У яких одиницях вимірюється інтенсивність ультразвуку. Вимірювання швидкості поширення ультразвуку та ультразвукова апаратура
Швидкість поширення ультразвуку в бетоні коливається від 2800 до 4800 м/с залежно від його структури та міцності (табл. 2.2.2).
Таблиця 2.2.2
| Матеріал | ρ, г/смЗ | vп p , м/с |
| Сталь | 7.8 | |
| Дуралюміній | 2.7 | |
| Мідь | 8.9 | |
| Оргскло | 1.18 | |
| Скло | 3.2 | |
| Повітря | 1.29x10 -3 | |
| Вода | 1.00 | |
| Олія трансф. | 0.895 | |
| Парафін | 0.9 | |
| Гума | 0.9 | |
| Граніт | 2.7 | |
| Мармур | 2.6 | |
| Бетон (понад 30 діб) | 2.3-2.45 | 2800-4800 |
| Цегла: | ||
| силікатний | 1.6-2.5 | 1480-3000 |
| глиняний | 1.2-2.4 | 1320-2800 |
| Розчин: | ||
| цементний | 1.8-2.2 | 1930-3000 |
| вапняний | 1.5-2.1 | 1870-2300 |
Вимірювання такої швидкості на відносно малих ділянках (в середньому 0.1-1 м) є порівняно складним технічним завданням, яке може бути вирішене лише за високого рівня розвитку радіоелектроніки. З усіх існуючих методіввимірювання швидкості поширення ультразвуку, з точки зору можливості їх застосування для випробування будівельних матеріалів, можна виділити такі:
метод акустичного інтерферометра;
Метод хвилі, що біжить;
Імпульсний метод.
Для вимірювання швидкості ультразвуку в бетоні найбільшого поширення набув імпульсний метод. Він заснований на багаторазовій посилці в бетон коротких ультразвукових імпульсів з частотою проходження 30-60 Гц і вимірі часу розповсюдження цих імпульсів на певній відстані, яка називається базою прозвучування, тобто.
Отже, щоб визначити швидкість ультразвуку, необхідно виміряти відстань, пройдену імпульсом (база прозвучування), і час, за який ультразвук поширюється від місця випромінювання до прийому. Базу прозвучування можна виміряти будь-яким приладом із точністю до 0.1мм. Час поширення ультразвуку у більшості сучасних приладів вимірюється шляхом заповнення високочастотними (до 10 МГц) рахунковими імпульсами електронних воріт, початок яких відповідає моменту випромінювання імпульсу, а кінець - моменту приходу їх у приймач. Спрощена функціональна схема такого приладу наведена на рис. 2.2.49.
Схема працює наступним чином. Задає генератор 1 виробляє електричні імпульси з частотою від 30 до 50 Гц залежно від конструкції приладу і запускає високовольтний генератор 2, який виробляє короткі електричні імпульси з амплітудою 100 В. Ці імпульси надходять у випромінювач, в якому, використовуючи п'єзо від 5 до 15 шт.) механічних коливань із частотою 60-100 кГц і вводяться через акустичне мастило в контрольований виріб. У цей час відкриваються електронні ворота, які заповнюються рахунковими імпульсами, і спрацьовує блок розгортки, починається рух електронного променя екраном электроннолучевой трубки (ЕЛТ).
Мал. 2.2.49. Спрощена функціональна схема ультразвукового приладу:
1 - генератор, що задає; 2 – генератор високовольтних електричних імпульсів; 3 - випромінювач ультразвукових імпульсів; 4 - контрольований виріб; 5 – приймач; 6 – підсилювач; 7 – генератор формування воріт; 8 - генератор лічильних імпульсів; 9 – блок розгортки; 10 – індикатор; 11 – процесор; 12 - блок введення кофіцієнтів; 13 - цифровий індикатор значень t,V,R
Головна хвиля пачки ультразвукових механічних коливань, пройшовши через контрольований виріб довжиною L, при цьому витративши час t, потрапляє в приймач 5, в якому перетворюється на пачку електричних імпульсів.
Пачка імпульсів, що прийшла, посилюється в підсилювачі 6 і потрапляє в блок вертикальної розгортки для візуального контролю на екрані ЕЛТ, а першим імпульсом цієї пачки закриваються ворота, припинивши доступ лічильних імпульсів. Таким чином, електронні ворота були відкриті для рахункових імпульсів з випромінювання ультразвукових коливань до моменту приходу їх у приймач, тобто. час t. Далі лічильник вважає кількість лічильних імпульсів, що заповнили ворота, і результат видається на індикатор 13.
У деяких сучасних приладах, таких як «Пульсар-1.1», є процесор і блок введення коефіцієнтів, за допомогою яких вирішується аналітичне рівняння залежності швидкість-міцність, а на табло цифрової індикації видаються час t, швидкість V і міцність бетону R.
Для вимірювання швидкості поширення ультразвуку в бетоні та інших будівельних матеріалах у 80-ті роки серійно випускалися ультразвукові прилади УКБ-1М, УК-10П, УК-10ПМ, УК-10ПМС, УК-12П, УФ-90ПЦ, Бетон-5, які себе добре зарекомендували.
На рис. 2.2.50 наведено загальний вигляд приладу КК-10ПМС.
Мал. 2.2.50. Ультразвуковий прилад УК-10ПМС
Чинники, що впливають швидкість поширення ультразвуку в бетоні
Усі матеріали в природі можна розділити на дві великі групи», відносно однорідні та з великим ступенем неоднорідності чи гетерогенні. До відносно однорідним можна віднести такі матеріали, як скло, дистильована вода та інші матеріали з постійною для нормальних умов щільністю та відсутністю повітряних включень. Їх швидкість поширення ультразвуку в нормальних умовах практично постійна. У неоднорідних матеріалах, до яких належить більшість будівельних матеріалів, у тому числі і бетон, внутрішня будова, взаємодія мікрочастинок та великих складових елементів непостійно як за обсягом, так і за часом. У їхню структуру входять мікро- і макропори, тріщини, які можуть бути сухими або наповненими водою.
Непостійним є і взаємне розташування великих та дрібних частинок. Все це призводить до того, що щільність і швидкість поширення в них ультразвуку непостійні і коливаються у межах. У табл. 2.2.2 наведено значення щільності ρ та швидкості поширення ультразвуку V для деяких матеріалів.
Далі розглянемо, яким чином впливають зміни таких параметрів бетону, як міцність, склад та вид великого заповнювача, кількість цементу, вологість, температура та наявність арматури на швидкість поширення ультразвуку в бетоні. Ці знання необхідні для об'єктивної оцінки можливості контролю міцності бетону ультразвуковим методом, а також для виключення низки похибок під час контролю, пов'язаних із зміною зазначених факторів.
Вплив міцності бетону
Експериментальні дослідження свідчать, що з підвищенням міцності бетону швидкість ультразвуку збільшується.
Це тим, що значення швидкості, як і значення міцності, залежить від умови внутриструктурных зв'язків.
Як видно з графіка (рис. 2.2.51), залежність "швидкість-міцність" для бетонів різного складу непостійна, з чого випливає, що на цю залежність, крім міцності, впливають інші чинники.
Мал. 2.2.51. Залежність між швидкістю ультразвуку V та міцністю R c для бетонів різних складів
На жаль, деякі фактори впливають на швидкість ультразвуку більшою мірою, ніж міцність, що є одним із серйозних недоліків ультразвукового методу.
Якщо прийняти бетон постійного складу, а міцність змінювати шляхом прийняття різного В/Ц, вплив інших факторів виявиться постійним, і швидкість ультразвуку буде змінюватися тільки від міцності бетону. У даному випадкузалежність "швидкість-міцність" стане більш визначеною (рис. 2.2.52).
Мал. 2.2.52. Залежність "швидкість-міцність" для постійного складу бетону, отримана на заводі ЗБВ №1 м.Самари
Вплив виду та марки цементу
Порівнюючи результати випробувань бетонів на звичайному портландцементі та інших цементах, можна дійти невтішного висновку, що мінералогічний склад мало впливає залежність " швидкість-міцність " . Основний вплив має вміст трикальцієвого силікату і тонкість помелу цементу. Найважливішим чинником, впливає залежність " швидкість-міцність " , є витрата цементу на 1 м 3 бетону, тобто. його дозування. Зі збільшенням кількості цементу в бетоні швидкість ультразвуку зростає повільніше, ніж механічна міцністьбетону.
Це пояснюється тим, що ультразвук при проходженні через бетон поширюється як по великому заповнювачу, так і по розчинній частині, що з'єднує гранули заповнювача, і його швидкість залежить від швидкості поширення у великому заповнювачі. Проте міцність бетону переважно залежить від міцності розчинної складової. Вплив кількості цементу на міцність бетону та швидкість ультразвуку наведено на рис. 2.2.53.
Мал. 2.2.53. Вплив дозування цементу на залежність
"швидкість-міцність"
1- 400 кг/м 3; 2 - 350 кг/м 3; 3 - 300 кг/м3; 4 - 250 кг/м 3; 5 - 200 кг/м3
Вплив водоцементного відношення
Зі зменшенням В/Ц збільшуються щільність та міцність бетону відповідно підвищується швидкість ультразвуку. У разі збільшення В/Ц спостерігається зворотна залежність. Отже, зміна В/Ц не вносить суттєвих відхилень у встановлену залежність "швидкість-міцність. Тому при побудові градуювальних графіків для зміни міцності бетону рекомендується застосовувати різне В/Ц.
Вплив видуі кількості великого заповнювача
Вигляд і кількість великого заповнювача істотно впливають на зміну залежності "швидкість-міцність". Швидкість ультразвуку в заповнювачі, особливо в таких як кварц, базальт, твердий вапняк, граніт, значно більша за швидкість поширення його в бетоні.
Вид та кількість великого заповнювача впливають і на міцність бетону. Зазвичай прийнято вважати, що чим міцніше заповнювач, тим вища міцність бетону. Але іноді доводиться стикатися з таким явищем, коли застосування менш міцного щебеню, але з шорсткою поверхнею дозволяє отримати бетон з більш високим значенням Re, ніж при використанні міцного гравію, але з гладкою поверхнею
При незначній зміні витрати щебеню міцність бетону незначно змінюється. Водночас така зміна кількості великого заповнювача дуже впливає на швидкість ультразвуку.
У міру насичення бетону щебенем значення швидкості ультразвуку збільшується. Вигляд та кількість великого заповнювача впливають на зв'язок "швидкість - міцність" більше, ніж інші фактори (рис. 2.2.54 – 2.2.56)
Мал. 2.2.54. Вплив наявності великого заповнювача на залежність "швидкість-міцність":
1 – цементний камінь; 2 - бетон із заповнювачем крупністю до 30 мм
Мал. 2.2.55. Залежність "швидкість-міцність" для бетонів із різною крупністю заповнювачів: 1-1 мм; 2-3 мм; 3-7 мм; 4-30 мм
Мал. 2.2.56. Залежність "швидкість-міцність" для бетонів із заповнювачем з:
1-пісковика; 2-вапняку; 3-граніту; 4-базальта
З графіків видно, що збільшення кількості щебеню на одиницю об'єму бетону або підвищення швидкості ультразвуку в ньому призводить до збільшення швидкості ультразвуку в бетоні інтенсивніше, ніж міцність.
Вплив вологості та температури
Вологість бетону неоднозначно впливає на його міцність та швидкість ультразвуку. З підвищенням вологості бетону, межа міцності при стисканні зменшується за рахунок зміни міжкристалічних зв'язків, але швидкість ультразвуку зростає, оскільки повітряні пори та мікротріщини заповнюються водою, ашвидкість у воді більша, ніж у повітрі.
Температура бетону в діапазоні 5-40 ° С практично не впливає на міцність і швидкість, але підвищення температури затверділого бетону за межі зазначеного діапазону призводить до зменшення його міцності та швидкості внаслідок збільшення внутрішніх мікротріщин.
При негативній температурі швидкість ультразвуку підвищується за рахунок перетворення незв'язаної води на лід. Тому визначати міцність бетону ультразвуковим методом за негативної температури не рекомендується.
Поширення ультразвуку в бетоні
Бетон за своєю структурою є гетерогенним матеріалом, до складу якого входять розчинна частина та великий заповнювач. Розчинна частина, у свою чергу, є затверділим цементним каменем з включенням частинок кварцового піску.
Залежно від призначення бетону та його характеристик міцності співвідношення між цементом, піском, щебенем і водою буває різним. Крім забезпечення міцності склад бетону залежить від технології виготовлення залізобетонних виробів. Наприклад, при касетній технології виробництва необхідна велика пластичність бетонної суміші, що досягається підвищеною витратою цементу та води. І тут збільшується розчинна частина бетону.
У разі стендової технології, особливо при негайній розпалубці, використовуються жорсткі суміші зі зниженою витратою цементу.
Відносний обсяг великого заповнювача у разі збільшується. Отже, при одних і тих же характеристиках міцності бетону його склад може змінюватися у великих межах. На структуроутворення бетону впливає технологія виготовлення виробів: якість перемішування бетонної суміші, її транспортування, ущільнення, термоволога під час твердіння. З цього випливає, що на властивість затверділого бетону впливає велика кількістьфакторів, причому вплив неоднозначний і має випадковий характер. Цим пояснюється високий рівень неоднорідності бетону як за складом, так і за його властивостями. Неоднорідність та різні властивостібетону відбиваються і його акустичних характеристиках.
В даний час, незважаючи на численні спроби, ще не розроблена єдина схема та теорія розповсюдження ультразвуку через бетон, що пояснюється ) насамперед, наявністю зазначених вище численних чинників, які по-різному впливають на міцнісні та акустичні властивості бетону. Таке становище посилюється і тим, що ще не розроблено загальної теорії поширення ультразвукових коливань через матеріал з високим ступенем неоднорідності. Тільки тому швидкість ультразвуку в бетоні визначається як для однорідного матеріалу за формулою
де L - шлях, пройдений ультразвуком, м (база);
t - час, витрачений проходження даного шляху, мкс.
