2015-04-12
7333
Билет №1
Физические основы ультразвуковой дефектоскопии
ПОНЯТИЕ ОБ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ И ВОЛНАХ
· Акустическими волнами называют распространяющиеся в упругой среде механические колебания частичек среды.
При движении волны частицы не перемещаются, а совершают колебания около своих положений равновесия.
· Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны 
.
Длина волны связана со скоростью распространения С и частотой f (или периодом Т) соотношением
где: - длина волны [м]; С –скорость распространения [м/с];
Т – период [с]; f – частота [Гц].
Например для воздуха: С = 330 м/с
f = 20 Гц ® = 16,5 м;
f = 20000 Гц ® = 1,65 см;
f = 20000000 Гц ® = 0,165 мм;
В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны различают: продольные, поперечные, поверхностные и нормальные волны (волны в пластинах).
В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны. Колебания могут распространяться в твердой, жидкой и газообразных средах.
Если направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения, то такие колебания называются поперечными (или сдвиговыми). Они могут распространяться только в среде, которая обладает упругостью формы.
Продольные и поперечные волны могут распространяться в чистом виде только в неограниченной среде (¥ или ¥/2) или в теле, размеры которого в направлениях, не совпадающих с направлением распространения волны, значительно превышают длину последней. Схематично продольные и поперечные волны представлены на рис. 1.
Рис. 1 Распространение продольных и поперечных волн
На свободной поверхности могут распространяться поверхностные волны (волны Рэлея). В поверхностной волне частицы одновременно совершают колебания в направлении распространения и перпендикулярно ему, описывая эллиптические или более сложные траектории. Амплитуда колебание по мере удаления от поверхности вглубь убывает по экспоненте, поэтому волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной в одну – полторы длины волны и следует изгибам поверхности рис. 2.
Рис. 2 Распространение поверхностных волн
При распространении волны в плоских телах с постоянной толщиной (листах, тонких пластинках, проволоке) могут возникать нормальные волны или Волны Лэмба. При этом частицы совершают колебания по таким же траекториям, как в поверхностной волне, но на всю толщину листа, пластины оболочки. Обычно возникают и распространяются независимо две нормальные волны симметричная (волна сжатия или растяжения) и антисимметричная (волна изгиба) рис. 3.
Рис. 3 Волны в пластинах
а - симметричная, б - ассиметричная
Скорости распространения продольной, поперечной и поверхностной волн определяется упругими свойствами материала (модулями упругости и сдвига, коэффициентами Пуассона) и его плотностью. Скорость распространения нормальных волн в отличие от скорости распространения других типов волн зависит не только от свойств материала, но и от частоты звуковых колебаний и толщины изделия.
Сl >Сt >СS; Сt ~ 0,55 Cl СS ~ 0,93 Сt.
Акустические волны различают также по форме фронта волны или волновой поверхности.
· Фронт волны это геометрическое место точек среды, в которых в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и то же значение.
Если в среде распространяется кратковременное возмущение (импульс), то фронтом волны называется граница между возмущенной и невозмущенной областями среды.
Фронт или волновая поверхность непрерывно перемещается в среде и при этом деформируется. В неограниченной изотропной среде распространение упругих волн имеет пространственный характер, и, в зависимости от формы фронта, волны могут быть плоскими, сферическими и цилиндрическими рис 4.
Рис. 4 Плоские, сферические, цилиндрические волны
· Плоские волны возбуждаются пластинкой, если ее поперечные размеры намного превосходят длину волны. Волновые поверхности плоской волны имеют вид параллельных плоскостей.
· Сферические волны возбуждаются точечным источником или колеблющимся шаровым телом, размеры которого малы. Волновые поверхности сферической волны имеют вид концентрических сфер.
· Цилиндрические волны возбуждаются цилиндрическим телом (стержень, цилиндр и т.д.) длина которого значительно его поперечных размеров. Волновые поверхности имеют вид концентрических цилиндров.
На очень больших расстояниях сферические и цилиндрические волны переходят в плоские.
В зависимости от частот различают следующие волны:
· Инфразвуковые f= до 16-20 Гц;
· Звуковые f= 16 – 20000 Гц;
· Ультразвуковые f=20 кГц – 1000 Мгц;
· Гиперзвуковые f> 1000 Мгц.
Для целей дефектоскопии используются волны различных диапазонов:
Звуковой f=1-8 кГц;
Ультразвуковой f= 20 кГц – 50 Мгц;
В настоящее время ведутся работы и удается получать частоты до 1000 МГц.
Длина волны гиперзвуковых колебаний сравнима с длиной волны видимых световых волн. Это делает их похожими по своим свойствам со свойствами световых лучей, поэтому многие задачи рассматриваются с точки зрения геометрической акустики.
