АКУСТИЧЕКИЕ СВОЙСТВА СРЕД

АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

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:

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 в теле, размеры которого в направлениях, не совпадающих с направлением распространения волны, значительно превышают длину последней.

На свободной поверхности могут распространяться поверхностные волны (волны Рэлея). В такой волне частицы одновременно совершают колебания в направлении распространения и перпендикулярно ему, описывая эллиптические сложные траектории. Амплитуда колебание по мере удаления от поверхности вглубь убывает по экспоненте, поэтому волна локализована в поверхностном слое толщиной в 1 - 1,5 длины волны и следует изгибам поверхности рисунок.

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) рисунок 4.

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.

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 могут быть плоскими, сферическими и цилиндрическими.

Примечание.

1. Коэффициент Пуассона - характеризует упругие свойства материала. При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться, а поперечное сечение уменьшается. Коэффициент показывает, во сколько раз изменяется поперечное сечение деформируемого тела при его растяжении или сжатии. ,

2. Модуль упругости (Юнга) - коэффициент, характеризующий сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

,

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 до 16-20 Гц;

· Звуковые 16 ¸ 20000 Гц;

· Ультразвуковые 20 кГц ¸ 1000 Мгц;

· Гиперзвуковые f свыше 1000 Мгц.

Для целей дефектоскопии используются волны различных диапазонов:

· Звуковой l¸8 кГц;

· Ультразвуковой 20 кГц ¸ 50 Мгц;

АКУСТИЧЕКИЕ СВОЙСТВА СРЕД

КОЭФФИЦИЕНТ ЗАТУХАНИЯ

При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии энергия остается звуковой, но уходит из направленно распространяющейся волны.

Поглощение обусловлено вязкостью, упругим гистерезисом(т. е. различной упругой зависимостью при расширении и сжатии) и теплопроводностью (Расширение или сжатие элементарного объема сопровождается изменением температуры, что способствует потере энергии колебаний). Рассеяние происходит из-за наличия в среде неоднородностей, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Различие в волновых сопротивлениях приводит к отражению волн.

Поиск по сайту: