей, перпендикулярных к поверхности излучателя. Деформацию пучка линзой и задержкой рассчитывают по законам гео­метрической акустики (аналогичным за­конам геометрической оптики). Фокаль­ные расстояния для рис. 1.56, аиб равны

^=(*a-r3)—; F5 = С„

где 7?а и R„ - радиусы кривизны поверхно­стей активного концентратора и линзы; сл , сз и с0 - скорости звука в материалах линзы, задержки и ОК соответственно.

В результате фокусирующей систе­мой формируется сходящийся волновой фронт с радиусом кривизны, равным фо­кусному расстоянию. Все дальнейшее от­носится к активному концентратору, ра­диус кривизны которого равен фокусному расстоянию: R = F (см. рис. 1.56, в). Будем считать, что апертурный угол (угловая апертура), равный 0m = dxcsn(a! F), не пре­восходит 30°.

Приближенное выражение для поля излучения вдоль оси х [132]

2

l — x/F

При x = F, т. е. в точке геометриче­ского фокуса, раскрытие неопределенно­сти дает

|/ф| = N/F, N = S/nX, (1.38)

где S - площадь пластины преобразовате­ля.

Поле излучения-приема, как и ранее, приближенно равно квадрату поля излу­чения.

Отличие акустических фокусирую­щих систем от оптических состоит в за­метном смещении максимума максимору - ма |/ф | (акустического фокуса F') от гео­метрического фокуса в сторону преобра­зователя. Это объясняется тем, что поле, создаваемое фокусировкой, налагается на сложное акустическое поле ближней зоны преобразователя, а в оптических системах несфокусированное поле очень хорошо представляется как поле плоской волны.

Поле в плоскости геометрического фокуса

Фокусировка никогда не бывает то­чечной. Вокруг точки фокуса образуется фокальное пятно. Радиус его ро из условия J = 0 равен

р0 =0,6LFl/a. (1.39)

При 9т = 30° минимальный радиус фокального пятна

Рошіп =1,22Х. (1.40)

Максимальное значение |/ф| назы­вают коэффициентом усиления Кр. Протя­
женность фокальной области /определя­ют как расстояние вдоль оси х, где |/ф| > 0,7 максимального значения. Про­тяженность части фокальной области от максимума в сторону увеличения х обо­значим/. Графики на рис. 1.57 позволяют рассчитать основные параметры фокуси­рующей системы.

Пример 1.14. Рассчитать поле вдоль оси фокусирующего преобразователя для отноше­ния F/N =0,5. Определить параметры поля и со­поставить с найденными порис. 1.57.

Формула (1.37) при условиях задачи приоб­ретает вид

F'/F = 0,8; протяженность фокальной области / = 0,59 F, а протяженность ее части от макси­мума в сторону увеличения т /'= 0,4F. На рис. 1.57 проводим вертикальную линию через точку F/N = 0,5 и находим те же значения пара­метров.

Оценка влияния импульсного режима на работу фокусирующего преобразовате­ля [23] показала, что фокусировка увели-

чивает длительность переходных процес­сов, т. е. длительность импульсов. Макси­мумы и минимумы импульсов сглажива­ются, как это отмечалось для поля прямо­го преобразователя, расстояние до акусти­ческого фокуса увеличивается, диаметр фокального пятна также возрастает.

При проектировании фокусирующих преобразователей часто ставится задача увеличения фокальной области, т. е. созда­ния акустического поля, в котором кон­центрация энергии вблизи оси происходит в возможно более широком диапазоне расстояний. Лучших результатов в дости­жении этой цели удается добиться с по­мощью аксиконового РС-преобразова - теля. В нем два пьезоэлемена: в центре - круглая плоская пластина, а вокруг нее - фокусирующее кольцо (активный концен­тратор). Один из элементов служит излу­
чателем, а другой - приемником УЗ. Поле излучения-приема такого преобразователя приближенно равно произведению полей активного концентратора и центрального плоского элемента.

На рис. 1.59, а показан аксиконовый преобразователь с центральной пластиной диаметром 8 мм, кольцеобразной пласти­ной - диаметром 20 мм и радиусом кри­визны R = 86 мм на частоту 2,5 МГц. Со­гласование с плоской поверхностью ОК дос­тигается заливкой эпоксидной смолой. Изменение амплитуды эхосигнала от не­большого плоскодонного отверстия на оси такого преобразователя (см. рис. 1.59, б, сплошная линия) свидетельствует о наличии акустического фокуса на глубине 20 мм. Это соответствует расчету по формуле (1.37). На рис. 1.59, в показана линия равного ослаб­ления на 6 дБ. До глубины 50 мм поле из-

лучения-приема значительно уже, чем поле прямого преобразователя такого же диаметра (штриховая линия).

При контакте наклонных преобразо­вателей с искривленной поверхностью ОК (цилиндрической или сферической) приз­му обычно притирают к поверхности. Акустическое поле такого преобразовате­
ля формируется в результате преломления волн, сходного с преломлением в линзе [325]. В связи с этим были предприняты исследования по подбору материала приз­мы со скоростью продольных волн, рав­ной или близкой к скорости поперечных волн в ОК [275]. В качестве подобного материала было выбрано германатное стекло.

1	2
3
4

Рис. 1.60. Управление акустическим полем с помощью ФР:

линейное перемещение поля с одновременной фокусировкой (а), вариация угла ввода (б),
переменная фокусировка (в); 1 - возбуждение; 2 - задержка времени; 3 - номер пьезоэлемента;

4 - фокус

Эксперименты подтвердили, что ре­зультаты фокусировки таким наклонным преобразователем не хуже, чем фокуси­ровки прямым преобразователем.

Корректировка акустического поля преобразователя возможна путем пере­менного демпфирования пьезопластины [324]. Последнее вызывает соответствую­щее изменение давления пьезопластины на призму наклонного преобразователя и формирование акустического поля преоб­разователя. Наибольший эффект наблю­дался для параболического закона демп­фирования: он вызывал сужение диаграм­мы направленности и устранение поверх­ностных волн при больших углах наклона призмы.