yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->1.1.2. Акустичний опір середовища та його значення

Ультразвукові дифекти

1.1.2. Акустичний опір середовища та його значення

Акустичний опір (характеристичний імпеданс)  є характеристикою речовини, яка аналогічна електричному опору. Згідно визначенню,  - це опір розповсюдженню УЗ хвиль в речовині. У конкретному матеріалі воно залежить від його фізичних властивостей і не пов’язане з характеристиками хвилі і частотою.

Хвильовий опір речовини задається таким чином:

                                                        (1)

де  - щільність речовини;  - швидкість ультразвуку.

Ця величина називається ще звуковим опором, питомим звуковим імпедансом, нормальним імпедансом.

Матеріали з високим хвилевим опором називаються акустично жорсткими.

Матеріали з малим хвилевим опором називаються акустично м'якими.

Акустичні властивості середовища характеризуються швидкістю звуку, хвилевим опором і коефіцієнтом загасання.

При поглинанні звукова енергія перетвориться в теплову, при розсіянні вона залишається звуковою, але йде в напрямах, що відрізняються від напряму розповсюдження хвилі.

1.1.3. Інтенсивність, швидкість, розповсюдження та загасання ультразвукових хвиль в металах. Явище пружної анізотропії та дифузійного розсіяння

Швидкість. Швидкість розповсюдження подовжніх, поперечних і поверхневих хвиль залежить від природи речовини. Проте в окремо узятому матеріалі вона не залежить від частоти хвилі і розмірів тіла. Швидкість УЗ хвилі будь-якого вигляду можна розрахувати, знаючи модуль пружності, щільність і коефіцієнт Пуассона.

Швидкість подовжньої хвилі  і модуль Юнга  матеріалу взаємозв'язані:

,                                               (2)

де  - щільність матеріалу; кг/м3,  - коефіцієнт Пуассона.

Швидкість поверхневої хвилі  в матеріалі:

.                                                    (3)

Мікроструктурні характеристики в тому або іншому ступені визначають щільність, модуль пружності і механічні властивості матеріалів і впливають на швидкість ультразвуку. Можна зробити висновок про те, що швидкість поперечних хвиль складає половину від швидкості подовжніх в полікристалічних металевих матеріалах. Співвідношення швидкостей в сталі виглядає так:

.                                                       (4)

Частинки середнього шару в першому випадку здійснюють чисто подовжні коливання, в другому - коливання, перпендикулярні до напряму розповсюдження хвилі. Решта частинок в тому і іншому випадку здійснює коливання по еліпсах.

У стрижнях, прутках, дроті і інших тілах обмежених розмірів розповсюджуються також ізгибні хвилі, хвилі розтягнення-стиснення, крутильні і радіальні.

Особливістю хвиль, що розповсюджуються в листах, стрижнях, прутках і дроті, є дисперсія, тобто залежність швидкості розповсюдження хвилі від її довжини, товщини листа або діаметру стрижня.

Для всіх видів хвиль існує співвідношення між частотою коливань f, довжиною хвилі  і швидкістю звуку С:

                                                         (5)

У гармонійній плоскій хвилі зміна величини (наприклад, зсув частинки), що коливається, в часі відбувається за законом синуса.

У подовжніх і поперечних хвилях всі складові розповсюджуються з однією і тією ж швидкістю, а швидкість розповсюдження імпульсу (групи хвиль) рівна фазовій швидкості С.

Розповсюдження ультразвуку. Простір, в якому розповсюджуються УЗ хвилі, називають акустичним (ультразвуковим) полем. Інтенсивність ультразвуку  для плоскої хвилі при амплітуді зсуву А

                                               (6)

де  - питомий акустичний опір середовища.

Загасання енергії УЗК на глибині  відбувається по експоненціальному закону.

Для інтенсивності  отримуємо:  для амплітуди УЗ коливань:  де  - коефіцієнт загасання УЗ коливань, см-1;  - значення при =0. На практиці, як правило, немає необхідності вимірювати інтенсивність або амплітуду УЗ коливань в абсолютних значеннях. Зручніша логарифмічна шкала відносної зміни величин в децибелах. Число децибел (дБ).

                                             (7)

Користуючись шкалою децибел легко встановити, наприклад, що якщо відношення амплітуд посланого і відбитого від несуцільності сигналу А/А0 = 2, то , що відповідає N=+6дБ. За порогові значення інтенсивності  або амплітуди А0 ультразвуку в акустиці прийнятий нижній поріг чутності людського вуха  = 10-16Вт/см2. У УЗ дефектоскопії використовують випромінювачі, що створюють набагато більшу інтенсивність 10-1-10-2Вт/см2. Проте це не представляє небезпеки для здоров'я оператора.

Загасання ультразвуку. У виразі для плоских ультразвукових хвиль, так само як і в основному рівнянні руху пружного середовища, не враховується ослаблення хвилі, пов'язане із загасанням ультразвуку. У реальних середовищах, завдяки внутрішньому тертю, неідеальним пружним властивостям і іншим ефектам, загасання ультразвуку має істотне значення. Загасання враховується введенням уявної частини в хвилеве число . Тоді плоску хвилю можна записати у вигляді:

,                                            (8)

де  - коефіцієнт загасання.

Коефіцієнт загасання складається з коефіцієнтів поглинання  і розсіяння , тобто

При поглинанні звукова енергія переходить в теплову, а при розсіянні залишається звуковий, але йде з хвилі, що направлено-розповсюджується, в результаті віддзеркалень на межах зерен і неоднородностей.

Поглинання звуку в твердих тілах обумовлюється, в основному, внутрішнім тертям і теплопровідністю. Поглинання поперечних хвиль менше, ніж подовжніх, оскільки вони не пов'язані з адіабатичними змінами об'єму, при яких з'являються втрати на теплопровідність. Коефіцієнт поглинання в твердих тілах пропорційний  (скло, біологічні тканини, метали) або  (гума, пластмаси).

У монокристалах загасання визначається поглинанням ультразвуку. Метали, вживані на практиці, мають полікристалічну будову, і в них звичайне загасання визначається перш за все розсіянням. У кристалах швидкість звуку має різне значення залежно від напряму його розповсюдження щодо осей симетрії кристала. Це явище називають пружною анізотропією.

Віддзеркалення променя - перенаправлення ультразвукової хвилі поверхнею в ту сторону, звідки вона прийшла. При цьому хвиля або зберігає початкову моду, або перетвориться, або частково зберігається, частково перетвориться.

Трансформація. При похилому падінні (під кутом ) подовжньої хвилі з одного твердого середовища на межу з іншим твердим середовищем на межі розділу відбуваються віддзеркалення, заломлення і трансформація (розщеплювання) хвилі і в загальному випадку виникають ще чотири хвилі: дві заломлені - подовжня і поперечна, і дві відбиті - подовжня і поперечна. Напрями розповсюдження відбитих і заломлених хвиль відрізняється від напряму падаючої хвилі, проте всі ці напрями лежать в одній площині - площині падіння.

 

4