Caratteristiche del fascio sonoro nelle ispezioni a ultrasuoni
A causa dell'elevato numero di oscillazioni (MHz) in un'onda ultrasonica e della relativa lunghezza d'onda ridotta, le sorgenti di ultrasuoni hanno una forte caratteristica direzionale. Le ampiezze di pressione sonora p degne di nota possono essere confermate solo in una piccola porzione di spazio. La parte essenziale e, per il test, la più significativa del campo sonoro si trova all'interno di un settore ristretto del campo e questo settore è noto come fascio sonoro.
Per comprendere questo effetto direzionale, la superficie del trasduttore è considerata una serie di punti di irradiazione del suono. Ogni onda sonora irradiata da tale punto si propaga in maniera sferica. Raggiungono un punto Q nello spazio in tempi di transito diversi (fig. 20). Nel punto in cui le onde separate si sovrappongono, interferiscono e, in base alla fase e all'ampiezza, danno la pressione sonora totale al punto Q. A seconda della posizione di Q, gli effetti dell'interferenza possono essere molto diversi. La Fig. 21 mostra come il suono viene raggruppato in un’area ristretta, a causa delle interferenze, con un cristallo dove D/ λ = 10. Nella zona immediatamente antistante il trasduttore è presente un'area con forti variazioni di pressione sonora, ossia il "campo vicino". La pressione massima più lontana dal trasduttore indica la fine del campo vicino. A questo punto il fascio sonoro è concentrato nella massima misura. Ogni sorgente sonora ha un campo vicino la cui forma, tuttavia, è influenzata dalla forma del trasduttore.
Quando si testano i materiali, è molto importante sapere quale porzione del fascio sonoro è adatta per il test, vale a dire il campo di lavoro della sonda. Spesso ci si pone la domanda: dove, con un trasduttore piatto a forma di disco, si trovano i bordi del fascio in cui l'eco proveniente da un riflettore puntiforme non diminuisce di più di un valore definito al di sotto della pressione massima sull'asse. Se una sonda ha un fattore direzionale R = 1 sull'asse acustico allora lt genera, in un punto Q esterno all'asse, una pressione R < 1.
Un'onda sonora riflessa da lì viene captata dalla stessa sonda con lo stesso valore ridotto R < 1. Il segnale di ritorno, indipendente dal riflettore (punto), è localizzato con il fattore direzionale R 2 confrontato con l'asse acustico. Nel sistema dB.
Una caduta di ampiezza di 20 dB dall'eco di un riflettore puntiforme significa quindi una diminuzione del campo libero di 20/2 dB = 10 dB. La Fig. 22 mostra questa limitazione del fascio nel campo lontano in modo preciso e nel campo vicino in modo avvolgente. Non c'è alcuna pressione sonora degna di nota al di fuori di questo raggio. La Fig. 22 rappresenta quindi il modello per la radiazione sonora di una sonda.
Il campo vicino mostra un fascio con il diametro approssimativo del cristallo, che tuttavia si riduce fino alla fine del campo vicino alla metà del diametro del cristallo.
L'angolo di divergenza γ è costante perché l'ampiezza della pressione sonora p normale rispetto all'asse acustico per il cristallo a forma di disco segue la seguente equazione
Per i cristalli rettangolari vale di conseguenza quanto segue.
Per cui per s si usa entrambi i lati a o b del cristallo. Come per le equazioni 10 e 11 e la fig. 23, anche i seguenti angoli di rifrazione (γ 6 e γ 20) appartengono ai casi importanti di cadute di ampiezza di 6 dB e 20 dB
Per gli oscillatori a disco:
γ6 = arcoseno 0,51 λ/D
γ 20 = arcoseno 0,87 λ /D
Per gli oscillatori rettangolari:
γ 6 = arcoseno 0,44 λ /s
γ 20 = arcoseno 0,74 λ /s
(s = un lato opzionale (a o b) dell'oscillatore.)
Con la distanza z dal trasduttore cambia anche la pressione sonora p. Per un trasduttore a forma di disco vale quanto segue:
(diametro del trasduttore D, distanza z) Per distanze maggiori l'equazione z (12) può essere approssimata
Nel sistema dE3 questo diventa:
Quanto segue si applica a tutti i trasduttori indipendentemente dalla loro forma: per grandi distanze l'ampiezza della pressione sonora diminuisce in proporzione alla distanza (equazione 13) oppure: la curva della pressione sonora tracciata rispetto al logaritmo della distanza (equazione 14) è una retta. L'area alla quale si applica questa relazione è nota come "campo lontano". L'intervallo tra il campo vicino e il campo lontano è noto come "intervallo di transizione". La legge di distanza per un trasduttore quadrato, che non può essere descritta con la stessa facilità dell'equazione 12, è riportata nella figura 25.
La tabella 4 è una tabella ausiliaria per la stima della larghezza del fascio sonoro per il funzionamento in campo libero e in eco con trasduttori piatti a forma di disco e rettangolari. La larghezza del fascio (misurata dall'asse) viene quindi calcolata come segue:
La tabella 5 è un'indagine sulle lunghezze di campo vicino per diversi trasduttori a forma di disco e diversi supporti.