Розглянемо детальніше схему поширення імпульсного ультразвуку через бетон як через неоднорідний матеріал. Але спочатку обмежимо область, в якій будуть справедливі наші міркування, тим, що розглянемо найпоширеніший на заводах ЗБВ та будівництва склад бетонної суміші, що складається з цементу, річкового піску, крупного заповнювача та води. При цьому вважатимемо, що міцність великого заповнювача вища, ніж міцність бетону. Це справедливо при використанні як великий заповнювач вапняку, мармуру, граніту, доломіту та інших порід з міцністю близько 40 МПа. Умовно приймемо, що бетон, що затвердів, складається з двох компонентів: щодо однорідної розчинної частини з щільністю ρ і швидкістю V і великого заповнювача з ρ і V .
З урахуванням зазначених припущень та обмежень затверділий бетон можна розглядати як тверде середовище з акустичним імпедансом:
Розглянемо схему поширення головної ультразвукової хвилі від випромінювача 1 до приймача 2 через затверділий бетон завтовшки L (рис. 2.2.57).
Мал. 2.2.57. Схема поширення головної ультразвукової хвилі
у бетоні:
1 – випромінювач; 2 – приймач; 3 – контактний шар; 4 - поширення хвилі у гранулах; 5 - поширення хвилі у розчинній частині
Головна ультразвукова хвиля від випромінювача 1 в першу чергу потрапляє в контактний шар 3, розташований між випромінювальною поверхнею та бетоном. Для проходження через контактний шар ультразвукової хвилі він повинен бути заповнений провідною рідиною або мастилом, якою найчастіше використовується технічний вазелін. Пройшовши через контактний шар (за час t0), ультразвукова хвиля частково відбивається у зворотному напрямку, а решта увійде до бетону. Чим тонший контактний шар у порівнянні з довжиною хвилі, тим менша частина хвилі відобразиться.
Увійшовши в товщу бетону, головна хвиля почне розповсюджуватися в розчинній частині бетону на площі, що відповідає діаметру випромінювача. Пройшовши певну відстань Δ l 1, через час Δ t 1 головна хвиля на певній площі зустріне одну або кілька гранул великого заповнювача, частково від них відіб'ється, а більшість увійде в гранули і почне в них поширюватися. Між гранулами хвиля продовжуватиме поширюватися по розчинній частині.
Враховуючи прийняту умову, що швидкість ультразвуку в матеріалі великого заповнювача більша, ніж у розчинній частині, відстань d, рівну усередненому значенню діаметра щебеню, першою пройде хвиля, яка поширювалася через гранули зі швидкістю V 2 а хвиля, що пройшла через розчинну частину, буде запізнюватися .
Пройшовши через перші гранули великого заповнювача, хвиля підійде до межі розділу з розчинною частиною, частково відіб'ється, а частково увійде до неї. При цьому гранули, через які пройшла головна хвиля, надалі можна розглядати як елементарні сферичні джерела випромінювання ультразвукової хвилі розчинну частину бетону, до якої можна застосувати принцип Гюйгенса.
Пройшовши розчином мінімальна відстаньміж сусідніми гранулами, головна хвиля увійде до них і почне ними поширюватися, перетворюючи в чергові елементарні джерела. Таким чином, через час t, пройшовши всю товщу бетону L і другий контактний шар 3, головна хвиля потрапить у приймач 2 де перетворюється в електричний сигнал.
З розглянутої схеми слід, що головна хвиля від випромінювача 1 до приймача 2 поширюється шляхом, що проходить через гранули великого заповнювача і розчинну частину, що з'єднує ці гранули, причому цей шлях визначається з умови мінімуму витраченого часу t.
Звідси час t дорівнює
де - час, витрачений проходження розчинної частини, що з'єднує гранули;
Час, витрачений проходження через гранули. Пройдений ультразвуком шлях L дорівнює
де: - загальний шлях, пройдений головною хвилею через розчинну частину;
Загальний шлях, пройдений головною хвилею через гранули.
Повна відстань L, яку пройде головна хвиля, може бути більшою за геометричну відстань між випромінювачем і приймачем, оскільки хвиля поширюється шляхом максимальної швидкості, а не по мінімальній геометричній відстані.
Час, витрачений ультразвуком проходження через контактні шари, необхідно віднімати із загального виміряного часу.
Хвилі, які йдуть за головною, також поширюються шляхом максимальної швидкості, але при своєму русі зустрічатимуть відбиті хвилі від меж розділу гранул великого заповнювача і розчинної частини. Якщо діаметр гранул виявиться рівним довжині хвилі або її половині, може виникнути всередині гранули акустичний резонанс. Ефект інтерференції та резонансу можна спостерігати при спектральному аналізі пачки ультразвукових хвиль, що пройшли через бетон із різною крупністю заповнювача.
Розглянута вище схема поширення головної хвилі імпульсного ультразвуку справедлива лише бетонів із зазначеними на початку розділу властивостями, тобто. механічна міцність та швидкість поширення ультразвуку в матеріалі, з якого отримані гранули великого заповнювача, перевищують міцність та швидкість у розчинній частині бетону. Такими властивостями володіє більшість бетонів, що застосовуються на заводах ЗБВ та будівельних майданчиках, в яких використовується щебінь з вапняку, мармуру, граніту. Для керамзитобетону, пінобетону, бетону з туфовим заповнювачем схема розповсюдження ультразвуку може бути іншою.
Справедливість розглянутої схеми підтверджується експериментами. Так, із рис. 2.2.54 видно, що при додаванні до цементної частини певної кількості щебеню швидкість ультразвуку підвищується при незначному збільшенні (а іноді й зменшенні) міцності бетону.
На рис. 2.2.56 помітно, що з підвищенням швидкості ультразвуку в матеріалі великого заповнювача швидкість його в бетоні зростає.
Збільшення швидкості в бетоні з більшим заповнювачем (рис. 2.2.55) також пояснюється даною схемою, оскільки зі збільшенням діаметра подовжується шлях проходження ультразвуку через матеріал заповнювача.
Запропонована схема поширення ультразвуку дозволить об'єктивно оцінити можливості ультразвукового методу при дефектоскопії та контролі міцності бетону.
1. Швидкість поширення ультразвуку залежить від температури та тиску у трубопроводі. Швидкість ультразвуку при різних значеннях температури води та атмосферному тиску наведена у табл.Д.1.
Таблиця Д.1
Александров А.А., Трахтенгерц М.С. Теплофізичні властивості води за атмосферного тиску. М. Видавництво стандартів, 1977, 100с. (Державна служба стандартних довідкових даних. Сер. Монографії).
2. При використанні витратоміра для вимірювання витрати та об'єму води в системах водо та теплопостачання швидкість ультразвуку визначається за даними табл. Д.2 методом лінійної інтерполяції за температурою та тиском відповідно до формули:
де c(t,P) – швидкість ультразвуку в рідині, що протікає трубопроводом, м/с;
c(t1) – табличне значення швидкості ультразвуку за температури меншої, ніж виміряне, м/с;
c(t2) – табличне значення швидкості ультразвуку при температурі більшій, ніж виміряне, м/с;
c(P1) – табличне значення швидкості ультразвуку при тиску меншому, ніж виміряне, м/с;
c(P2) – табличне значення швидкості ультразвуку при тиску більшому, ніж виміряне, м/с;
t – температура води у трубопроводі, ºС;
P – тиск води у трубопроводі, МПа;
t1, t2 - табличні значення температур, ºС;
P1, P2 - табличні значення тисків, МПа;
ПРИМІТКА.
1. Значення c(t1) та c(t2) визначаються за даними табл. Д 1. Значення c(P1) та c(P2) визначається за даними табл. Д 2. при температурі, найближчій до температури води в трубопроводі.
2. Вимірювання температури та тиску води у трубопроводі повинні виконуватися з похибкою не більше ±0,5 ºС та ±0,5 МПа відповідно.
Таблиця Д.2
Продовження таблиці Д.2
Александров А.А., Ларкін Д.К. Експериментальне визначення швидкості ультразвуку у широкому діапазоні температур та тисків. Журнал "Теплоенергетика", №2, 1976, стор.75.
3. За відсутності таблиць залежності швидкості ультразвуку від температури рідини швидкість ультразвуку може визначатися за допомогою пристрою, зображеного на рис.Д.1. Безпосередньо перед вимірюванням швидкості ультразвуку корпус пристосування (скоба сталева) занурюється в досліджувану рідину, а товщиномір налаштовується для вимірювання швидкості ультразвуку. Потім ультразвуковим товщиноміром проводиться безпосередній вимір швидкості ультразвуку.
Для вимірювання швидкості ультразвуку в рідині можливе застосування приладу УС-12 ІМ (ЩО 2.048.045 ТО) або товщиномірів інших типів.
Рис.Д.1. Пристрій для вимірювання швидкості ультразвуку рідини.
Ультразвук- Пружні звукові коливання високої частоти. Людське вухо сприймає пружні хвилі, що поширюються в середовищі, частотою приблизно до 16-20 кГц; коливання з вищою частотою є ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20000 до мільярда Гц. Звукові коливання із вищою частотою називають гіперзвуком. У рідинах та твердих тілах звукові коливання можуть досягати 1000 ГГц.
Хоча про існування ультразвуку вченим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці та промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується у різних галузях фізики, технології, хімії та медицини.
Джерела ультразвукуЧастота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що застосовуються в промисловості та біології, лежить у діапазоні порядку кількох МГц. Фокусування таких пучків зазвичай здійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз та дзеркал. Ультразвуковий пучок із необхідними параметрами можна отримати за допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титаніту барію. У випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).
У природі УЗ зустрічається як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, в звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями виявлення перешкод, орієнтування у просторі.
Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої належать випромінювачі-генератори; коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку - струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів – електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму на механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовищеакустичні хвилі.Приклади випромінювачів: свисток Гальтона, рідкісний та ультразвуковий свисток, сирена.
Поширення ультразвуку.
Поширення ультразвуку - це процес переміщення у просторі та в часі обурень, що мають місце в звуковий хвилі.
Звукова хвиля поширюється в речовині, що знаходиться в газоподібному, рідкому або твердому стані, у тому напрямку, в якому відбувається зміщення частинок цієї речовини, тобто вона викликає деформацію середовища. Деформація полягає в тому, що відбувається послідовне розрядження та стиснення певних обсягів середовища, причому відстань між двома сусідніми областями відповідає довжині ультразвукової хвилі. Чим більша питома акустичний опірсередовища, тим більше ступінь стиснення та розрядження середовища при даній амплітуді коливань.
Частинки середовища, що у передачі енергії хвилі, коливаються біля становища свого рівноваги. Швидкість, з якою частинки коливаються біля середнього положення рівноваги, називається коливальною.
швидкістю.
Дифракція, інтерференція
При поширенні ультразвукових хвиль можливі явища дифракції, інтерференції та відображення.
Дифракція (обгинання хвилями перешкод) має місце тоді, коли довжина ультразвукової хвилі порівнянна (або більше) з розмірами перешкоди, що перебуває на шляху. Якщо перешкода проти довжиною акустичної хвилі велика, то явища дифракції немає.
При одночасному русі в тканині декількох ультразвукових хвиль у певній точці середовища може відбуватися суперпозиція цих хвиль. Таке накладання хвиль друг на друга зветься інтерференції. Якщо у процесі проходження через біологічний об'єкт ультразвукові хвилі перетинаються, то певній точці біологічного середовища спостерігається посилення чи ослаблення коливань. Результат інтерференції залежатиме від просторового співвідношення фаз ультразвукових коливань у цій точці середовища. Якщо ультразвукові хвилі досягають певної ділянки середовища в однакових фазах (синфазно), зміщення частинок мають однакові знаки та інтерференція в таких умовах сприяє збільшенню амплітуди ультразвукових коливань. Якщо ультразвукові хвилі приходять до конкретної ділянки в протифазі, то зміщення частинок буде супроводжуватися різними знакамищо призводить до зменшення амплітуди ультразвукових коливань.
Інтерференція відіграє важливу роль в оцінці явищ, що виникають у тканинах навколо ультразвукового випромінювача. Особливо велике значення має інтерференція при поширенні ультразвукових хвиль у протилежних напрямках після відбиття від перешкоди.
Поглинання ультразвукових хвиль
Якщо середовище, в якому відбувається поширення ультразвуку, має в'язкість і теплопровідність або в ній є інші процеси внутрішнього тертя, то при поширенні хвилі відбувається поглинання звуку, тобто в міру віддалення від джерела амплітуда ультразвукових коливань стає менше, так само як і енергія, яку вони несуть. Середовище, в якому поширюється ультразвук, вступає у взаємодію з енергією, що проходить через нього, і частина її поглинає. Переважна частина поглиненої енергії перетворюється на тепло, менша частина викликає в передавальної речовині незворотні структурні зміни. Поглинання є результатом тертя частинок один про одного, у різних середовищах воно по-різному. Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань. Теоретично, поглинання пропорційне квадрату частоти.
Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку в середовищі, що опромінюється. Зі зростанням частоти він збільшується. Інтенсивність ультразвукових коливань серед зменшується за експоненційним законом. Цей процес обумовлений внутрішнім тертям, теплопровідністю поглинаючого середовища та її структурою. Його орієнтовно характеризує величина напівпоглинаючого шару, яка показує на якій глибині інтенсивність коливань зменшується вдвічі (точніше в 2718 рази або на 63%). По Пальман при частоті, що дорівнює 0,8 МГц середні величини напівпоглинаючого шару для деяких тканин такі: жирова тканина - 6,8 см; м'язова – 3,6 см; жирова та м'язова тканини разом - 4,9 см. Зі збільшенням частоти ультразвуку величина напівпоглинаючого шару зменшується. Так при частоті, що дорівнює 2,4 МГц, інтенсивність ультразвуку, що проходить через жирову та м'язову тканини, зменшується вдвічі на глибині 1,5 см.
