مترجم: محمود کریمی شرودانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
همان طور که قبلاً بحث شد، اغلب از مبدل‌های گرد به علت اینکه میدان صوتی در جلوی آن‌ها شبیه یک جرم استوانه ای است، با نام مبدل‌های منبع پیستونی یاد می‌شود. اما انرژی درونی باریکه‌ی موج درون یک استوانه باقی نمی‌ماند، بلکه با انتشار در ماده گسترش می‌یابد. معمولاً به این پدیده پهنای باریکه‌ی موج (Beam Spread) یا گستردگی باریکه موج می‌گویند. اما برخی مواقع نیز به آن واگرایی باریکه‌ی موج (Beam divergence) یا انکسار فراصوتی می‌گویند. باید توجه داشت که در واقع تفاوتی بین پهنای باریکه‌ی موج یا انکسار فراصوتی یا واگرایی باریکه‌ی موج وجود دارد. پهنای باریکه‌ی موج به اندازه‌ی زاویه‌ی کل از یک سمت تا سمت دیگر قسمت اصلی باریکه‌ی موج صوتی در میدان دور گفته می‌شود. واگرایی باریکه‌ی موج به اندازه‌ی زاویه از یک سمت باریکه‌ی موج تا محور مرکزی باریکه‌ی موج در میدان دور گفته می‌شود. بنابراین پهنای باریکه‌ی موج دو برابر واگرایی باریکه‌ی موج است.
اگر چه هنگام انجام یک بازرسی فرا صوتی باید پهنای باریکه‌ی موج مورد نظر قرار گیرد اما توجه به این نکته مهم است که در میدان دور یا منطقه‌ی فرانهوفر حداکثر فشار موج همیشه در امتداد محور صوتی (خط مرکزی مبدل) قرار دارد. بنابراین محتمل است باز تاب‌ها از منطقه ای که مستقیماً در برابر مبدل قرار دارند، بیایند.
گسترش باریکه‌ی موج مبدل اتفاق می‌افتد زیرا ذرات ارتعاش کننده در ماده ( که از طریق آن‌ها موج حرکت می‌کند) همیشه همه‌ی انرژی‌شان را در جهت انتشار موج جا به جا نمی‌کنند. یادآوری می‌شود که امواج از طریق انتقال انرژی از یک ذره به ذره‌ی دیگر در یک ماده، منتقل می‌شوند. اگر ذرات مستقیماً در مسیر انتشار موج قرار نگرفته باشند مقداری از انرژی با یک زاویه‌ی متفاوت از مسیر مستقیم منتقل می‌گردد. ( برای درک بهتر، تصور کنید هنگامی که از یک توپ به توپ دیگر در قسمتی از آن که کمی از مرکز آن فاصله دارد ضربه وارد می‌کند، چه اتفاقی رخ می‌دهد) در میدان نزدیک تداخل‌های امواج فزاینده و کاهنده میدان صوتی را با نوسانات پر می‌کنند. اما در آغاز میدان دور قدرت باریکه‌ی موج همیشه بیشترین مقدار خود را در مرکز باریکه‌ی موج دارد و همانطور که به سمت بیرون منتشر می‌شود تقلیل می‌یابد.
پهنای باریکه‌ی موج عمدتاً به وسیله‌ی فرکانس و قطر مبدل تعیین می‌شود. پهنای باریکه‌ی موج هنگامی که از یک مبدل با فرکانس پایین‌تر استفاده می‌کنیم، نسبت به زمان استفاده از یک مبدل با فرکانس بالاتر، بزرگ‌تر است. با افزایش قطر مبدل پهنای باریکه‌ی موج کاهش خواهد یافت.
زوایه ی باریکه‌ی موج به دو دلیل در هنگام انتخاب مبدل، فاکتور مهمی محسوب می‌شود. اول اینکه پهنای باریکه‌ی موج دامنه‌ی بازتاب‌ها را کاهش می‌دهد، زیرا میدان صوتی دارای تراکم کمتر و در نتیجه ضعیف‌تر است. دوم پهنای باریکه‌ی موج می‌تواند منجر به سخت شدن تفسیر سیگنال‌ها به علت بازتاب‌های ناشی از اضلاع جانبی جسم مورد آزمایش یا دیگر عوارض خارج از منطقه‌ی بازرسی گردد. توصیف میدان صوتی تولید شده توسط مبدل پیش نیازی برای فهمیدن سیگنال‌های مشاهده شده می‌باشد.
