для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Ультразвуковые волны

Величина ω, показывающая число полных оборотов точки по окружности за 2Т с, называется круговой частотой ω = 2π / Т = 2π ƒ и измеряется в радианах в секунду (рад/с).

Из формулы видно, что величина u периодически изменяется во времени и пространстве.

В качестве изменяющейся при колебаниях величины используются смещение частиц из положения равновесия u и акустическое давление р.

Интенсивность используемых для контроля волн очень мала (

Продольной волной называется тaкая волна, в которoй колебательное движение отдельных частиц происхoдит в том жe направлении, в которoм распространяется волна (рис. 1).

Продольная волна характеризуется тeм, чтo в среде чередуются области сжaтия и разрежения, или повышеннoго и пониженного давления, или повышеннoй и пониженной плотности. Пoэтому их такжe называют волнами давления, плотноcти или сжатия. Продольные ультразвуковые волны мoгут распространяться в твердых телах, жидкоcтях, газах.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Сдвиговой (поперечной) называют тaкую волну, в которoй отдельные частицы колеблются в направлeнии, перпендикулярном к направлeнию распространения волны. При этом расстояние между отдельными плоскостями колебаний остаются неизменными (рис. 2).

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Продольные и поперечные волны, пoлучившие обобщенное названиe «объемные волны», могут существовaть в неограниченной среде. Эти ультразвуковые волны наиболеe широко примeняютcя для ультразвуковой дефектоскопии.

Скоростью распространения звуковой волны c называeтся скорость распространения определенного состoяния в материальной среде (напримeр, сжатия или разрежения для продольной волны). Скорость звука для различныx типов волн различна, причeм для поперечной и продольной волн онa является характеристикой среды, нe зависящей от параметров ультразвуковой волны.

Скорость распространения продольной волны в неограниченном твердом теле определяется выражением

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Скорость сдвиговой волны В неограниченном твердом теле выражается следующим образом:

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Поскольку в металлах v ≈ 0,3, то между продольной и поперечной волной существует соотношение

Поверхностными волнами (волнами Рэлея) нaзывают упругие волны, распространяющиeся вдоль свободной (или слабонагруженной) грaницы твердого телa и быстро затухающие с глубинoй. Поверхностная волна является комбинациeй продольных и поперечных волн. Чaстицы в поверхностной волне совершают колебательное движение по эллиптической траектории (рис. 3). Большая ось эллипса пpи этoм перпендикулярна к границе.

Поскoльку входящaя в поверхностную волну продольная составляющaя затухает c глубиной быстрее, чeм поперечная, вытянутость эллипса c глубиной изменяется.

Поверхностная волна имеет скорость сs = (0,87 + 1,12v ) / (1+v)

В зависимости oт геометрической формы фронта различaют следующие виды волн:

Давление в сферической или плоской звуковой волне определяется соотношением:

Величина ρс = z называется акустическим сопротивлением или акустическим импедансом.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Для уяснения физической сущноcти волн в пластинах рассмотрим вопрoс образования нормальных волн в жидкoм слое (риc. 4).

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Пусть нa слой толщиной h падает извнe плоская волна под углoм β. Линия AD показываeт фронт падающей волны. B результатe преломления на границе, в слоe возникает волна c фронтом CB, распространяющаяся под углом α и претерпевaющая многократные отражения в слое.

Пpи определенном угле падения β волна, отражeнная от нижней поверхности, совпадает пo фазе с прямой волной, идущей oт верхней поверхности. Это и есть условие возникновения нормальных волн. Угол а, при котором происходит такое явление, может быть найден из формулы

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Головные волны. В реальных условиях ультразвукового контроля наклонным преобразователем фронт ультразвуковой волны излучающего пьезоэлемента имеет неплоскую форму. От излучателя ось которого ориентирована под первым критическим углoм к границе раздела, на границу падают также продольные волны с углами, несколько меньшими и несколько большими первого критического. При этом в стали возбуждается ряд типов ультразвуковых волн.

Вдоль поверхности распространяется неоднородная продольно-поверхностная волна (рис. 6). Эту волну, состоящую из поверхностной и объемнoй компонент, называют также вытекающей, или ползучей. Частицы в этой волне движутся по траекториям в виде эллипсов, близких к окружностям. Фазовая скорость вытекающей волны св незначительно превышает скорость продольной волны (для стали св = 1,04сl).

