Доля отраженной энергии волны

Нормальное падение ультразвуковой волны на границу раздела двух сред

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ЗАДАЧА

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите параметры, характеризующие ультразвуковые колебания и волны?

2. Что называется амплитудой?

3. Что называют амплитудой смещения колеблющихся частиц? Единицы измерения

4. Что называется фазой колебания? Единицы измерения

5. Что называется колебательной скоростью частиц среды? Единицы измерения

6. Что называется скоростью ультразвуковой волны (фазовой скоростью)?

7. Различия между скоростью колеблющейся частицы и фазовой скоростью?

8. От каких факторов зависит скорость ультразвуковой волны?

9. Приведите соотношения скоростей продольной и поперечной волн в металлах?

10. Что называется длиной волны? Единицы измерения

11. От каких факторов зависит длина волны?

12. Что понимается под чувствительностью метода УЗК?

13. На чем основан способ обнаружения дефектов в УЗД и как он зависит от длины волны?

14. Что называется частотой? Единицы измерения

15. Что называется периодом? Единицы измерения

16. Как связаны между собой период и частота?

17. Что называется звуковым давлением? Единицы измерения

18. Для каких сред характерно наличие звукового давления?

19. Как связаны между собой амплитуды звукового давления и смещения колеблющихся частиц?

20. Что называется интенсивностью? Единицы измерения

21. Как переводятся абсолютные величины интенсивности и амплитуды напряжения в безразмерные логарифмические?

22. Что называется децибелом?

1. Рассчитать длину УЗ-волн в рельсе для рабочей частоты f = 2,5 МГц, зная, что с _l = 5,9 мм/мкс, с _t = 3,23 мм/мкс.

2. Рассчитать время, за которое происходит полный цикл колебаний волны: а) при f = 2,5 МГц; б) при f = 5,0 МГц.

3. Определить минимальный размер дефекта, обнаруживаемого в рельсе при работе с частотой f ₁ = 2,5 МГц; f ₂ =5,0 МГц.

ЛЕКЦИЯ 4 –Акустические свойства сред

Под акустическими понимаются такие свойства упругой среды, от которых зависят условия формирования ультразвуковой волны в среде и взаимодействия с границей раздела двух упругих сред.

Упругая среда характеризуется следующими акустическими свойства­ми: ρ – плотность материала; с – скорость ультразвуковой волны определенного типа, упругость среды. Также к акустическим свойствам следует отнести степень анизотропии среды, внутреннее трение и теплопроводность, от которых зависит коэффициент затухания ультразвуковой волны δ.

По мере удаления волны от излучателя ее интенсивность падает. Уменьшение интенсивности сферической волны обуславливается ее расхождением и затуханием колебаний, а плоской – только затуханием. Затухание ультразвуковой волны – это уменьшение амплитуды, а, следовательно, интенсивности волны с течением времени, обусловленное потерей энергии по мере удаления волны от источника возбуждения.

Затухание волны происходит по экспоненциальному закону (рисунок 24)

U = U ₀ × e ^{- δΔ r}; I = I ₀ × e ^{-2 δΔ r}, (22)

где Δ r – расстояние, пройденное волной, м;

δ – коэффициент затухания, Нп/м.

Дальность

экспонента

r 1 r 2

Рисунок 24 – Затухание УЗВ по экспоненте

Скорость затухания волны зависит, прежде всего, от самой среды, которая определяется удельнымакустическим сопротивлением среды Z.

Z = ρ× c, (23)

Акустическое сопротивление среды – это параметр, характеризующий свойство среды проводить акустическую энергию. Эту величину также называют удельным акусти­ческим импедансом (от лат. Impedio – препятствовать).

Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости ее частиц.

Z=, [кг/(м²·с)] [Па·с/м] (24)

С физической точки зрения акустический импеданс показывает, насколько трудно «раскачать» систему, степень неподатливости системы воздействию колебаний. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Если акустическое сопротивление велико, среда называется «жесткой»: колебательные скорости и смещения малы даже при высоких давлениях; если же акустическое сопротивление мало, то среда называется «мягкой»: даже при малых дав­лениях достигаются значительные колебательные скорости и смещения. По аналогии, высокое сопротивление электрической цепи указы­вает на трудность прохождения тока большой силы, но малого напряжения. Если сравнивать воду и воздух, акустические сопротивления которых на­ходятся в соотношении 3600:1 при одинаковой интенсивности звука, то звуковые давления будут находиться в отношении 60:1, а колебательные скорости в отношении 1:60.

Акустическое сопротивление средыявляется важной характеристикой среды, определяющей условия отражения ультразвука на границе раздела двух сред и его прохождения в другую среду (рисунок 25).

а) б) в)

Z 1

Z 2

Z 1

Z 2

Z 1

Z 2

Рисунок 25 – Условия отражения и прохождения ультразвука на границе раздела двух сред:

а) Z₁ = Z₂; б) Z₁ < Z₂; в) Z₁ << Z₂.

При нормальном падении (частный случай, нормальным падением УЗВ на границу раздела двух сред называется падение УЗВ перпендикулярно к границе раздела) плоской волны на плоскую границу раздела двух сред величина коэффициента отражения определяется только отношением акустических сопротивлений этих сред. Если акустические сопротивления сред равны, то волна проходит границу без отражения. При излучении звука сопротивление излучения в данную среду пропорционально ее акустическому сопротивлению.

В каждой отдельной среде затухание сферической волны определяется тремя причинами: расхождением волнового пучка; а также потерями в среде – поглощением и рассеянием – приводящими к постепенному убыванию амплитуды и интенсивности волны с удалением от источника возбуждения, а затухание плоской волны – расхождением и поглощением.

Расхождение ультразвукового пучка связано с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника, энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и, соответственно, уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность ультразвука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растет с расстоянием r от источника как r ², амплитуда волны убывает пропорционально r ^-1, а для цилиндрической волны – пропорционально r ^-1/2.

В дальнейшем термин «затухание» будем относить только к ослаблению, учитываемому экспоненциальным множителем e ^{– δΔ r}, в отличие от уменьшения амплитуды, связанного с расширением волнового фронта в сферической волне.

Первая причина – рассеяние ультразвука – связана с тем, что среда не является строго гомогенной (однородной). Большинство твердых тел состоит из большого числа зерен-кристаллитов, на границах которых акустическое сопротивление из­меняется, так как кристаллы или отдельные составляющие вещества имеют различную плотность или разную скорость в направлении падающего луча. Для некоторых материалов (например, для чугуна) это связано с тем, что он представляет собой сплав зерен различных компонентов (феррита и графита). Для других материалов – с наличием пор или инородных включений. Для третьих – различной ориентацией анизотропных кристаллов. Последнее бывает особенно заметным в крупнозернистых аустенитных материалах, а также в аустенитных сварных швах. При переходе волны из одного кристалла в другой возникают частичное отражение, преломление и трансформация лучей, что и опреде­ляет механизм рассеяния (рисунок 26). Модель рассеяния, показанная на ри­сунке, справедлива для случаев, ког­да размеры кристалла (или анизот­ропного конгломерата кристаллов) значительно больше длины волны.

Рисунок 26 – Механизм рассеяния

Анизотропи́я – это неодинаковость физических свойств среды по различным направлениям внутри этой среды. Причиной анизотропности является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется, если кристаллическая структура не слишком симметрична.

В газах механизм рассеяния проявляется в случае наличия в них жидких каплей; в жидких средах – наличия пузырьков воздуха.

Рассеяние – это возникновение дополнительных волновых полей в результате дифракции ультразвука на препятствиях, находящихся в среде, на неоднородностях среды, а также на неровных (шероховатых) и неоднородных границах среды. Рассеивание имеет место, если препятствия отличаются от среды сжимаемостью или плотностью, или тем и другим.

При наличии рассеивания результирующее волновое поле можно представить в виде суммы первичной ультразвуковой волны (существовавшей в отсутствие препятствия) и рассеянной (вторичной) волны, образовавшейся в результате взаимодействия первичной волны с препятствием (рисунок 27). При этом энергия остается акустической, но уходит из направленно распространяющейся волны в результате отражений от неоднородностей среды.

первичная волна

вторичная волна

Рисунок 27 – Механизм рассеивания на одиночном препятствии

Величина рассеяния характеризуется коэффициентом рассеяния δ_р, который зависит от соотноше­ния длины волны, среднего размера неоднородности и частоты. При λ ≈ D (где D – средняя величина зерна материала) рассеяние очень велико, при λ < (3÷4) D к механизму рассеяния добавляется поглощение, при λ << D ультразвук поглощается в каждом зерне, как в одном большом кристалле, и затухание определяется в основном поглощением.

В ультразвуковой дефектоскопии обычно применяют частоты 0,5–10 МГц, чтобы λ > (10÷15) D. В этом интервале ультразвук слабо рассеивается, и не возникают помехи, связанные с рассеянием на кристаллах.

Вторая причина – поглощение – может быть обусловлена различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, тепловыми колебаниями кристаллической решетки и т.д.

Поглощением называется переход механической энергии ко­лебаний частиц в

тепловую за счет трения. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через нее энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в среде необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Величина поглощения характеризуется коэффициентом поглощения δ _п, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. Коэффициент поглощения δ_п зависит от частоты ультразвуковых колебаний и температуры среды. Чем больше частота УЗК, тем больше потери на переход энергии в тепло. С увеличением температуры все материалы увеличивают вязкость, слабеют упругие свойства, что ведет к росту поглощения.

В газах и жидкостях, не засоренных пузырьками воздуха, взвешенными частицами, затухание определяется только поглощением (рассеяние отсутствует), а коэффициент поглощения в этих средах пропорционален квадрату частоты. У твердых тел коэффициент поглощения пропорционален частоте.

Для одной и той же среды поглощение поперечных волн при f = const меньше, чем продольных. Это обусловлено тем, что поперечные колебания не связаны с изменением объема и потери на теплопроводность отсутствуют.