Крім того, можливе аномальне поглинання енергії ультразвукових коливань у деяких діапазонах частот – це залежить від особливостей молекулярної будови цієї тканини. Відомо, що 2/3 енергії ультразвуку згасає на молекулярному рівні та 1/3 на рівні мікроскопічних тканинних структур.
Глибина проникнення ультразвукових хвиль
Під глибиною проникнення ультразвуку розуміють глибину, коли інтенсивність зменшується на половину. Ця величина обернено пропорційна поглинанню: чим сильніше середовище поглинає ультразвук, тим менша відстань, на якій інтенсивність ультразвуку послаблюється наполовину.
Розсіювання ультразвукових хвиль
Якщо середовищі є неоднорідності, відбувається розсіювання звуку, що може істотно змінити просту картину поширення ультразвуку і, зрештою, також викликати згасання хвилі у початковому напрямі поширення.
Заломлення ультразвукових хвиль
Так як акустичний опір м'яких тканин людини ненабагато відрізняється від опору води, можна припускати, що на межі поділу середовищ (епідерміс - дерма - фасція - м'яз) спостерігатиметься заломлення ультразвукових хвиль.
Відображення ультразвукових хвиль
На явищі відображення заснована ультразвукова діагностика. Відображення відбувається в прикордонних областях шкіри та жиру, жиру та м'язів, м'язів та кісток. Якщо ультразвук при поширенні наштовхується на перешкоду, відбувається відображення, якщо перешкода мало, то ультразвук його як би обтікає. Неоднорідності організму не викликають значних відхилень, оскільки порівняно з довжиною хвилі (2 мм) їх розмірами (0,1-0,2 мм) можна знехтувати. Якщо ультразвук на своєму шляху наштовхується на органи, розміри яких більші за довжину хвилі, то відбувається заломлення та відображення ультразвуку. Найбільш сильне відображення спостерігається на межах кістка - навколишні тканини і тканини - повітря. У повітря мала щільність і спостерігається практично повне відбиття ультразвуку. Відображення ультразвукових хвиль спостерігається на межі м'яз - окістя - кістка, на поверхні порожнистих органів.
Ультразвукові хвилі, що біжать і стоять.
Якщо при поширенні ультразвукових хвиль у середовищі не відбувається їх відображення, утворюються хвилі, що біжать. В результаті втрат енергії коливальні рухи частинок середовища поступово згасають, і чим далі розташовані частинки від випромінюючої поверхні, тим менше амплітуда їх коливань. Якщо ж на шляху поширення ультразвукових хвиль є тканини з різними питомими акустичними опорами, то тією чи іншою мірою відбувається відображення ультразвукових хвиль від прикордонного розділу. Накладення ультразвукових хвиль, що падають і відбиваються, може призводити до виникнення стоячих хвиль. Для виникнення стоячих хвиль відстань від поверхні випромінювача до поверхні, що відбиває, повинна бути кратною половині довжини хвилі.
Дмитро Льовкін
Ультразвук- механічні коливання, що знаходяться вище області частот, які чують людське вухо (зазвичай 20 кГц). Ультразвукові коливання переміщаються у формі хвилі, подібно до поширення світла. Однак на відміну від світлових хвиль, які можуть поширюватися у вакуумі, ультразвук вимагає пружне середовище таке як газ, рідина або тверде тіло.
, (3)
Для поперечних хвиль вона визначається за формулою
Дисперсія звуку- Залежність фазової швидкості монохроматичної звукових хвиль від їх частоти. Дисперсія швидкості звуку може бути обумовлена як фізичними властивостями середовища, так і присутністю в ній сторонніх включень та наявністю меж тіла, в якому поширюється звукова хвиля.
Різновиди ультразвукових хвиль
Більшість методів ультразвукового дослідження використовує або поздовжні або поперечні хвилі. Також існують інші форми поширення ультразвуку, включаючи поверхневі хвилі та хвилі Лемба.
Поздовжні ультразвукові хвилі- хвилі, напрямок поширення яких збігається з напрямком зсувів та швидкостей частинок середовища.
Поперечні ультразвукові хвилі- хвилі, що розповсюджуються в напрямку, перпендикулярному до площини, в якій лежать напрями зсувів і швидкостей частинок тіла, те саме, що і хвилі зсуву .
Поверхневі (Релеївські) ультразвукові хвилімають еліптичний рух частинок і поширюються поверхнею матеріалу. Їх швидкість приблизно становить 90% швидкості поширення поперечної хвилі, які проникнення вглиб матеріалу дорівнює приблизно одній довжині хвилі .
Хвиля Лемба- пружна хвиля, що розповсюджуються в твердій пластині (шарі) з вільними межами, в якій коливальне зміщення частинок відбувається як у напрямку поширення хвилі, так і перпендикулярно площині пластини. Лемба хвилі є одним із типів нормальних хвиль у пружному хвилеводі – у пластині з вільними кордонами. Т.к. ці хвилі повинні задовольняти як рівнянням теорії пружності, а й граничним умовам лежить на поверхні пластини, картина руху у яких та його властивості складніші, ніж в хвиль у необмежених твердих тілах.
Візуалізація ультразвукових хвиль
Для плоскої синусоїдальної хвилі, що біжить, інтенсивність ультразвуку I визначається за формулою
, (5)
У сферичній хвилі, що біжитьінтенсивність ультразвуку обернено пропорційна квадрату відстані від джерела. У стоячої хвилі I = 0, тобто потоку звукової енергії в середньому немає. Інтенсивність ультразвуку в гармонійної плоскої хвилі, що біжитьдорівнює щільності енергії звукової хвилі, помноженої швидкість звуку. Потік звукової енергії характеризують так званим вектором Умова- Вектором щільності потоку енергії звукової хвилі, який можна представити як добуток інтенсивності ультразвуку на вектор хвильової нормалі, тобто одиничний вектор, перпендикулярний фронту хвилі. Якщо звукове поле є суперпозицією гармонійних хвиль різної частоти, то для вектора середньої щільностіпотоку звукової енергії має місце адитивність складових.
Для випромінювачів, що створюють плоску хвилю, говорять про інтенсивності випромінюваннярозуміючи під цим питому потужність випромінювача, Т. е. випромінювану потужність звуку, віднесену до одиниці площі випромінюючої поверхні.
Інтенсивність звуку вимірюється у системі одиниць СІ у Вт/м 2 . В ультразвуковій техніці інтервал зміни інтенсивності ультразвуку дуже великий - від порогових значень ~ 10 -12 Вт/м2 до сотень кВт/м2 у фокусі ультразвукових концентраторів.