· Геометрическая акустика – упрощенная теория распространения звука, пренебрегающая дифракционными явлениями.
Геометрическая акустика основана на представлении о звуковых лучах, вдоль каждого из которых звуковая энергия распространяется не зависимо от соседних лучей. В однородной среде звуковые лучи – прямые линии.
С математической точки зрения геометрическая акустика есть предельный случай волновой теории распространения звука при стремлении длины волны к 0 и в этом отношении аналогична геометрической оптике в теории распространения света.
Коротковолновые УЗ - колебания распространяются в виде направленных лучей. Как и световые лучи они могут отражаться, преломляться, фокусироваться, интерферировать, при чем не только сами с собой, но и со светом, испытывать дифракцию и затухать по мере распространения.
Длина волны гиперзвуковых волн может стать сравнимой с размерами атомов. В этом случае начинается проявляться квантовый характер такой волны и, по аналогии со световым потоком, такой поток звуковой энергии оказывается возможно рассматривать в виде потока частиц (фононов), которые взаимодействуют уже не с конечными объемами вещества или кристаллами, а уже с электронами атома. При этом возникают различные эффекты такого взаимодействия, которые позволяют изучать более широкий круг физических характеристик материалов.
С другой стороны инфразвуковые волны обладают большими длинами, проходят на большие расстояния, что позволяет контролировать физические свойства больших массивов вещества (напр. в геологоразведке).
Акустические волны ультразвукового диапазона обладают свойствами очень сильно отражаться от границы твердое тело – воздух. Расчеты показывают, что слои воздуха толщиной 10-5 мм и более при f= 5 Мгц происходит 100% отражение посланной энергии, при толщине слоя <10-5 мм отражение составляет ~ 90%, а слой толщиной 10-6 мм отражает ~ 80% посланной энергии. Благодаря этому свойству УЗ - колебания эффективно отражаются от трещин, воздушных полостей и т.д., что позволяет их легко обнаружить.
Все выше сказанное привело к широкому распространению акустических методов контроля качества материалов и изделий.
Колебание — это движение вокруг некоторого среднего положения, обладающее повторяемостью (например колебание маятника). Любое колеблющееся тело стремится к положению равновесия.
Волны — колебательные движения, распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки передаются соседней и т.д.
Звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде (воздухе, воде, твердых телах).
Инфразвук < 16 Гц
Звук 16 – 20000 Гц
Ультразвук 20000 – 109 Гц
Гиперзвук >109 Гц
Тепловые колебания >1012 Гц
1кГц = 103 Гц, 1мГц = 106 Гц
В ультразвуковой дефектоскопии используются частоты от 0,6 до 10 МГц.
Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым.
Волново́й фронт — это совокупность частиц, до которых дошли колебания к данному моменту времени. По геометрии фронта различают сферические (например, звуковая волна на небольшом расстоянии от точечного источника звука), цилиндрические (например, звуковая волна на небольшом расстоянии от источника звука, представляющий собой длинный цилиндр малого диаметра), плоские волны (плоскую волну может излучать бесконечная колеблющаяся пластина).
 |
Ультразвуковые волны характеризуются следующими параметрами:
1) Длина волны λ (м) – это расстояние между двумя частицами среды, находящимися в одном колебательном состоянии.
2) Амплитуда А (Дб) – это максимальное отклонение колеблющейся частицы от состояния покоя.
3) Частота f (Гц) – это количество полных колебаний частиц среды в единицу времени.
4) Период Т (с) – это время одного полного колебания частицы.
1Гц = 1с-1
5) Распространение волны происходит с определенной скоростью, которую называют скоростью ультразвуковой волны С (м/с). Скорость звука – это физическая константа среды, которая зависит только от её свойств. Скорость звука нельзя изменить за счет частоты или длины волны.
Головной называется продольно - подповерхностная волна. Её скорость равна скорости продольной волны. Головная волна нечувствительна к неровностям поверхности и реагирует лишь на дефекты, залегающие под поверхностью. Эти волны применяют для выявления дефектов под наплавкой, резьбой.
Для всех перечисленных волн скорость не зависит от частоты. Она зависит от модуля объемной упругости (модуля Юнга) и плотности среды В ограниченных твердых телах (пластинах, стержнях, поперечные размеры которых превосходят длину волны не более чем в 2-3 раза, существуют волны в пластинах (нормальные волны или волны Лэмба) и в стержнях (Похгаммера). Скорость их распространения изменяется в зависимости от частоты(явление дисперсии), упругих свойств материала и поперечных размеров пластины или стержня. Нормальные волны (волны Лэмба) могут распространяться в тонких листах или изделиях с толщиной, соизмеримой с длиной волны. Они заполняют всю толщину пластины. Нормальные волны применяют для УЗК тонких листов, оболочек, а волны в стержнях — для контроля проволоки.