Обе составляющие затухания создают определенные трудности при ультразвуковом контроле. Поглощение уменьшает амплитуду проходящих сигналов. Для его компенсации следует создавать более мощный зондирующий импульс, а также увеличивать усиление. Гораздо неприятнее рассеяние, так как при эхо-методе оно не только не уменьшает уровень сигналов, отраженных от донной поверхности и дефектов, но и создает многочисленные шумовые импульсы на экране дефектоскопа, связанные с отражениями от граней кристаллов. Эти шумовые сигналы называют «травой». В высокой «траве» может быть потерян сигнал полезный сигнал от дефекта. В борьбе с рассеянием не помогут увеличение мощности зондирующего импульса или усиления дефектоскопа, которые повлекут рост «травы». Помогает переход к более низким частотам. Однако при этом из-за увеличивающейся ширины пучка и растущей длительности импульсов ухудшаются возможности выявления мелких дефектов. Рассеяние поперечных волн выше, чем продольных.

Затухание, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т.е. амплитуда пропорциональна е ^{–δ r}, а интенсивность – е ^{–2δ r}.

Коэффициент затухания δ показывает, на сколько уменьшается амплитуда волны под влиянием затухания при прохождении единицы длины пути и определяет способность среды гасить ультразвуковые волны.

Коэффициент затухания определяется выражением

δ = δ _п + δ _р, [1/м] [dB/м] (25)

где δ _п – коэффициент поглощения.

δ _р – коэффициент рассеяния.

Применяя формулу (26), получим затухание в 1/м, (затухание в 1/м означает, что на расстоянии в 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз, где е ≈ 2,72 – основание натурального логарифма – число Непера), поэтому иногда используют внесистемную единицу Непер на метр (Нп/м), однако ГОСТом она не предусмотрена

δ =δ =[1/м] [Нп/м] (26)

В современной практике акустических измерений затухание ультразвуковых колебаний принято измерять в децибелах на 1 м пути распространения, так как ультразвуковые преобразователи, схемы усиления и регистрации информации чувствительны к интенсивности информативного сигнала, а не к его амплитуде.

Затухание по интенсивности в децибелах рассчитывается по следующей формуле:

δ =[dB/м] (27)

Соотношение между единицами: 1/м = Нп/м = 8,686 dB/м

Измерения затухания в dB/м очень удобно, так как:

– абсолютные значения затухания мощности в реальных средах и материалах незначительны;

– суммарное затухание на сложном пути, состоящего из различных сред и материалов, легко находится в виде суммы: δ₁+ δ₂+ δ₃+...+ δ _i, dB/м.

Коэффициент затухания ультразвуковых колебаний (1/м или dB/м) является одним из важнейших информативных параметров качества сред и материалов.

Значительная часть ультразвуковых приборов неразрушающего контроля качества материалов и изделий построены на принципе измерения затухания пришедших из объекта контроля колебаний или затухания отраженных от дефектов ультразвуковых волн.

1. Какими акустическими свойствами характеризуется упругая среда?

2. Что называется затуханием и по какому закону оно происходит?

3. От каких факторов зависит скорость затухания УЗВ?

4. Что называется акустическим сопротивлением среды?

5. Причины, влияющие на затухание УЗВ?

6. Из каких составляющих состоит коэффициент затухания?

7. Что называется поглощением? Рассеянием?

8. От чего зависит коэффициент поглощения?

9. Какова зависимость коэффициента поглощения от частоты у разных материалов?

10. От чего зависит коэффициент рассеяния?

11. У какой из волн, продольной или поперечной, в одной и той же среде при одной и той же частоте рассеивание больше? Почему?

12. У какой из волн, продольной или поперечной, в одной и той же среде при одной и той же частоте поглощение больше? Почему?

13. Что называется анизотропией?

ЛЕКЦИЯ 5 – Явления на границе раздела двух сред

Если на пути распространения ультразвуковой волны встречается другая среда (с другими акустическими свойствами), то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая отражается в первую среду (рисунок 28).

Рисунок 28 – Нормальное падение УЗ волны на границу раздела двух сред: I _пад – интенсивность падающей волны_; I _отр – интенсивность отраженной волны; I _пр – интенсивность прошедшей волны.

Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами сильно зависит от степени различия акустических сопротивлений этих материалов. Чем больше разница акустических сопротивлений сред, тем меньше доля прошедшей энергии и больше – отраженной(Z ₁ ≠ Z ₂). Инородными называются среды, у которых акустические сопротивления различны, т.е. выполняется условие Z ₁ ≠ Z ₂; среды, у которых Z ₁ = Z ₂ называются однородными.

Процессы отражения и прохождения характеризуются коэффициентом отражения R и коэффициентом прозрачности D, представляющими собой отношения интенсивностей отраженной I _отр и прошедшей через границу I _пр волн к интенсивности падающей волны I _пад.

При падении волны по нормали к границе раздела двух сред:

(28)