Акустические методы контроля материалов (стр. 1 из 4)

Введение

Упругость - это свойство твердых тел восстанавливать свои форму и объем (а жидкостей и газов - только объем) после прекращения действия внешних сил. Среду, обладающую упругостью, называют упругой средой. Упругие колебания - это колебания механических систем, упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения. Упругие или акустические волны - механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Частный случай акустических волн - слышимый человеком звук, отсюда происходит термин акустика (от греч. akustikos- слуховой) в широком смысле слова - учение об упругих волнах, в узком - учение о звуке. В зависимости от частоты упругие колебания и волны называют по-разному.

Таблица 1 - Диапазоны частот упругих колебаний

Название колебаний и волн	Качественное определение	Частота, Гц
		Физический диапазон	Условный диапазон
Инфразвук	Ниже границы слышимости	Ниже 16-25	Ниже 20
Звук	Диапазон слышимости	От 16-25 до (15-20)*103	20…20*103
Ультразвук	Выше границы слышимости	От (15-20)*103 до 109	20*103…1*109
Гиперзвук	Длина волны меньше длины свободного пробега молекул воздуха	Выше 109	Выше 109

Упругие колебания и акустические волны, особенно ультразвукового диапазона, широко применяют в технике. Мощные ультразвуковые колебания низкой частоты применяют для локального разрушения хрупких прочных материалов (ультразвуковая долбежка); диспергирования (тонкого измельчения твердых или жидких тел в какой-либо среде, например жиров в воде); коагуляции (укрупнения частиц вещества, например, дыма) и других целей. Другая область применения акустических колебаний и волн - контроль и измерение. Сюда относят звуковую и ультразвуковую локацию, ультразвуковую медицинскую диагностику, контроль уровня жидкости, скорости потока, давления, температуры в сосудах и трубопроводах, а также использование акустических колебаний и волн для неразрушающего контроля (НК).

В своей контрольной работе я планирую рассмотреть акустические методы контроля материалов, их типы и особенности.

1. Типы акустических волн

Методы акустического контроля используют волны малой амплитуды. Это область линейной акустики, где напряжение (или давление) пропорционально деформации. Область колебаний с большими амплитудами или интенсивностями, где такая пропорциональность отсутствует, относится к нелинейной акустике.

В неограниченной твердой среде существует два типа волн, которые распространяются с разными скоростями: продольные и поперечные.

Рис. 1 - Схематическое изображение продольных (а) и поперечных (б) волн

Волну u_l называют продольной волной или волной расширения-сжатия (рис. 1. а), потому что направление колебаний в волне совпадает с направлением ее распространения.

Волну u_t называют поперечной или волной сдвига (рис. 1. б). Направление колебаний в ней перпендикулярно направлению распространения волны, а деформации в ней сдвиговые. В жидкостях и газах поперечных волн не существует, так как в этих средах отсутствует упругость формы. Продольные и поперечные волны (их обобщенное название - объемные волны) наиболее широко используют для контроля материалов. Эти волны лучше всего выявляют дефекты при нормальном падении на их поверхность.

Вдоль поверхности твердого тела распространяются поверхностные (волны Рэлея) и головные (ползущие,квазиоднородные) волны.

Рис. 2 - Схематическое изображение волн на свободной поверхности твердого тела: а - рэлеевский, б - головной

Поверхностную волну успешно применяют для выявления дефектов вблизи поверхности изделия. Она избирательно реагирует на дефекты в зависимости от глубины их залегания. Дефекты, расположенные на поверхности, дают максимальное отражение, а на глубине больше длины волны практически не выявляются.

Квазиоднородная (головная) волна почти не реагирует на поверхностные дефекты и неровности поверхности, в то же время с ее помощью можно обнаружить подповерхностные дефекты в слое, начиная от глубины порядка 1... 2 мм. Контролю тонких изделий такими волнами мешают боковые поперечные волны, которые отражаются от противоположной поверхности ОК и дают ложные сигналы.

