Причины ослабления звуковых волн в среде

Амплитуда и интенсивность упругих волн уменьшается по мере их распространения. Существуют следующие основные причины ослабления волн: расхождение лучей и затухание. Ослабление из-за расхождения лучей происходит потому, что часть лучей пучка не достигает приемника. Ослабление из-за расхождения лучей увеличивается с пройденным волной расстоянием. Уменьшение амплитуды сферических волн пропорционально , где Z - пройденное расстояние, цилиндрических - пропорционально . В плоских волнах расхождения лучей нет.

Ослабление амплитуды волн из-за затухания пропорционально , где число е 2,73, - коэффициент затухания. Коэффициент затухания складывается из коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния : .

Поглощение - это преобразование энергии упругих волн в другие виды энергии, в первую очередь в тепло. Рассеяние связано процессами преломления, отражения волн на границах кристаллов, зерен или включений в неоднородных материалов, а также огибанием волнами этих внутренних неоднородностей. Коэффициенты , и измеряются в [ Нп/м и Нп/см]. В технике часто используют единицы [дБ/м и дБ/см]:

[дБ/см ] = 8,69 [Нп/см ].

В таблице 3.1 сведены формулы для расчета амплитуды A(z) и мощности P(z) волны, прошедшей расстояние z. A₀и Р₀ - начальные амплитуда и мощность.

 

Таблица 3.1 – Формулы для расчета амплитуды и мощности волны

Тип волны	Плоская	Цилиндрическая	Сферическая
Амплитуда
Мощность

Причины затухания

 

Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере её распространения в среде. Основными причинами затухания являются:

· убывание амплитуды волны с удалением от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника (расхождение волны);

· рассеяние звука на неоднородностях среды, которое приводит к уменьшению потока звуковой волны в первоначальном
направлении;

· необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло, т.е.поглощение звука.

Первая из этих причин связана с тем, что звуковая энергия
точечного источника (или любого источника конечных размеров) распределяется при расхождении волны на все увеличивающуюся
поверхность волнового фронта, что приводит к уменьшению интенсивности звука.

Волновой фронт – граничная область между средой пространства, вовлеченной в звуковые колебания и средой пространства, находящейся в состоянии покоя.

В области волнового фронта частицы среды колеблются в одинаковой фазе.

Расхождение зависит от формы волнового фронта.

Для сферической волны расхождение происходит в трех измерениях, что обуславливает максимальное ослабление волны.

А₀~1/х, где х – расстояние от волнового фронта до источника звуковых волн.

В случае цилиндрической волны расхождение происходит в двух измерениях, что обуславливает меньшее ослабление волны, чем в случае сферической волны.

А₀=1/Öх

Плоский волновой фронт – расхождение не происходит, ослабление за счет расхождением отсутствует.

Рассеяние звука происходит на границах неоднородностей среды (например, микровключения, кристаллиты в поликристалле), что
особенно заметно в случае неоднородностей, размеры которых
сравнимы с длиной волны (область Релеевского рассеяния). Здесь
затухание ультразвука при неизменной частоте оказывается пропорционально четвертой степени d _ср (статистический размер зерна). Эта закономерность положена в основу определения структуры поликристаллических металлов и изделий из них. Кроме того, чем больше упругая анизотропия вещества (упругая анизотропия – это различие в скоростях распространения звука в кристалле вдоль различных кристаллографических направлений), тем больше частичное отражение, преломление, трансформация типов волн на границах кристаллит-кристаллит и, следовательно, больше рассеяние.

Так ультразвук сильно затухает в меди, аустенитной коррозионно-стойкой стали. Малой упругой анизотропией характеризуются вольфрам и алюминий. Альфа-железо и углеродистая сталь относятся к промежуточным материалам в отношении величины упругой анизотропии и рассеяния. Материалы, состоящие из разнородных частиц (бетон, гранит, чугун), характеризуются большим рассеянием.

В однородных жидкостях и газах рассеяние отсутствует, а коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В аморфных твердых телах (например, стекле) и монокристаллах рассеяние тоже отсутствует. В поликристаллических телах присутствует как поглощение, так и рассеяние.

В большинстве поликристаллических твердых тел основную роль в затухании играет рассеяние. Среда содержит зерна или включения, плотность и акустический импеданскоторых отличается от окружения. Так, в чугунах содержатся включения графита. В стали зерна сохраняют кристаллическое строение. Скорость УЗВ зависит от направления падающей волны по отношению к осям кристалла. Чем сильнее эта зависимость, то есть упругая анизотропия, тем сильнее влияние рассеяния. Так анизотропия (и рассеяние) велики в медных сплавах (латуни), но значительно меньше в алюминиевых. В сталях рассеяние сильно сказывается на распространении волн в нержавеющей аустенитной стали, в аустенитных сварных швах.

>>d – рассеяние отсутствует.

~ d – происходит рассеяние.

<<d – коэффициент рассеяния максимальный и не изменяется.

Поглощение звука – преобразование энергии звуковой волны в другие виды энергии. На пример: в тепло. Может быть обусловлено различными механизмами.

Большую роль играет теплопроводность среды, взаимодействие волны с тепловыми колебаниями решетки и др.

Поглощение появляется тогда, когда среда недостаточно упругая. Оно отсутствовал бы в абсолютно упругой среде.

Абсолютно упругая среда – среда, колеблющаяся без потерь энергии. На самом деле таких сред не существует, поэтому поглощение наблюдается и в этой среде.

Причины потерь энергии – явление трения, пластичной деформации, также сил электромагнитного взаимодействия.

3.2 Способы измерения скорости и коэффициента затухания волны

Измерение скорости и коэффициента затухания упругих волн состоит визмерении времени задержки и амплитуды импульсов, прошедших разное расстояние в объекте контроля. Методики обработки результатов измерения различны, в зависимости от того, какие волны используются, продольные или поперечные и в зависимости от типа волнового фронта.

Рассмотрим сначала методику определения параметров плоских продольных волн. В этом случае используется прямой преобразователь, схема измерения и изображение на экране дефектоскопа показаны на рисунке 3.1.

Скорость звука – расстояние, пройденное волной за единицу времени.

С = х/t (3.1)

 

Рассмотрим явление ослабления волны на примере дискообразного излучателя.

Рисунок 3.2 - Дискообразный излучатель

 

Плоский фронт – фронт Френеля.

Начиная с некоторого расстояния, волна стремится принять сферическую форму, так как при таком распределении будет минимум потерь энергии в целом.

Сферический фронт – фронт Фраунгофера.

Область, в которой волна имеет сферический волновой фронт – область Фраунгофера или дальняя зона.

Область, в которой волна имеет плоский волновой фронт – область Френеля или ближняя зона.

Размер ближней зоны зависит от диаметра излучателя и его формы.

так как для диска

Для квадратного излучателя

где а- сторона квадрата.

Рассмотрим явление затухания ближней и дальней зон.

Из таблицы 2 выбираем формулу для ослабления амплитуды плоских волн. Амплитуда импульсов равна

(импульс прошел 4 толщины Н)

(импульс прошел 2 толщины Н)

Разделим А₂ на A₁ и прологарифмируем. Получаем

(3.4)

Здесь результат получается в Нп/м. В данном случае получена формула коэффициента затухания для ближней зоны, так как Х_б≥h.

Если Х_б <h – дальняя зона, в этом случае коэффициент затухания рассчитывается по формуле

(3.5)

 

Метод определения скорости звука продольных волн:

Рисунок 3.1 - Схема прозвучивания эталона и показания УЗ-дефектоскопа

Х = 2h

Между 1-м и 2-м эхо-импульсами волна прошла две толщины изделия. Разность времени t _дон- t _зад = 2h/C_l. Отсюда скорость продольных волн

(3.2)

t_зад = 2*t_дон1- t_дон2 (3.3)

 

---

Дата добавления: 2016-01-05; просмотров: 211; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!