Таблиця 1 – Властивості деяких поширених матеріалів
| Матеріал | Щільність кг/м 3 | Швидкість поздовжньої хвилі, м/с | Швидкість поперечної хвилі, м/с | , 10 3 кг/(м 2 *с) |
| Акрил | 1180 | 2670 | - | 3,15 |
| Повітря | 0,1 | 330 | - | 0,00033 |
| Алюміній | 2700 | 6320 | 3130 | 17,064 |
| Латунь | 8100 | 4430 | 2120 | 35,883 |
| Мідь | 8900 | 4700 | 2260 | 41,830 |
| Скло | 3600 | 4260 | 2560 | 15,336 |
| Нікель | 8800 | 5630 | 2960 | 49,544 |
| Поліамід (нейлон) | 1100 | 2620 | 1080 | 2,882 |
| Сталь (низколегований сплав) | 7850 | 5940 | 3250 | 46,629 |
| Титан | 4540 | 6230 | 3180 | 26,284 |
| Вольфрам | 19100 | 5460 | 2620 | 104,286 |
| Вода (293К) | 1000 | 1480 | - | 1,480 |
Згасання ультразвуку
Однією з основних характеристик ультразвуку є його згасання. Згасання ультразвуку– це зменшення амплітуди і, отже, звукової хвилі у міру її поширення. Згасання ультразвуку відбувається через низку причин. Основними з них є:
Перша з цих причин пов'язана з тим, що в міру поширення хвилі від точкового або сферичного джерела енергія, випромінювана джерелом, розподіляється на поверхню хвильового фронту, що все збільшується, і відповідно зменшується потік енергії через одиницю поверхні, тобто. . Для сферичної хвилі, хвильова поверхня якої росте з відстанню r джерела як r 2 , амплітуда хвилі зменшується пропорційно , а циліндричної хвилі - пропорційно .
Коефіцієнт згасання виражають або децибелах на метр (дБ/м), або в неперах на метр (Нп/м).
Для плоскої хвилі коефіцієнт загасання по амплітуді з відстанню визначається за формулою
, (6)
Коефіцієнт згасання від часу визначається
, (7)
Для вимірювання коефіцієнта також використовують одиницю дБ/м, у разі
, (8)
Децибел (дБ) – логарифмічна одиниця виміру відношення енергій чи потужностей в акустиці.
, (9)
- де A 1 - амплітуда першого сигналу,
- A 2 – амплітуда другого сигналу
Тоді зв'язок між одиницями виміру (дБ/м) та (1/м) буде:
Відображення ультразвуку від межі поділу середовищ
При падінні звукової хвилі на межу розділу середовищ частина енергії буде відображатися в першу середу, а решта енергія проходитиме в другу середу. Співвідношення між відображеною енергією та енергією, що проходить у друге середовище, визначається хвильовими опорами першого та другого середовища. За відсутності дисперсії швидкості звуку хвильовий опірне залежить від форми хвилі та виражається формулою:
Коефіцієнти відображення та проходження будуть визначатися таким чином
, (12)
, (13)
- де D – коефіцієнт проходження звукового тиску
Варто зазначити також, що й друге середовище акустично «м'якше», тобто. Z 1 >Z 2 то при відображенні фаза хвилі змінюється на 180˚ .
Коефіцієнт пропускання енергії з одного середовища в інше визначається ставленням інтенсивності хвилі, що проходить у другу середу, до інтенсивності падаючої хвилі
, (14)
Інтерференція та дифракція ультразвукових хвиль
Інтерференція звуку- нерівномірність просторового розподілу амплітуди результуючої звукової хвилі в залежності від співвідношення між фазами хвиль, що складаються в тій чи іншій точці простору. При складанні гармонійних хвиль однакової частоти результуючий просторовий розподіл амплітуд утворює інтерференційну картину, що не залежить від часу, яка відповідає зміні різниці фаз складових хвиль при переході від точки до точки. Для двох інтерферуючих хвиль ця картина на площині має вигляд смуг посилення, що чергуються, і ослаблення амплітуди величини, що характеризує звукове поле (наприклад, звукового тиску). Для двох плоских хвиль смуги прямолінійні з амплітудою, що змінюється поперек смуг відповідно до зміни різниці фаз. Важливий окремий випадок інтерференції - додавання плоскої хвилі з її відображенням від плоского кордону; при цьому утворюється стояча хвиля з площинами вузлів і пучностей, розташованими паралельно кордону.
Дифракція звуку- Відхилення поведінки звуку від законів геометричної акустики, обумовлене хвильовою природою звуку. Результат дифракції звуку - розходження ультразвукових пучків при віддаленні від випромінювача або після проходження через отвір в екрані, загинання звукових хвиль в область тіні позаду перешкод, великих у порівнянні з довжиною хвилі, відсутність тіні позаду перешкод, малих порівняно з довжиною хвилі, і т.д. п. Звукові поля, створювані дифракцією вихідної хвилі на перешкодах, вміщених у середу, на неоднорідностях самого середовища, а також на нерівностях і неоднорідностях меж середовища, називаються розсіяними полями. Для об'єктів, на яких відбувається дифракція звуку, більших у порівнянні з довжиною хвилі, ступінь відхилень від геометричної картини залежить від значення хвильового параметра
, (15)
- де D - діаметр об'єкта (наприклад, діаметр ультразвукового випромінювача або перешкоди),
- r – відстань точки спостереження від цього об'єкта
Випромінювачі ультразвуку
Випромінювачі ультразвуку- пристрої, що застосовуються для збудження ультразвукових коливань та хвиль у газоподібних, рідких та твердих середовищах. Випромінювачі ультразвуку перетворюють на енергію енергію будь-якого іншого виду.
Найбільшого поширення як випромінювач ультразвуку отримали електроакустичні перетворювачі. У переважній більшості випромінювачів ультразвуку цього типу, а саме в п'єзоелектричних перетворювачах , магнітострикційних перетворювачах, електродинамічних випромінювачів, електромагнітних та електростатичних випромінювачах, електрична енергіяперетворюється на енергію коливань будь-якого твердого тіла (випромінюючої пластинки, стрижня, діафрагми тощо), яке випромінює в довкілля акустичні хвилі. Всі перелічені перетворювачі, як правило, лінійні, і, отже, коливання випромінюючої системи відтворюють формою збуджуючий електричний сигнал; Тільки при великих амплітудах коливань поблизу верхньої межі динамічного діапазону випромінювача ультразвуку можуть виникнути нелінійні спотворення.
У перетворювачах, призначених для випромінювання монохроматичної хвилі, використовується явище резонансу: вони працюють на одному з власних коливань механічної коливальної системи, частоту якого налаштовується генератор електричних коливань, що збуджує перетворювач. Електроакустичні перетворювачі, що не володіють твердотільною випромінюючою системою, застосовуються як випромінювач ультразвуку порівняно рідко; до них відносяться, наприклад, випромінювачі ультразвуку, засновані на електричному розряді рідини або електрострикції рідини .
Характеристики випромінювача ультразвуку
До основних характеристик випромінювачів ультразвуку відносяться частотний спектр, випромінювана потужність звуку, спрямованість випромінювання. У разі моночастотного випромінювання основними характеристиками є робоча частотавипромінювача ультразвуку та його частотна смуга, межі якої визначаються падінням випромінюваної потужності удвічі проти її значенням на частоті максимального випромінювання. Для резонансних електроакустичних перетворювачів робочою частотою є власна частота f 0 перетворювача, а ширина полосиΔf визначається його добротністю Q.
Випромінювачі ультразвуку (електроакустичні перетворювачі) характеризуються чутливістю, електроакустичним коефіцієнтом корисної дії та власним електричним імпедансом.
Чутливість випромінювача ультразвуку- відношення звукового тиску в максимумі характеристики спрямованості на певній відстані від випромінювача (найчастіше на відстані 1 м) до електричної напруги на ньому або до струму, що протікає в ньому. Ця характеристика застосовується до випромінювачів ультразвуку, які використовуються в системах. звукової сигналізації, в гідролокації та інших подібних пристроях. Для випромінювачів технологічного призначення, що застосовуються, наприклад, при ультразвуковій очистці, коагуляції, вплив на хімічні процеси, основною характеристикою є потужність. Поряд із загальною випромінюваною потужністю, що оцінюється в Вт, випромінювачі ультразвуку характеризують питомою потужністю, Т. е. середньою потужністю, що припадає на одиницю площі випромінюючої поверхні, або усередненою інтенсивністю випромінювання в ближньому полі, що оцінюється в Вт/м 2 .
Ефективність електроакустичних перетворювачів, що випромінюють акустичну енергію в середовище, що озвучується, характеризують величиною їх електроакустичного коефіцієнта корисної дії, Що являє собою відношення випромінюваної акустичної потужності до електричної, що витрачається. В акустоелектроніці для оцінки ефективності випромінювачів ультразвуку використовують так званий коефіцієнт електричних втрат, що дорівнює відношенню (дБ) електричної потужності до акустичної. Ефективність ультразвукових інструментів, що використовуються при ультразвуковому зварюванні, механічній обробці тощо, характеризують так званим коефіцієнтом ефективності, що є відношенням квадрата амплітуди коливального зміщення на робочому кінці концентратора до електричної потужності, що споживається перетворювачем. Іноді для характеристики перетворення енергії у випромінювачі ультразвуку використовують ефективний коефіцієнт електромеханічного зв'язку.
Звукове поле випромінювача
Звукове поле перетворювача поділяють на дві зони: ближню та дальню зону. Близька зонаце район прямо перед перетворювачем, де амплітуда луни проходить через серію максимумів та мінімумів. Близька зона закінчується на останньому максимумі, що розташовується на відстані N від перетворювача. Відомо, що розташування останнього максимуму є природним фокусом перетворювача. Далека зонаце район, що знаходиться за N, де тиск звукового поля поступово зменшується до нуля.
Положення останнього максимуму N на акустичній осі у свою чергу залежить від діаметра та довжини хвилі та для дискового круглого випромінювача виражається формулою
, (17)
Однак оскільки D зазвичай значно більше, рівняння можна спростити і привести до вигляду
Характеристики звукового поля визначаються конструкцією ультразвукового перетворювача. Отже, від його форми залежить поширення звуку в області, що досліджується, і чутливість датчика.
Застосування ультразвуку
Різноманітні застосування ультразвуку, у яких використовуються різні його особливості, можна умовно розбити втричі напрями. пов'язано з отриманням інформації за допомогою ультразвукових хвиль, - з активним впливом на речовину і - з обробкою та передачею сигналів (напрями перераховані в порядку їхнього історичного становлення). При кожному конкретному застосуванні використовують ультразвук певного частотного діапазону.
Коливання та хвилі. Коливаннями називають багаторазове повторення однакових чи близьких до однакових процесів. Процес поширення коливань у середовищі називають хвильовим. Лінію, що вказує напрямок поширення хвилі, називають променем, а кордон, визначальну коливаються частинки від частинок середовища, що ще не почали вагатися, - фронтом хвилі.
Час, протягом якого відбувається повний цикл коливань, називається періодом Т і вимірюється в секундах. Величину ƒ = 1 / Т, що показує, скільки разів на секунду повторюється коливання, називають частотою і вимірюють c -1 .
Величина ω, що показує число повних оборотів точки по колу за 2Т, називається круговою частотою ω = 2 π / Т = 2 π ƒ і вимірюється в радіанах за секунду (рад/с).
Фаза хвилі - це параметр, що показує, яка частина періоду пройшла з моменту початку останнього циклу коливань.
Довжина хвилі λ - мінімальна відстань між двома точками, що коливаються в однаковій фазі. Довжина хвилі пов'язана з частотою ƒ і швидкістю із співвідношенням: λ = с / ƒ. Плоска хвиля, що розповсюджується вздовж горизонтальної осі Х, описується формулою:
u = U cос (ω t - kх) ,
де k = 2 π /λ. - хвильове число; U – амплітуда коливань.
З формули видно, що величина u періодично змінюється у часі та просторі.
В якості величини, що змінюється при коливаннях, використовуються зсув частинок з положення рівноваги u і акустичне тиск р.
В ультразвуковій (УЗ) дефектоскопії зазвичай використовують коливання з частотою 0,5...15 МГц (довжина поздовжньої хвилі в стали 0,4...12 мм) і амплітудою зміщення 10 -11 ...10 -4 мм (що виникають у сталі на частоті 2 МГц акустичні напруги 10...10 8 Па).
Інтенсивність хвилі I дорівнює I = р 2 /(2ρс) ,
де ρ - щільність середовища, в якому поширюється хвиля.
Інтенсивність хвиль, що використовуються для контролю, дуже мала (~10 -5 Bт/м 2 ). При дефектоскопії реєструють не інтенсивність, а амплітуду хвиль А. Зазвичай вимірюють ослаблення амплітуди А щодо амплітуди збуджених У виробі коливань А про (зондуючого імпульсу), тобто відношення А / А о. І тому застосовують логарифмічні одиниці децибели (дБ), тобто. А"/Ао = 20 Ig А"/Ао.
Типи хвиль. Залежно від напрямку коливань частинок щодо променя розрізняють кілька типів хвиль.
Поздовжньою хвилею називається така хвиля, в якій коливальний рух окремих частинок відбувається в тому ж напрямку, в якому поширюється хвиля (рис. 1).
Поздовжня хвиля характеризується тим, що в середовищі чергуються області стиснення і розрідження, або підвищеного та зниженого тиску, або підвищеної та зниженої щільності. Тому їх також називають хвилями тиску, щільності або стиску. Поздовжні можуть поширюватися в твердих тілах, рідинах, газах.
Мал. 1. Коливання частинок середовища v у поздовжній хвилі.
Зсувний (поперечний)називають таку хвилю, в якій окремі частинки коливаються в напрямку, перпендикулярному до напряму поширення хвилі. У цьому відстань між окремими площинами коливань залишаються незмінними (рис. 2).
Мал. 2. Коливання частинок середовища v у поперечній хвилі.
Поздовжні і поперечні хвилі, що отримали узагальнену назву "об'ємні хвилі", можуть існувати в необмеженому середовищі. Ці найбільш широко застосовуються для ультразвукової дефектоскопії.
Швидкістю поширення звукової хвилі c називається швидкість поширення певного стану в матеріальному середовищі (наприклад, стиснення або розрідження для поздовжньої хвилі). Швидкість звуку для різних типів хвиль різна, причому для поперечної і поздовжньої хвиль вона є характеристикою середовища, що не залежить від параметрів ультразвукової хвилі.Швидкість поширення поздовжньої хвилі у необмеженому твердому тілі визначається виразом
де Е - модуль Юнга, що визначається як відношення між величиною сили, що розтягує, прикладеної до деякого стрижня і що виникає при цьому деформацією; v - коефіцієнт Пуассона, що є відношенням зміни ширини стрижня до зміни його довжини, якщо розтягнення стрижня проводиться по довжині; ρ - густина матеріалу.