Если между собой граничат две твердые среды (рис. 3, в), модули упругости и плотности которых не сильно отличаются, то вдоль границы распространяется волна Стоунли (или Стонсли), Такие волны находят применение для контроля соединения биметаллов.

Поперечные волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух сред и имеющие горизонтальную поляризацию, называют волнами Лява. Они возникают, когда на поверхности твердого полупространства имеется слой из твердого материала скорость распространения в котором поперечных волн меньше, чем в полупространстве. Глубина проникновения волны в полупространство возрастает с уменьшением толщины слоя. В отсутствие слоя волна Лява в полупространстве превращается в объемную, т.е. в плоскую, горизонтально поляризованную, поперечную волну. Волны Лява находят применение для контроля качества покрытий (плакировок), наносимых на поверхность.

Рис. 3 - Волны на границе двух сред: а - затухающая рэлеевского типа на границе твердое тело - жидкость, б - слабозатухающая на той же границе, в - волна Стоунли на границе двух твердых тел

Если твердое тело имеет две свободные поверхности (пластина), то в нем могут существовать специфические типы упругих волн. Их называют волнами в пластинах или волнами Лэмба и относят к нормальным волнам, т. е. волнам, бегущим (переносящим энергию) вдоль пластины, слоя или стержня, и стоячим (не переносящим энергии) в перпендикулярном направлении. Нормальные волны распространяются в пластине, как в волноводе, на большие расстояния. Их успешно применяют для контроля листов, оболочек, труб толщиной 3... 5 мм и менее.

Также выделяют особый вид волн – ультразвуковые волны. Они по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

2. Преломление, отражение, дифракция, рефракция акустических волн

Преломле́ние - явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела двух прозрачных (проницаемых для этих волн) сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Преломление звука - изменение направления распространения звуковой волны при её прохождении через границу раздела двух сред.

При падении на границу раздела двух однородных сред (воздух – стена, воздух – водная поверхность и т.д.) плоская звуковая волна может частично отражаться и частично преломляться (проходить во вторую среду.

Необходимым условием для преломления является различие скоростей распространения звука в обеих средах.

По закону преломления, преломленный луч (OL") лежит в одной плоскости с падающим лучом (OL) и нормалью к поверхности раздела сред, проведенной в точке падения O. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β равно отношению скоростей звуковых волн в первой и второй средах C₁и C₂ (закон Снеллиуса):

sinα/sinβ=C₁/C₂

Из закона преломления следует, что чем выше скорость звука в той или иной среде, тем больше угол преломления.

Если скорость звука во второй среде меньше, чем в первой, то угол преломления будет меньше угла падения, если же скорость во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения.Если удельное акустическое сопротивление обеих сред близки друг к другу, то почти вся энергия перейдёт из одной среды в другую.

Важной характеристикой среды является удельный акустический импеданс, определяющей условия преломления звука на ее границе. При нормальном падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред величина коэффициента преломления определяется только отношением акустических импедансов этих сред. Если акустические импедансы сред равны, то волна проходит границу без отражения. При нормальном падение волны на границу двух сред коэффициент прохождения W волны определяются только акустическими импедансами данных сред Z₁=ρ₁С₁ и Z₂=ρ₂С₂. Формула Френеля (для нормального падения) имеет вид:

W=2Z₂/(Z₂+Z₁).

Формула Френеля для волны падающей на границу раздела под углом:

W=2Z₂cosβ/(Z₂cosβ+Z₁cosα).

ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА - явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, из которой пришла падающая волна. Как правило, отражение звукасопровождается образованием преломлённых волн во второй среде. Частный случай отражения звука- отражение от свободной поверхности. Обычно рассматривается отражение на плоских границах раздела, однако можно говорить об отражении звука от препятствий произвольной формы, если размеры препятствия значительно больше длины звуковой волны. В противном случае имеет место рассеяние звука или дифракция звука.