Излучение и регистрация УЗ колебаний. Типы волн и особенности их распространения

08.06.2004. . Лекция 1.

Тема    5.1.     Излучение и регистрация УЗ колебаний.Типы волн и особенности их распространения.

Основные характеристики акустических волн.

5.1.1. Акустическая волна.

F

X

T

X-смещение

F –возвращающая сила

Колебание –это периодическое повторение одинаковых или близких по своей природе процессов.

Характеристики колебательного процесса:

T –период (время одного полного колебания)

F=-частота

Акустическая волна –это распространяющееся в пространстве смещение частиц, сопровождающееся переносом энергии.

Модель КО:

 

5.1.2.  Звук иУЗ.

Акустические волны

 

Звуковые (2-20 кГц)                                           УЗ (20 кГц -10Гц)

 

Низкие (20 кГц-10Гц)        Средние (10-10Гц)           высокие (10-10Гц)

5.1.3.  Типы волн.

а). продольная (усл. обозн-l)

Продольная волна –это волна при распространении которой, частицы колеблются вдоль направления распространения волны.

С-скорость рспространения продольной волны.

Продольные волны распространяются в любой среде.

Скорость распространения волны определяется плотностью и упругими свойствами среды.

б). поперечная волна или сдвиговая (t, C)

Поперечная волна – это волна при распространении которой частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.

Всегда С<C            Для стали  С=0,55С      

Поперечные волны распространяются только в твердых средах.

в). поверхностные

частица колеблется одновременно в двух направлениях (частица двигается по эллипсу)

Поверхностная волна распространяется вдоль поверхности твердого тела, при этом частица колеблется как вдоль, так и перпендикулярно направлению распространения волны.

Зависимость интенсивности волны I от глубины поверхности h

            I

h

l

l - максимальная глубина на длине волны

г). нормальные

Нормальные волны распространяются в объектах, размеры которых соизмеримы или меньше чем длина волны (пластины, стержни).

Типы нормальных волн:

симметричная                                                                несимметричная

 

Для нормальных волн характерна дисперсия скорости –зависимость скорости от частоты воздействия и размеров объекта контроля.

5.1.4.  Длина волны.

l

1                            2                            3

Длина волны  -это расстояние между соседними частицами, которые колеблются одинаково.

l=С*T=                    l=              =  или   =

Минимальный размер контролируемого дефекта –не менее длины волны. Для стали: f=2.5 мГц,  С=5900 м/с:        l=2,36 мм это min.

5.1.5.  Затухание УЗ.

В процессе распространения волны в материале контролируемого объекта ее энергия уменьшается за счет двух механизмов

-  поглощения (преобразования механической энергии в тепловую

-  рассеяния (унос энергии из первоначального направления распространения волны из-за переотражения на границе зерен (кристаллов).

d= d+d    Коэффициент затухания равен сумме коэффициентов поглощения и рассеяния. Показывает уменьшение интенсивности на единицу пути .Размерность: ;  ;  . d -зависит и от  материала объекта и от частоты f.

5.1.6.  Понятие о дБ.

Предположим, что есть несколько точек с большым разбросом амплитуды.

    U

1000                                       мкВ

250

240

100     200             400     t

Прологорифмируем все значения относительно U равное 1 мкВ. N=20lg

240 мкВ: N=20lg 240=47 дБ

250 мкВ: N=20lg 250=48 дБ

1000 мкВ: N=20lg 1000=6 дБ

Величины, измеренные в дБ нельзя делить и умножать, а можно складывать и вычитать.

5.1.7.  Акустическое сопротивление.

Запишем выражение для давления, которое создается на данном участке среды при распространении продольной волны.

p=±r·c·v    где r -плотность среды с –скорость распространения продольной волны

v –колебательная скорость частицы.

z=r·c   здесь  z –акустическое сопротивление.( мы записали акустический закон Ома)

Акустическое сопротивление показывает условие распространения волны в данной среде.

5.2.  Отражение и преломление волн на границе раздела.

      5.2.1. Нормальное падение волны. (падение под углом 0º).

Граница между средами сразличными акустическими сопротивлениями незывается границей раздела.

 b                                                     l отр

l пад                   среда с акуст сопр Z

среда с акуст сопр Z

l прош

Для нормального падения характерны:

1). проходит во вторую среду и отражается обратно в первую волна того же типа, что и падающая

2). Все волны распространяются под углом 0º.

Введем коэффициент отражения. R и коэффициент прозрачности D

R=;     D=;

Сумма этих коэффициентов равна 1.      R+D==1:

Запишем  через акустическое сопротивление среды:

R=;      D=

Пример: 1

Найдем коэфф отр сталь –воздух. R -?

                         сталь

                         воздух-

Z=rС=7,8·10·5900=46*10

Z=1,3*330=429

R=0,99998=1

Вывод: все отражается обратно в сталь.

Пример 2:

Z=1000*1500=1,5*10

l                                                R==0,88:

                                                      Сталь

                                                      Вода

Здесь 88% энергии отражается обратно (12% проходит в воду)

Пример 3:

                              l

сталь

                                           шлак (сталь –неплотность)

Z=10*10

R==0,41

Выводы по примерам:

Граница раздела	Z	R	D
Сталь-воздух	429	1	0
Сталь-вода	1,5*10	0,88	0,12
Сталь-шлак	10*10	0,41	0,59

ВЫВОДЫ:

Если акустические сопротивления близки                           Z=Z.то D=1

                              R=0

Если акустические сопротивления сильно различаются:   Z<<Z

или      Z>>Z    D=0

                                                                                                                     R=1

Вывод: С точки зрения выявляемости дефекта, среда дефекта должна сильнее отличаться от среды материала.