Открытие явления пьезоэффекта

ЗАДАЧА

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. От каких факторов зависит распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами при падении волны по нормали к границе раздела двух сред?

2. Что представляет собой акустическое сопротивление среды?

3. Какие среды называют инородными? Однородными?

4. Чем характеризуются процессы отражения и прохождения при падении волны по нормали к границе раздела двух сред?

5. Написать формулы коэффициента отражения и прохождения.

6. Как связаны между собой коэффициент отражения R и коэффициент прохождения D?

7. Какие значения коэффициентов отражения R и прозрачности D разных материалов при нормальном падении продольной волны вы знаете?

8. В каком случае инородная среда в контролируемом объекте является звукопрозрачной?

9. Почему между преобразователем и контролируемым изделием при контактном контроле нужна контактная жидкость?

10. Опишите процессы, происходящие при падении волны наклонно к границе раздела двух сред?

11. Что называется отражением? преломлением? трансформацией?

12. В каком случае не происходит трансформация волн при падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред?

13. Опишите процессы, происходящие при наклонном падении волны на границу раздела двух сред в общем случае?

14. Для чего нужна призма между пьезоэлементом и контролируе­мой деталью?

15. Опишите процессы, происходящие при наклонном падении волны на границу раздела двух сред под первым критическим углом?

16. Что называется первым критическим углом? Чему он равен?

17. Опишите процессы, происходящие при наклонном падении волны на границу раздела двух сред под вторым критическим углом?

18. Что называется вторым критическим углом? Чему он равен?

19. Какие преобразователи нашли применение в практике рельсовой дефектоскопии и почему?

20. В чем разница между углами α и β?

21. Опишите процессы, происходящие при наклонном падении волны на границу раздела двух сред под третьим критическим углом?

22. Какие законы отражения и преломления вы знаете?

23. Как получить закон Снеллиуса?

1 Рассчитать коэффициент отражения R и коэффициент прохождения D при нормальном падении продольной волны на границу: а) сталь – воздух; б) сталь – вода; в) оргстекло – сталь. Недостающие данные взять из таблицы 2.

2 Запишите аналитическое выражение для определения коэффициента отражения по энергии при нормальном падении звуковой волны через импедансы сред.

3 Запишите аналитическое выражение для определения коэффициента прозрачности по энергии при нормальном падении звуковой волны через интенсивность волн.

4 Определите второй критический угол для границы капролон – сталь. Скорости звука в углеродистой стали – продольная волна 5850 м/с, поперечная 3230 м/с, в капролоне – продольная 2640 м/с, поперечная – 1119 м/с.

5 Определите первый критический угол для границы оргстекло – сталь. Скорости звука в углеродистой стали – продольная волна 5850 м/с, поперечная – 3230 м/с, скорость звука в оргстекле – продольная волна 2670 м/с, поперечная – 1120 м/с.

6 Определите третий критический угол для границы сталь – воздух. Недостающие данные взять из таблицы 2.

ЛЕКЦИЯ 6 – Дифракция

Рисунок 43 - Дифракция

Дифракция волн (лат. diffractus – буквально разломанный, переломанный) – явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Первоначально понятие дифракции относилось только к огибанию волнами препятствий в случае λ˃b (рисунок 43), но в современном, более широком толковании, с дифракцией связывают широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн).

Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях – как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определенном направлении; в разложении волн по их частотному спектру; в преобразовании поляризации волн; в изменении фазовой структуры волн.

В основе большинства способов контроля, которые применяются в прак­тической ультразвуковой дефектоскопии, лежит использование законов так называемой геометрической оптики. Это означает, что звуковые лучи распро­страняются по прямым линиям, а если попадают на границу раздела, то на ней происходят явления, описываемые законом Снеллиуса. Однако сущест­вуют такие области на границах раздела двух сред (в частности, области на несплошностях в объекте контроля), а также такие условия взаимодействия волны с объектом, когда возникающие явления невозможно объяснить толь­ко законами геометрической оптики. Так, если при распространении колеба­ний на их пути встречается звуконепроницаемое препятствие, то по законам геометрической оптики за препятствием должна возникнуть область, куда не проникает звуковое поле, то есть область звуковой тени. Однако на самом деле, в зависимости от соотношения размеров этого препятствия и длины волны на некотором расстоянии за препятствием в области геометрической тени обнаруживаются звуковые волны, то есть звук как бы огибает преграду. Это свойство звуковых волн представляет собой одно из проявлений особен­ности волновых процессов, получившее название «дифракция».

Для объяснения этого явления воспользуемся принципом Гюйгенса, в соответствии с которым каждую частицу среды, колеблющуюся в первич­ной волне, можно рассматривать как точечный источник, излучающий вто­ричную элементарную сферическую волну. Результирующей бесконечного числа таких элементарных сферических волн, дающей фактически сущест­вующую волну, является огибающая всех вторичных волн.

Так, если плоская волна встречает на своем пути звуконепроницаемую преграду с точечным отверстием, то она распространяется по другую сто­рону преграды в виде сферических волн, расходящихся от этого отверстия, как от нового точечного источника (рисунок 44, а).

Если на пути распростране­ния колебаний имеется препятствие, то колеблющиеся частицы среды, рас­положенные по краям препятствия, создают сферические волны, которые формируются в зоне геометрической тени препятствия. Дифракция проявляется в очень сильной степени, если размеры преграды невелики по сравнению с длиной звуковой волны. Если размеры препятствия равны длине волны или меньше ее, то лучи огибают препятствие, несколь­ко рассеиваются и значительного отражения в этом случае не наблюдается (рисунок 44, б).

Рисунок 44 – К пояснению понятия дифракции: а - прохождение ультразвуковых колебаний через малое отверстие; б - огибание препятствий с заходом волн в область геометрической тени

В общем случае в современной ультразвуковой дефектоскопии под дифракцией понимают такие особенности распространения волн и их взаимодействия с границами разделов, которые не могут быть объяснены законами геометрической оптики. Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны.

Для практической дефектоскопии наибольшее значение имеют дополнительно три слу­чая дифракции.

1. Дифракция первого типа возникает при взаимодействии волны с ос­трыми краями несплошностей, в частности, с краями трещин (рисунок 45, а). В этом случае край трещины становится вторичным излучателем, каждый элемент которого является точечным источником, возбуждающим сфери­ческую волну. Вследствие этого трещина, даже неблагоприятно ориентиро­ванная по отношению к ультразвуковому лучу, при достаточной чувстви­тельности может быть выявлена при контроле.

а) б) в)

Рисунок 45 – Типы дифракции в твердых телах

2. Второй тип дифракции имеет место в тех зонах объектов, в которых лучи касаются гладких поверхностей (рисунок 45, б). В этом случае формиру­ются волны, огибающие поверхности тел, которые в свою очередь порожда­ют дифракционные волны соскальзывания. Существуют методики, исполь­зующие этот тип дифракции для измерения периметра объемных дефектов. При этом сравнивается время прохождения сигнала, отраженного от не­сплошности, и дифрагированного сигнала, обежавшего часть несплошнос­ти и соскользнувшего с нее.

3. Третьим типом дифракции называют явления, возникающие при па­дении волн на границу раздела двух сред или на свободную границу среды под первым, вторым или третьим критическими углами (рисунок 45, в). При этом образуются головные волны, которые в свою очередь порождают се­мейство дифракционных боковых волн в обеих средах.

Волны, обусловленные дифракцией, всегда присутствуют в контроли­руемом объекте. При отражении от плоскостных либо объемных дефектов возникают краевые волны, или волны обегания-соскальзывания, или го­ловные и боковые волны. Чаще всего возникает совокупность дифрагиро­ванных волн нескольких типов. Вблизи свободной поверхности головные и боковые волны также присутствуют всегда, поскольку, под каким бы углом волны ни излучались в твердое тело, вследствие конечных размеров преоб­разователей всегда найдутся лучи, которые направлены вдоль и вблизи сво­бодной поверхности. Однако при реализации обычных методов контроля, когда принимаемый сигнал соответствует геометрическому отражению от дефектов, импульсы дифрагированных волн вследствие неоптимального их излучения и приема пренебрежимо малы и не принимаются во внимание. Знание законов распространения дифраги­рованных волн позволяет решить ряд задач ультразвукового контроля, ко­торые традиционными методами ультразвуковой дефектоскопии решить крайне сложно. К ним можно отнести определение типа дефекта и измерение его размеров, выявление сигналов на фоне шума в некоторых сварных швах, измерение глубины закаленных слоев и др.

ЛЕКЦИЯ 7 – Излучение и прием УЗВ. Пьезоэффект

В 1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.

В 1880 г. французские физики, братья Пьер и Жак Кюри, заметили, что при сжатии и растяжении кристалла кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Если на пластинку кварца нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластинки возникает электрическое напряжение. При растяжении пластинки также получается напряжение, причем той же величины, но противоположного знака. Это явление получило название прямой пьезоэффект. Пьезоэффект получил свое название от греческого «пьезо» – «давлю», а материалы со свойствами пьезоэффекта стали называться пьезоэлектриками.