Акустические колебания и волны

Акустические колебания представляют собой механические коле­бания частиц упругой среды. Процессы распространения этих коле­баний в среде называют акустическими волнами. Линию, указываю­щую направление распространения волны, называют лучом, а границу раздела колеблющихся частиц от неколеблющихся — фронтом волны.

Акустические колебания характеризуются частотой, интенсивно­стью и видом. Виды колебаний в основном определяются свойства­ми упругой среды и способом их создания. В жидкостях и газах, об­ладающих упругостью объема, акустические колебания распростра­няются с одинаковой скоростью во всех направлениях. В твердых телах, характеризуемых помимо упругости объема еше и упругостью формы (сдвиговой упругостью) и неодинаковостью деформаций растяжение-сжатие по различным направлениям (для анизотропных тел), закономерности распространения акустических волн значи­тельно сложнее.

Колебания с частотой до 16...20 Гц называют инфразвуковыми, Колебания с частотой от 16...20 до (15...2О)1О³ Гц составляют диа­пазон слышимости, воспринимаемый человеческим ухом. При уве­личении частоты колебаний звука более 20 кГц он переходит в ультразвук; при этом способность его распространения меняется: в воздухе способность распространения уменьшается, в твердых и жидких средах — увеличивается. При неразрушающем контроле металлических материалов используются частоты ультразвукового диапазона 0,5...25 МГц.

Распространение акустической ультразвуковой волны в материа­ле происходит с определенной постоянной скоростью С, определяе­мой свойствами среды (следует отличать скорость ультразвуковой волны С от скорости колебания упругих частиц V, которая зависит от фазы колебаний). Распространение волны сопровождается образова­нием в материале зон, в которых частицы находятся в одинаковом колебательном состоянии (фазе). Минимальное расстояние между такими зонами называют длиной волны . Величина связана со скоростью распространения С и частотой колебаний f выражением

Изменить длину ультразвуковой волны в конкретном материале можно только путем изменения частоты f возбуждаемых колебаний.

Направление колебаний частицы в твердых телах может быть различным по отношению к направлению распространения волны. По характеру смещения частиц и распространению колебаний волны бывают нескольких типов.

Для пояснения характера деформации твердого тела при распро­странении в нем упругих волн на боковую поверхность тела наносят симметричную равномерную решетку. При распространении упругих колебаний (волн) тело деформируется вместе с нанесенной решет­кой. Характер деформации тела при распространении в нем упругих волн некоторых типов приведен на рис. 9.1 [5]. При этом величина деформаций показана утрированно увеличенной (на самом деле деформации очень малы и измеряются долями процента от длины волны).

 

 

 

Рис. 9.1. Характер деформации твердых тел при распространении в них упругих волн некоторых типов:

а - продольные (растяжение - сжатие); б - поперечные (сдвиговые); в - нормальные несимметричные (изгибные); г - нормальные симметричные (нормальные расшире­ния - с жатия)

Продольными называют волны, когда частицы упругой среды ко­леблются в направлении распространения волны, подвергаясь при этом поочередно деформациям растяжения - сжатия. Скорость С, продольной волны определяют по формуле

где Е – модуль упругости; - коэффициент Пуассона; - плотность среды.

Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения, испытывая деформации сдвига, такие волны назы­вают поперечными или сдвиговыми. Поперечные волны могут возни­кать только в твердых средах, обладающих сдвиговой упругостью. Скорость поперечной волны - 0,55 .

На поверхности твердого тела могут распространяться поверх­ностные волны (волны Рэлея). Они состоят из комбинации про­дольных и поперечных волн и имеют скорость распространения С = 0,93С. Колебания частиц происходят по эллиптической траекто­рии, при этом большая ось эллипса перпендикулярна поверхности. В металлах поверхностные волны практически затухают на глубине, превышающей 1,5 . Вместе с тем поверхностные волны распростра­няются на большие расстояния, следуя изгибам поверхности. Если среда ограничена двумя поверхностями, расстояние между которыми соизмеримо с длиной волны, то в такой тонкой пластине распро­страняются нормальные пластинчатые волны (их называют также волнами Лэмба). Характеристики основных типов волн приведены в табл. 9.1 [2, 4].

Таблица 9.1

Среда распространения	Тип (название волны)	Характеристика волны	Скорость распространения
Жидкость или газ	Продольная (растяжения – сжатия)	Периодические растяжения и сжатия среды	С
Безграничное твердое тело	Продольная (растяжения – сжатия, безвихревые)	Частицы колеблятся в направлении распространения волны	Cl
Поперечные (сдвига, эквилюминальные)	Частицы колеблятся в плоскости, перпендикулярной направлению распространению волны	Ct ~ 0.55 Cl
Поверхность полубезграничного тела	Поверхностные (Рэлея)	Волна распространяется по поверхности	Cs ~ 0.93 Ct
Головные (ползущие)	Быстро затухающие вдоль поверхности вследствие переизлучения	Cl
Бесконичная пластина толщиной h	Нормальные несимметричные (изгибные, Лэмба)	Изгиб пласьтины со сдвигом	Cpq0→0 при h/λ→0
Нормальные несимметричные (нормальные расширения – сжатия, Лэмба)	Продольные колебания с изменением поперечныз размеров	Cps0→0.9Cl при h/λ→0
Бесконечный стержень диаметром d	Изгибы	Изгиб стержня со сдвигом	Cbq0→0 при d/λ→0
Продольные (растяжения – сжатия)	Продольные колебания с изменением поперечныз размеров	Cbs0 ~ 0.86 Cl
Бесконечный стержень или труба	Крутильные	Вращение элементов вокруг оси	Cbt=Ct

 

 

В зависимости от источника возбуждения могут возникать и дру­гие виды волн: сферические, возбуждаемые точечным источником, размеры которого меньше длины волны, цилиндрические, которые возбуждаются цилиндрическим источником (стержнем), длина кото­рого значительно больше поперечных размеров, и др.