کدهای متعددی برای استفاده جهت استانداردسازی روش مورد استفاده برای توصیف گستردگی موج وجود دارد. در ASTME- 1065 از انجمن آزمون و مواد آمریکا به روش‌های تعیین شکل باریکه‌ی موج در قسمت A6 با عنوان اندازه گیری پارامترهای میدان صوتی، اشاره شده است. اما این اندازه گیری‌ها محدود به پروب های غوطه وری می‌باشد. در حقیقت روش‌های توصیف شده در E- 1065 عمدتاً مربوط به اندازه گیری خصوصیات باریکه‌ی موج در آب و همین طور محدود به اندازه گیری مد فشاری می‌باشد. تکنیک‌های توصیف شده در E-1065 در برگیرنده‌ی روش پالس اکو است که در آن از یک هدف توپی و میکروفون زیرآبی دریافت کننده استفاده می‌شود. چنین چیزی اجازه می‌دهد که میدان صوتی پروب برای کل حجم جلوی پروب مورد ارزیابی قرار گیرد.
برای یک مبدل منبع پیستونی تخت گستردگی موج تقریبی می‌تواند به صورت تابعی از قطر مبدل (D)، فرکانس (F) و تندی موج (V) در ماده‌ی مایع یا جامد محاسبه گردد. برای این کار می‌توان از تابع زیر استفاده کرد.
در این معادله θ زاویه‌ی واگرایی باریکه‌ی موج از خط مرکزی تا نقطه ای است که قدرت سیگنال نصف می‌شود.
V تندی صوت در ماده بر حسب اینچ بر ثانیه یا سانتی متر بر ثانیه است.
a شعاع مبدل بر اساس اینچ یا سانتی متر است.
F فرکانس مبدل بر اساس سیکل بر ثانیه می‌باشد.
توجه کنید که واحدها در محاسبه باید یکسان باقی بمانند. به طور مثال همگی اینچ یا همگی سانتی متر باشند نه هر دو.
نسخه‌ی مشابه اما شاید رایج‌ترین فرمول این است:
که در اینجا θ زاویه‌ی واگرایی باریکه‌ی موج از خط مرکزی تا نقطه ای است که قدرت موج نصف می‌شود.
V: سرعت صوت در ماده بر حسب اینچ بر ثانیه یا سانتی متر بر ثانیه است.
D: قطر مبدل بر حسب اینج یا سانتی متر است.
F: فرکانس مبدل بر حسب سیکل بر ثانیه است.
اگر چه هنگام انجام یک بازرسی فرا صوتی باید پهنای باریکه‌ی موج مورد نظر قرار گیرد اما توجه به این نکته مهم است که در میدان دور یا منطقه‌ی فرانهوفر حداکثر فشار موج همیشه در امتداد محور صوتی (خط مرکزی مبدل) قرار دارد. بنابراین محتمل است باز تاب‌ها از منطقه ای که مستقیماً در برابر مبدل قرار دارند، بیایند.
گسترش باریکه‌ی موج مبدل اتفاق می‌افتد زیرا ذرات ارتعاش کننده در ماده ( که از طریق آن‌ها موج حرکت می‌کند) همیشه همه‌ی انرژی‌شان را در جهت انتشار موج جا به جا نمی‌کنند. یادآوری می‌شود که امواج از طریق انتقال انرژی از یک ذره به ذره‌ی دیگر در یک ماده، منتقل می‌شوند. اگر ذرات مستقیماً در مسیر انتشار موج قرار نگرفته باشند مقداری از انرژی با یک زاویه‌ی متفاوت از مسیر مستقیم منتقل می‌گردد. ( برای درک بهتر، تصور کنید هنگامی که از یک توپ به توپ دیگر در قسمتی از آن که کمی از مرکز آن فاصله دارد ضربه وارد می‌کند، چه اتفاقی رخ می‌دهد) در میدان نزدیک تداخل‌های امواج فزاینده و کاهنده میدان صوتی را با نوسانات پر می‌کنند. اما در آغاز میدان دور قدرت باریکه‌ی موج همیشه بیشترین مقدار خود را در مرکز باریکه‌ی موج دارد و همانطور که به سمت بیرون منتشر می‌شود تقلیل می‌یابد.
پهنای باریکه‌ی موج عمدتاً به وسیله‌ی فرکانس و قطر مبدل تعیین می‌شود. پهنای باریکه‌ی موج هنگامی که از یک مبدل با فرکانس پایین‌تر استفاده می‌کنیم، نسبت به زمان استفاده از یک مبدل با فرکانس بالاتر، بزرگ‌تر است. با افزایش قطر مبدل پهنای باریکه‌ی موج کاهش خواهد یافت.
زوایه ی باریکه‌ی موج به دو دلیل در هنگام انتخاب مبدل، فاکتور مهمی محسوب می‌شود. اول اینکه پهنای باریکه‌ی موج دامنه‌ی بازتاب‌ها را کاهش می‌دهد، زیرا میدان صوتی دارای تراکم کمتر و در نتیجه ضعیف‌تر است. دوم پهنای باریکه‌ی موج می‌تواند منجر به سخت شدن تفسیر سیگنال‌ها به علت بازتاب‌های ناشی از اضلاع جانبی جسم مورد آزمایش یا دیگر عوارض خارج از منطقه‌ی بازرسی گردد. توصیف میدان صوتی تولید شده توسط مبدل پیش نیازی برای فهمیدن سیگنال‌های مشاهده شده می‌باشد.
کدهای متعددی برای استفاده جهت استانداردسازی روش مورد استفاده برای توصیف گستردگی موج وجود دارد. در ASTME- 1065 از انجمن آزمون و مواد آمریکا به روش‌های تعیین شکل باریکه‌ی موج در قسمت A6 با عنوان اندازه گیری پارامترهای میدان صوتی، اشاره شده است. اما این اندازه گیری‌ها محدود به پروب های غوطه وری می‌باشد. در حقیقت روش‌های توصیف شده در E- 1065 عمدتاً مربوط به اندازه گیری خصوصیات باریکه‌ی موج در آب و همین طور محدود به اندازه گیری مد فشاری می‌باشد. تکنیک‌های توصیف شده در E-1065 در برگیرنده‌ی روش پالس اکو است که در آن از یک هدف توپی و میکروفون زیرآبی دریافت کننده استفاده می‌شود. چنین چیزی اجازه می‌دهد که میدان صوتی پروب برای کل حجم جلوی پروب مورد ارزیابی قرار گیرد.
برای یک مبدل منبع پیستونی تخت گستردگی موج تقریبی می‌تواند به صورت تابعی از قطر مبدل (D)، فرکانس (F) و تندی موج (V) در ماده‌ی مایع یا جامد محاسبه گردد. برای این کار می‌توان از تابع زیر استفاده کرد.
در این معادله θ زاویه‌ی واگرایی باریکه‌ی موج از خط مرکزی تا نقطه ای است که قدرت سیگنال نصف می‌شود.
V تندی صوت در ماده بر حسب اینچ بر ثانیه یا سانتی متر بر ثانیه است.
a شعاع مبدل بر اساس اینچ یا سانتی متر است.
F فرکانس مبدل بر اساس سیکل بر ثانیه می‌باشد.
توجه کنید که واحدها در محاسبه باید یکسان باقی بمانند. به طور مثال همگی اینچ یا همگی سانتی متر باشند نه هر دو.
نسخه‌ی مشابه اما شاید رایج‌ترین فرمول این است:
که در اینجا θ زاویه‌ی واگرایی باریکه‌ی موج از خط مرکزی تا نقطه ای است که قدرت موج نصف می‌شود.
V: سرعت صوت در ماده بر حسب اینچ بر ثانیه یا سانتی متر بر ثانیه است.
D: قطر مبدل بر حسب اینج یا سانتی متر است.
F: فرکانس مبدل بر حسب سیکل بر ثانیه است.
/ج
