2014-02-02
4023
Упругая волна, возбуждаемая в какой-либо физической среде, характеризуется типом, определяемого по ориентации направления, в котором колеблются частицы среды относительно направления распространения волны от ее источника (излучателя). В ультразвуковой дефектоскопии рельсов чаще всего используются два типа ультразвуковых волн (УЗВ), отличающихся направлением смещения колеблющихся частиц:
| А |
| Направление волны |
|
|
|
Рисунок 15 – Характер смещения колеблющихся частиц, соответствующий продольной волне; А – направление смещения колеблющихся частиц.
– поперечные (сдвиговые) волны (t-волны) характеризуются тем, что направление смещения частиц в процессе колебаний перпендикулярно направлению распространения волны. Характер смещений колеблющихся частиц для поперечной волны условно показан на рисунке 16.
| Направление волны |
| А |
При направлении распространения волны, указанном стрелкой, смещение частиц происходит в направлениях сдвига. По этой причине такие упругие волны называют «сдвиговыми». Упругие связи между частицами в направлениях сдвига существуют только в твердых средах, обладающих упругостью формы (т.е. твердое тело стремится сохранить свою форму), то только в них и могут быть возбуждены поперечные упругие волны. Свойство твердого тела сохранять свою форму связано со сдвиговой упругостью. Например, два слоя жидкости можно легко сдвинуть относительно друг друга, а две плоскости в твердом теле сопротивляются сдвигу. Попытка их сдвинуть ударом или переменной по направлению силой приведет к возникновению сдвиговых колебаний. Отсюда следует, что в жидких и газообразных средах поперечные волны распространяться не могут. Однако есть некоторые редкие исключения, когда волны, подобные поперечным, существуют в жидкостях с передачей колебаний за счет сил вязкости, однако они быстро затухают. К таким жидкостям относятся, например, жидкая эпоксидная смола, густой мед.
|
|
|
Какая из волн – продольная или поперечная – распространяется в данной среде, зависит от упругих свойств среды. Колебательное движение возможно только в направлении действия возвращающих сил. В газообразных и жидких средах силы упругости появляются при деформациях растяжения и сжатия. Эти деформации, распространяющиеся в жидкостях и газах, и представляют собой продольные волны. Следовательно, жидкости и газы – это среды, в которых акустические волны могут быть только продольными. Продольные волны по-другому называют волнамирастяжения-сжатия.
В твердых телах, где кроме упругих деформаций растяжения и сжатия возможна упругая деформация сдвига, могут одновременно происходить и продольные и поперечные колебания, т.е. могут возникать как продольные, так и поперечные волны.
Кроме продольных и поперечных волн, в физике упругих колебаний известно большое количество разновидностей других типов волн: поверхностные (волны Рэлея), нормальные. Нормальные волны возбуждаются в пластинах и стержнях и имеют большое число разновидностей, возможность возбуждения которых в данном материале зависит от соотношения между толщиной пластины и частотой ультразвука: волны Лэмба, изгибные, крутильные и т. п.
– поверхностные волны, волны Рэлея (r-волны), теоретически открытые Рэлеем в 1885 году, могут существовать в твердом теле вблизи его свободной поверхности, граничащей с вакуумом, газом или жидкостью. Поверхностные волны состоят из линейной комбинации продольных и поперечных волн (рисунок 17).Фазовая скорость таких волн направлена параллельно поверхности, а колеблющиеся вблизи нее частицы среды имеют как поперечную, перпендикулярную поверхности, так и продольную составляющие вектора смещения. Эти частицы описывают при своих колебаниях эллиптические траектории в плоскости, перпендикулярной поверхности и проходящей через направление фазовой скорости.
При распространении поверхностной волны частицы тела движутся, вращаясь по эллипсам с большой осью, перпендикулярной границе. Поверхностная волна может распространяться не только вдоль плоской, но и вдоль искривленной поверхности на большие расстояния вследствие слабого затухания, следуя изгибам поверхности. На выпуклой поверхности происходит некоторое повышение скорости волны, а на вогнутой поверхности наблюдается уменьшение скорости волны, а также значительное дополнительное затухание вследствие излучения энергии вглубь изделия в виде объемных волн.
| Направление волны |
Рисунок 17 – Характер смещения колеблющихся частиц, соответствующий поверхностной волне
Практически на глубине примерно равной длине волны, (1,0…1,5)λ, колебания затухают, дефекты на этой глубине не выявляются. Поверхностные волны чувствительны к шероховатости поверхности, грязи, защитным и другим покрытиям.
– нормальные волныформируются в твердой пластине (слое) со свободными или слабонагруженными границами. Свободной можно считать границу, соприкасающуюся с воздухом. Слабонагруженной является, например, граница, соприкасающаяся с водой (рисунок 18).
| Направление волны |
Рисунок 18 – Характер смещения колеблющихся частиц, соответствующий нормальной волне
В ограниченных твердых телах (пластина, стержень), представляющих собой твердые акустические волноводы, распространяются нормальные волны. Каждая из них является комбинацией нескольких продольных и сдвиговых волн, которые распространяются под острыми углами к оси волновода и удовлетворяют (в совокупности) граничным условиям: отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Число нормальных волн в пластине или стержне определяется их толщиной или диаметром d, частотой нормальных волн f и модулями упругости среды. В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн: волны Лэмба и сдвиговые нормальные волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя составляющими смещений, одна из которых параллельна направлению распространения волны, другая перпендикулярна граням пластины. По характеру распределения смещений относительно средней плоскости пластины волны Лэмба делятся на симметричные и антисимметричные. Частный случай симметричной волны Лэмба – продольная волна в пластине, а антисимметричной – изгибная волна. В плоской сдвиговой нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. Простейший вид такой волны – нормальная волна нулевого порядка, в которой смещения одинаковы во всех точках поперечного сечения пластины.
|
|
|