При проведении УЗД и УЗТ металла и сварных соединений ис­пользуют в основном поперечные и продольные волны.

Затухание ультразвука

Распространение ультразвуковой волны, вызванной колебатель­ными движениями возбужденных частиц благодаря упругим силам между ними, сопровождается переносом энергии. Количество энер­гии, переносимое волной за 1 с через 1 см² площади, перпендикулярной направлению распространения, называют интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразвуковых колебаний частиц обыч­но невелика (энергия волны не более 100 Вт/см²) и не выходит за пределы упругих деформаций, где напряжения и деформации связа­ны линейной зависимостью.

Интенсивность ультразвука по мере прохождения в среде умень­шается за счет ее волнового сопротивления z. Величина этого сопро­тивления, часто называемого характеристическим импедансом, зави­сит от плотности среды , скорости распространения волн С и опре­деляется выражением

 

Размерность волнового сопротивления (характеристического импеданса) составит: . Заменив кг=Нс²/м (масса равна силе, деленной на ускорение). Отсюда размерность

Интенсивность ультразвука пропорциональна квадрату амплитуды упругого смещения и квадрату частоты колебаний:

 

Из последнего выражения следует, что чем большим акустиче­ским сопротивлением обладает среда, тем бблыпая энергия требует­ся для возбуждения в ней волн заданной частоты и амплитуды. По мере прохождения волны от источника излучения амплитуда упруго­го смещения частиц уменьшается и интенсивность ультразвука пада­ет. Затухание интенсивности происходит по двум основным причи­нам: поглощения и рассеяния. Коэффициент затухания а соответст­венно состоит из двух слагаемых

где - коэффициент поглощения, определяемый вязкостью среды и частоты колебаний; - коэффициент рассеяния, зависящий от структуры, упорядоченности расположения и размеров зерен кристаллов.

Поглощение — это процесс перехода энергии колебаний в тепло­вую, обусловленный трением колеблющихся частиц. Поглощение будет тем больше, чем больше частота колебаний. При рассеянии происходят преломление и трансформация ультразвуковых волн. Рассеяние обусловлено кристаллической структурой металлов и сплавов. При прохождении ультразвуковой волны через границы кристаллов волна частично отражается, преломляется и трансформируется. Рассеяние по этим причинам может быть значительным. Максимальное рассеяние имеет место при a - (1...4)Д где D — сред­ний размер зерна.

В углеродистых сталях зерна состоят из большого числа хаотично расположенных мелких пластинок перлита и цементита (Fе₃С). Раз­меры их значительно меньше длины волны, и затухание ультразвука определяется в основном поглощением. В аустенитных сталях и осо­бенно в сварных соединениях происходит упорядочение ориентации кристаллов, а их размеры становятся соизмеримы с длиной волны. Поэтому в связи с повышенным рассеянием проведение УЗД таких сталей часто затруднено или невозможно.

Снижение интенсивности ультразвука вследствие его затухания в зависимости от пройденного в материале расстояния происходит по экспоненциальному закону:

J=J₀ · e^-2аx

где J(х) — интенсивность ультразвука на расстоянии х от источника излучения, интенсивность излучения которого J₀; — коэффициент затухания.

Чем больше коэффициент затухания, тем значительнее ослабле­ние ультразвука, а следовательно, меньше глубина его проникнове­ния. Поскольку амплитуда волны пропорциональна корню квадрат­ному из интенсивности ультразвука, влияние затухания на амплиту­ду описывается формулой

U_x=U₀· e^-ax

Для оценки ослабления в большинстве случаев нет необходимо­сти определять интенсивность J или амплитуду U в абсолютных еди­ницах. Чаще бывает достаточно определить их величину относитель­но некоторого постоянного (опорного) уровня (J₀; U₀). В этом случае для выражения относительной величины J/J₀ = U/U₀ используют специальные единицы — децибелы. Число децибел N определяют по формулам

N = 10 lg /J₀; N = 20lg U/U₀.

В практике УЗД, когда контролируется соотношение амплитуд колебаний, для определения N обычно используют вторую формулу.

Децибельная шкала очень удобна, поскольку амплитуды могут отличаться на 1...3 порядка, т. е. в 10, 100, 1000 раз. В единицах измерения это увеличение составит соответственно 20, 40, 60 дБ, т. е. это величины одного порядка. Кроме того, эти величины, согласно основным свойствам логарифмов, можно суммировать и вычитать. Например, если известно затухание (ослабление) ультразвука в децибелах при прохождении отдельных участков пути ультразвуковой волны, то результирующее затухание определится как сумма состав­ляющих затухания на каждом участке.

Для пересчета относительных единиц U/U₀ в децибелы и обрат­но можно воспользоваться табл. 9.2.

 

Таблица 9.2

 

ДЕ	Относительные едини аи	дБ	Относительные единицы	дБ	Относительные единицы
			1,58	-5	0,56
			1,41	-6	0,5
			1,26	-10	0,316
	31,6		1,12	-20	0,1
				-30	0,0316
	3,16	-1	0,89	^10	0,01
		-2	0,79	-50	0,00316
	1,78	-4	0,63	-60	0,001

⇐ Предыдущая22232425262728293031Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: