Акустичекие свойства сред

АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1.1. ПОНЯТИЕ ОБ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ И ВОЛНАХ

 

Акустическими волнами называют распространяющиеся в упругой среде механические колебания частичек среды.

При движении волны частицы не перемещаются, а совершают колебания около своих положений равновесия.

Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны .

Длина волны связана со скоростью распространения С и частотой f (или периодом Т) соотношением:

 

где:		-	длина волны [м];
	С	-	скорость распространения [м/с];
	Т	-	период [с];
	f	-	частота [Гц].

 

В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны различают: продольные, поперечные, поверхностные и нормальные волны (волны в пластинах).

В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны. Колебания могут распространяться в твердой, жидкой и газообразных средах.

Если направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения, то такие колебания называются поперечными (или сдвиговыми). Они могут распространяться только в среде, которая обладает упругостью формы.

Продольные и поперечные волны могут распространяться в чистом виде только в неограниченной среде ( или ) или в теле, размеры которого в направлениях, не совпадающих с направлением распространения волны, значительно превышают длину последней. Схематично продольные и поперечные волны представлены на рисунок 1 и 2 соответственно.

 

Рисунок – 1. Поперечные волны. Рисунок – 2. Продольные волны.

 

На свободной поверхности могут распространяться поверхностные волны (волны Рэлея). В поверхностной волне частицы одновременно совершают колебания в направлении распространения и перпендикулярно ему, описывая эллиптические или более сложные траектории. Амплитуда колебание по мере удаления от поверхности вглубь убывает по экспоненте, поэтому волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной в одну - полторы длины волны и следует изгибам поверхности рисунок 3.

При распространении волны в плоских телах с постоянной толщиной (листах, тонких пластинках, проволоке) могут возникать нормальные волны или Волны Лэмба. При этом частицы совершают колебания по таким же траекториям, как в поверхностной волне, но на всю толщину листа, пластины оболочки. Обычно возникают и распространяются независимо две нормальные волны симметричная (волна сжатия или растяжения) и антисимметричная (волна изгиба) рисунок 4.

Скорости распространения продольной, поперечной и поверхностной волн определяется упругими свойствами материала (модулями упругости и сдвига, коэффициентами Пуассона) и его плотностью. Скорость распространения нормальных волн в отличие от скорости распространения других типов волн зависит не только от свойств материала, но и от частоты звуковых колебаний и толщины изделия.

 

Рисунок – 3. Поверхностные волны (волны Релея)

 

Рисунок – 4. Волны в пластинах.

 

Акустические волны различают также по форме фронта волны или волновой поверхности.

Фронт волны – это геометрическое место точек среды, в которых в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и то же значение.

Если в среде распространяется кратковременное возмущение (импульс), то фронтом волны называется граница между возмущенной и невозмущенной областями среды.

Фронт или волновая поверхность непрерывно перемещается в среде и при этом деформируется. В неограниченной изотропной среде распространение упругих волн имеет пространственный характер, и, в зависимости от формы фронта, волны могут быть плоскими (рис 5), сферическими (рис 6) и цилиндрическими (рис 7).

 

Примечание.

1. Коэффициент Пуассона - характеризует упругие свойства материала. При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться (то есть длина увеличивается), а поперечное сечение уменьшается. Коэффициент Пуассона показывает, во сколько раз изменяется поперечное сечение деформируемого тела при его растяжении или сжатии. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно упругого - 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он примерно равен 0,5. (Измеряется в относительных единицах (мм/мм, м/м)):

 

,

где:		-	деформация в поперечном направлении (отрицательный для осевого растяжения, положительный для осевого сжатия);
		-	- продольная деформация (положительный для осевого растяжения, отрицательный для осевого сжатия).

 

2. Модуль упругости (Юнга) - коэффициент, характеризующий сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

 

,

 

 

где:	F	-	сила [Н];
	S	-	площадь, на которую действует [м2];
	l	-	длина деформируемого стержня [м];
	x	-	удлинение/укорочение стержня в результате упругой деформации [м].

 

 

Рисунок – 5. Плоские волны.

 

Плоские волны возбуждаются пластинкой, если ее поперечные размеры намного превосходят длину волны. Волновые поверхности плоской волны имеют вид параллельных плоскостей.

Рисунок – 6. Сферические волны.

Сферические волны возбуждаются точечным источником или колеблющимся шаровым телом, размеры которого малы. Волновые поверхности сферической волны имеют вид концентрических сфер.

Цилиндрические волны возбуждаются цилиндрическим телом (стержень, цилиндр и т.д.) длина которого значительно его поперечных размеров. Волновые поверхности имеют вид концентрических цилиндров.

На очень больших расстояниях сферические и цилиндрические волны переходят в плоские.

В зависимости от частот различают следующие волны:

· Инфразвуковые до 16-20 Гц;

· Звуковые 16 ¸ 20000 Гц;

· Ультразвуковые 20 кГц ¸ 1000 Мгц;

· Гиперзвуковые f свыше 1000 Мгц.

Для целей дефектоскопии используются волны различных диапазонов:

· Звуковой l¸8 кГц;

· Ультразвуковой 20 кГц ¸ 50 Мгц;

 

АКУСТИЧЕКИЕ СВОЙСТВА СРЕД

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: