Диаграмма направленности ПЭП

Что показывает диаграмма направленности

Диаграмма направленности описывает изменение акустического отклика с углом относительно оси преобразователя при заданных условиях. Она помогает оценить охват, выбрать шаг сканирования и понять, почему одинаковые отражатели дают различную амплитуду. Диаграмма не является границей, за которой ультразвук полностью отсутствует: помимо главного лепестка существуют боковые. Уровень, расстояние и режим измерения обязательно указывают рядом с любой шириной пучка.

Для расчётного примера рассматривается равномерно возбуждённый плоский круглый поршень в однородной среде. D обозначает диаметр активной поверхности, a = D/2 — её радиус, λ = c/f — длину волны. Такая модель полезна для оценки тенденций, но не описывает автоматически контактный слой, призму, криволинейную поверхность, фокусировку или составную апертуру. Паспортный размер корпуса также не является диаметром поршня.

Первый нуль и ширина по уровню

В дальней зоне нормированное давление идеального поршня задаётся выражением 2J₁(u)/u, где u = πD sinθ/λ, а J₁ — функция Бесселя. Первый нуль соответствует u ≈ 3,8317, поэтому sinθ₀ ≈ 1,22λ/D = 0,61λ/a. При малом угле θ₀ ≈ 1,22λ/D в радианах. Коэффициент 0,61 нельзя использовать с диаметром D: это привело бы к ошибке вдвое. Полный угол между первыми нулями равен 2θ₀.

Первый нуль не равен границе −6 дБ. Для уровня давления коэффициент получают из амплитудного отношения, а для эхо-режима дополнительно учитывают приёмную направленность и отражатель. Одноходовое давление, интенсивность и двухходовая амплитуда эха имеют разные определения ширины. Поэтому сравнивать два паспортных угла можно только после проверки уровня, режима и среды. В реальном широкополосном импульсе нули монохроматической модели могут сглаживаться.

Условный пример для прямого ПЭП

Примем c = 5900 м/с, f = 5 МГц, D = 10 мм, без фокусировки. Получаем λ = 1,18 мм. Для первого нуля sinθ₀ ≈ 1,22 × 1,18/10 = 0,14396, θ₀ ≈ 8,28°, полный угол ≈ 16,55°. Это расчётная оценка модели, не измеренная характеристика конкретного датчика. На осевом расстоянии 100 мм условный радиус до первого нуля составляет r = 100 tanθ₀ ≈ 14,55 мм.

Таблицу можно прокручивать по горизонтали →

Почему важна ближняя зона

Оценка N ≈ D²/(4λ) применима при диаметре, существенно превышающем длину волны. В ближней зоне интерференция создаёт чередующиеся максимумы и минимумы давления. Амплитуда эха может меняться с расстоянием без изменения размера отражателя. Формула описывает характерную осевую длину поля, а не мёртвую зону прибора. На расстоянии, сравнимом с N, изображать пучок простым расходящимся конусом недостаточно.

Увеличение диаметра сужает дальнюю диаграмму, но удлиняет ближнюю зону; повышение частоты при неизменной скорости действует сходным образом. Это означает, что более узкий пучок не обязательно удобнее при контроле тонкого изделия или сложной поверхности. Для наклонного ПЭП нужно учитывать преломление и эффективную апертуру; прямой перенос приведённых значений на волну в призме некорректен.

Как использовать оценку

Сначала устанавливают тип волны, среду, активную апертуру и интересующий диапазон глубин. Затем рассчитывают длину волны и ближнюю зону, уточняют определение паспортной ширины и проверяют охват на образце с известными отражателями. Шаг сканирования назначают по требуемому перекрытию и подтверждённой чувствительности. Сохраняют уровень измерения, расстояние, ориентацию отражателя и параметры тракта. Из одной диаграммы нельзя вывести допустимый размер дефекта или гарантированную вероятность обнаружения.

Первичная база

Evident, A Review of Conventional Beam Characteristics — открытый текст производителя о поле и ближней зоне, дата редакции не указана; проверен 09.10.2026. Olympus/Panametrics, Ultrasonic Transducers, Technical Notes — официальный PDF, найден в поисковой выдаче; полная загрузка при проверке недоступна. Расчёт первого нуля выше явно выведен из модели круглого поршня и не представлен как нормативное требование.