Швидкість зсувної хвилі У необмеженому твердому тілі виражається так:
Оскільки в металах v ≈ 0,3, то між поздовжньою та поперечною хвилею існує співвідношення
c t ≈ 0,55 с l.
Поверхневими хвилями(Хвилями Релея) називають пружні хвилі, що розповсюджуються вздовж вільної (або слабонавантаженої) кордону твердого тіла і швидко загасають з глибиною. Поверхнева хвиля є комбінацією поздовжніх та поперечних хвиль. Частинки в поверхневій хвилі здійснюють коливальний рух еліптичною траєкторією (рис. 3). Велика вісь еліпса при цьому перпендикулярна до кордону.
Оскільки поздовжня складова, що входить у поверхневу хвилю, згасає з глибиною швидше, ніж поперечна, витягнутість еліпса з глибиною змінюється.
Поверхнева хвиля має швидкість s = (0,87 + 1,12v) / (1+v)
Для металів з s ≈ 0,93с t ≈ 0,51 c l .
Залежно від геометричної форми фронту розрізняють такі види хвиль:
- сферичну – звукову хвилю на невеликій відстані від точкового джерела звуку;
- циліндричну - звукову хвилю на невеликій відстані від джерела звуку, що представляє собою довгий циліндр маленького діаметра;
- плоску - її може випромінювати нескінченно вагання площину.
Тиск у сферичній або плоскій звуковій хвилі визначається співвідношенням:
де v – величина коливальної швидкості.
Розмір ρс = z називається акустичним опором чи акустичним імпедансом.
Мал. 3. Коливання частинок середовища v поверхневій хвилі.
Якщо акустичне опір має велику величину, то середовище називається жорстким, якщо імпеданс невеликий, - м'якою (повітря, вода).
Нормальними (хвилями у пластинах), називають пружні хвилі, що поширюються в твердій пластині (шарі) з вільними або слабонавантаженими межами.
Нормальні хвилі бувають двох поляризацій: вертикальної та горизонтальної. З двох типів хвиль найбільше застосування на практиці отримали хвилі Лемба - нормальні хвилі з вертикальною поляризацією. Вони виникають внаслідок резонансу при взаємодії падаючої хвилі з багаторазово відбитими хвилями всередині пластини.
Для з'ясування фізичної сутності хвиль у пластинах розглянемо питання утворення нормальних хвиль у рідкому шарі (рис. 4).
Мал. 4. До питання виникнення нормальної волі у шарі рідини.
Нехай на шар товщиною h падає ззовні плоска хвиля під кутом β. Лінія AD показує фронт падаючої хвилі. В результаті заломлення на кордоні, у шарі виникає хвиля з фронтом CB, що розповсюджується під кутом α і зазнає багаторазових відображень у шарі.
При певному вугіллі падіння β хвиля, відбита від нижньої поверхні, збігається по фазі з прямою хвилею, що йде від верхньої поверхні. Це і умова виникнення нормальних хвиль. Кут, при якому відбувається таке явище, може бути знайдений з формули
h cos α = n λ 2 / 2
Тут n – ціле число; λ 2 - довжина хвилі у шарі.
Для твердого шару суть явища (резонанс об'ємних хвиль при похилому падінні) зберігається. Однак умови утворення нормальних хвиль дуже ускладнюються завдяки наявності у пластині поздовжніх та поперечних хвиль. Різні типихвиль, що існують при різних значеннях n, називають модами нормальних хвиль. Ультразвукові хвилі з непарними значеннями n називають симетричними , так як рух частинок в них симетрично щодо осі пластини. Хвилі з парними значеннями n називають антисиметричними(Рис. 5).
Мал. 5. Коливання частинок середовища v у нормальній хвилі.
Головні хвилі. У реальних умовах ультразвукового контролю похилим перетворювачем фронт ультразвукової хвилі випромінюючого п'єзоелемента має неплоску форму. Від випромінювача вісь якого орієнтована під першим критичним кутом до межі розділу, на кордон падають також поздовжні хвилі з кутами, дещо меншими і дещо більшими за перший критичний. При цьому в сталі збуджується низка типів ультразвукових хвиль.
Уздовж поверхні поширюється неоднорідна поздовжньо-поверхнева хвиля (рис. 6). Цю хвилю, що складається з поверхневої та об'ємної компонент, називають також витікаючою, або повзучою. Частинки в цій хвилі рухаються траєкторіями у вигляді еліпсів, близьких до кіл. Фазова швидкість витікаючої хвилі з незначно перевищує швидкість поздовжньої хвилі (для сталі з в = 1,04с l).
Ці хвилі існують на глибині, приблизно рівній довжині хвилі, і швидко згасають при поширенні: амплітуда хвилі згасає в 2,7 рази швидше на відстані 1,75? вздовж поверхні. Ослаблення пов'язане з тим, що в кожній точці межі розділу генеруються поперечні хвилі під кутом t2 , рівним третьому критичному куту, звані бічними хвилями. Цей кут визначається із співвідношення
sin α t2 = (c t2 - c l2)
для сталі t2 = 33,5 °.
Мал. 6. Акустичне поле перетворювача головної хвилі: ПЕП - п'єзоелектричний перетворювач.
Крім витікаючої збуджується також головна хвиля, що отримала широке застосування в практиці ультразвукового контролю. Головною називається поздовжньо-підповерхнева хвиля, що збуджується при падінні ультразвукового пучка на межу розділу під кутом, близьким до першого критичного. Швидкість цієї хвилі дорівнює швидкості поздовжньої хвилі. Свого амплітудного значення головна хвиля досягає під поверхнею вздовж променя з кутом уведення 78°.
Мал. 7. Амплітуда відбиття головної хвилі в залежності від глибини залягання плоскодонних отворів.
Головна хвиля, як і витікаюча, породжує бічні поперечні ультразвукові хвилі під третім критичним кутом до кордону розділу. Одночасно зі збудженням поздовжньо-поверхневої хвилі утворюється зворотна поздовжньо-поверхнева хвиля - поширення пружного обурення убік, протилежний прямому випромінюванню. Її амплітуда в ~100 разів менше амплітуди прямої хвилі.
Головна хвиля нечутлива до нерівностей поверхні і реагує лише на дефекти, що залягають під поверхнею. Ослаблення амплітуди поздовжньо-підповерхневої хвилі вздовж променя будь-якого напряму відбувається як у звичайній об'ємній поздовжній хвилі, тобто. пропорційно l/r, де r - відстань уздовж променя.
На рис. 7 показано зміну амплітуди ехосигналу від плоскодонних отворів, розташованих на різній глибині. Чутливість до дефектів поблизу поверхні близька до нуля. Максимальна амплітуда при відстані 20 мм досягається для плоскодонних отворів, розташованих на глибині 6 мм.
Інші сторінки на тему