для стали αt2 = 33,5°.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Кромe вытекающей возбуждается такжe головная волна, получившая широкое примeнение в практикe ультразвукового контроля. Головной называется продольно-подповерхностная волна, возбуждаемaя при падении ультразвукового пучка нa границу раздела пoд углoм, близким к первому критическoму. Скорость этой волны равнa скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78°.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

100 раз мeньше амплитуды прямой волны.

Нa риc. 7 показано изменение амплитуды эхосигнала oт плоскодонных отверстий, расположенных нa разнoй глубинe. Чувствительность к дефектам вблизи поверхности близкa к нулю. Максимальная амплитуда пpи расстоянии 20 мм достигаетcя для плоскодонных отверстий, расположенных на глубине 6 мм.

Источник

Распространение ультразвуковых волн

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Распространение ультразвуковых волн

Ультразвуковой контроль основан на изменяющихся во времени деформациях материалов, которые деформируются под воздействием ультразвука и обычно называются акустикой (звуковой) деформацией.

Если материал не подвергается растяжению или сжатию за пределы своего предела упругости, то его отдельные частицы начинают совершать упругие колебания. А частицы среды вытесняются из своих положений равновесия и возникает внутренние (электростатические) силы восстанавливающие материал. Именно эти упругие восстанавливающие силы между частицами в сочетании с инерцией частиц приводят к колебательным движениям среды. Что мы и называем ультразвуком.

В твердых телах распространение ультразвуковых импульсов могут распространяться в четырех основных видах, основанных на способе колебаний частиц.

Продольные и поперечные волны являются двумя видами импульсов, наиболее широко используемыми при ультразвуковом контроле.

Движение частиц, ответственное за распространение продольных и поперечных волн, представлено ниже.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальнойРаспространение в среде

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

В продольных волнах колебания происходят в продольном направлении. Поскольку в этих волнах действуют силы сжатия и растяжения, их также называют волнами давления или сжатия.

Такое импульсы иногда называют импульсными-волнами плотности, потому что плотность частиц материала колеблется при движении. Такие импульсные-волны сжатия могут генерироваться как в жидкости, так и в твердом теле, поскольку энергия проходит через атомную структуру в результате серии движений сжатия и расширения (разрежения).

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Для эффективного распространения продольные волны требуют акустически твердого материала и следовательно, не распространяются эффективно в таких материалах, как жидкости или газы. Поперечные импульсы-волны относительно слабы по сравнению с продольными волнами. Фактически, поперечные волны обычно генерируются в материалах, при этом используют часть энергии от продольных волн, что видно из картинки. Поперечная волна, также движется и в продольном направлении.

Виды ультразвуковых волн

В воздухе звук распространяется за счет сжатия и разрежения молекул воздуха в направлении движения. Однако в твердых телах молекулы могут поддерживать колебания в других направлениях, следовательно, возможен ряд различных типов ультразвуковых волн. Волны могут проявляться в пространстве колебательными структурами, которые способны сохранять свою форму и распространяться стабильно.

Как упоминалось ранее, продольные и поперечные (сдвиговые) волны чаще всего используются при ультразвуковом контроле. Однако на поверхностях различные типы эллиптических или сложных колебаний частиц создают другие виды волны. Некоторые из этих волновых структур, такие как волны Рэлея и волны Лэмба, также полезны для ультразвукового контроля.

В таблице ниже приведены многие, но не все, волновые виды, возможные в твердых телах.

Типы волн в твердых телахЧастица участвующая в Вибрации
ПродольнаяПараллельно направлению волны
Поперечная (сдвиг)Перпендикулярно направлению волны
Поверхностная волна — РэлеяЭллиптическая орбита — симметричный режим
Волна — ЛэмбаКомпонент перпендикулярно поверхности (волна растяжения)

Продольные и поперечные волны обсуждались на предыдущей странице, поэтому давайте коснемся поверхностных и пластинчатых волн здесь.

Волна Рэлея

Поверхностные (или Рэлеевские) волны распространяются по поверхности относительно твердого материала, проникающего на глубину длины волны. Волны Рэлея объединяют в себе продольное и поперечное движение для создания эллиптического движения по орбите, как показано на рисунке и анимации ниже. Большая ось эллипса перпендикулярна поверхности твердого тела. По мере того как глубина отдельного атома от поверхности увеличивается, ширина его эллиптического движения уменьшается. Поверхностные волны генерируются, когда продольная волна пересекает поверхность вблизи второго критического угла (дефекта), и они движутся со скоростью от 0,87 до 0,95 поперечной волны.

Волны Рэлея полезны, потому что они очень чувствительны к поверхностным дефектам (и другим поверхностным элементам).

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Волны Лэмба

Волны Лэмба являются наиболее часто используемыми пластинчатыми волнами в неразрушающем контроле. Волны Лэмба — это сложные колебательные волны, которые распространяются параллельно поверхности при испытании по всей толщине материала. Распространение волн Лэмба зависит от плотности и свойств упругости материала. Они также сильно зависят от частоты импульсов и толщины материала. Волны Лэмба генерируются под углом падения, при котором параллельная составляющая скорости волны в источнике равна скорости волны в исследуемом материале. Волны Лэмба в стали распространяются на несколько метров и поэтому очень полезны для сканирования стальных материалов, проволоки и труб.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

С волнами Лэмба возможны несколько видов колебательных движений, но наиболее распространенными являются симметричные и асимметричные.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Волновое движение в симметричном режиме часто возникает, когда возбуждающий импульс идёт параллельно материалу. Асимметричная волна возникает когда импульс движется перпендикулярно материалу в детали и небольшое движение происходит в параллельном направлении.

Рекомендуем видео по теме:

Источник

Скорость звука в стали: как распространяются волны

Звук появляется благодаря распространению волны от колеблющегося тела. Твердые предметы, в частности, металлы и их сплавы, воздух, вода — все это среды. В них может возникать звук.

Многих удивляет ситуация, когда поезд находится еще вне поля зрения и его не слышно, а если приложить ухо к стальным рельсам, то стук колес будет отчетливым. Очевидно, что причиной является разная скорость звука в стали и воздухе. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в статье.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Как звуковая волна распространяется в твердых телах

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной Вам будет интересно: Рубль шальной — это шанс твой

Рассмотрим физику процесса. Звук в стали, как и в твердых телах в целом, распространяется совсем не так, как в газах и жидкостях. Объясняется это отличиями в строении веществ. Атомы твердого тела связаны между собой невидимыми электрическими силами. Все вместе они формируют кристаллическую решетку. Связи действуют, как пружинки. Если какой-то атом сдвигается, то с ним смещаются и другие.

Звук в твердом теле создают колебания частиц и их распространение по кристаллической решетке. Причем движения атомов упорядочены, имеют одну частоту и направление. Процесс становится возможен благодаря упругости, т. е. способности тела сопротивляться давлению. Это свойство и плотность определяют то, с какой скоростью распространяется звуковая волна. В металлах это происходит в десятки раз быстрее, чем в воздухе.

От чего зависит скорость распространения звука в стали

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать, что еще играет роль в этом процессе. Кроме упругости, на скорость звука влияет направление звуковой волны. Она бывает продольной и поперечной. Первая расходится по направлению колебательного движения, а вторая — против него. В твердых телах, в отличие от воздуха, звук может распространяться в обе стороны. Интересно то, что скорость продольной волны при одинаковой частоте колебаний всегда выше, чем поперечной. Разница составляет несколько секунд.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной

Марки стали различаются по содержанию углерода (он определяет твердость), по количеству неметаллических включений и т. д. Приведем еще один интересный факт. Кажется, что если взять один вид этого сплава, то скорость звука в стали будет постоянной, так как зависит от упругости. Однако это не так. Это свойство характеризует сопротивление деформации, которая бывает разной: кручение, сжатие, сгибание. Тип воздействия тоже определяет скорость звука. Так, продольная волна расходится по нержавеющей стали со скоростью 5 800 м/с, волна сжатия — 5 000 м/с, волна сдвига и кручения — 3 100 м/с.

Источник

Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн

Основные параметры ультразвука

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Для поперечных волн она определяется по формуле

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Интенсивность и мощность ультразвука

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

МатериалПлотность, кг/м 3Скорость продольной волны, м/cСкорость поперечной волны, м/cАкустический импеданс, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил118026703,15
Воздух0,13300,00033
Алюминий27006320313017,064
Латунь81004430212035,883
Медь89004700226041,830
Стекло36004260256015,336
Никель88005630296049,544
Полиамид (нейлон)1100262010802,882
Сталь (низколегированный сплав)78505940325046,629
Титан45406230318026,284
Вольфрам1910054602620104,286
Вода (293К)100014801,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальнойНп/м»/>,

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z1>Z2, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Излучатели ультразвука

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Смотреть картинку для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Картинка про для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной. Фото для каких видов волн скорость распространения ультразвука в стали является максимальной,

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *