Ххх. Учебное пособие Капранов Б. И., Коротков М. М., Короткова И. А. Издательство Томского политехничекого университета 2004
 Скачать 4.67 Mb.
|
2.2. Акустические свойства средЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛННезависимо от типа волн, все они характеризуются важным параметром – звуковая энергия. Полная энергия звуковой волны складывается из кинетической энергии движения частиц среды и внутренней энергии. Плотность кинетической энергии равна  В бегущей волне плотность внутренней энергии равна плотности кинетической энергии, поэтому полная плотность энергии равна  Измеряется в  .Тогда плотность потока энергии звуковой волны равна  Измеряется в  Среднее значение энергии за период называют интенсивностью или силой звука. Для плоской бегущей гармонической волны интенсивность равна  Величина  называется акустическим давлением звуковой волны и измеряется в  Для УЗ дефектоскопии большое значение имеет удельное волновое сопротивление среды или импеданс, которое выражается как  Измеряется в  КОЭФФИЦИЕНТ ЗАТУХАНИЯОслабление амплитуды плоской гармонической волны в результате взаимодействия ее со средой происходит по закону  , где х - путь в среде, а - коэффициент затухания. В дальнейшем термин «затухание» будем относить только к ослаблению, учитываемому экспоненциальным множителем, в отличие от уменьшения амплитуды, связанного с расширением волнового фронта, например, в сферической волне.Величина, обратная коэффициенту затухания, показывает, на каком пути амплитуда волны уменьшается в е раз, где е - число Непера, поэтому размерность коэффициента затухания м-1 В литературе иногда эту единицу записывают непер/м (Нп/м), однако ГОСТом такая единица не предусмотрена. Часто коэффициент затухания выражают числом N отрицательных децибел, на которое уменьшается амплитуда волны на единичном участке пути  , поэтому  .Коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения  и рассеяния   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. Последний механизм поглощения связан с тем, что процесс распространения акустической волны считают адиабатическим. Расширение или сжатие элементарного объема сопровождается изменением температуры, но они настолько кратковременны, что процесс выравнивания температуры можно не учитывать. В действительности теплопроводность существует и способствует потере энергии колебаний. Существуют также другие механизмы поглощения, проявляющиеся при более высоких частотах, чем применяют в акустическом контроле. Рассеяние происходит из-за наличия в среде неоднородностей (с отличным от среды волновым сопротивлением), размеры которых соизмеримы с длиной волны. Различие в волновых сопротивлениях приводит к отражению волн. Малые размеры и большое число неоднородностей обусловливают статистический характер процесса рассеяния. Такими неоднородностями могут быть, например, капли воды в газе, взвешенные частицы или пузырьки воздуха в воде. В газах и жидкостях, не засоренных инородными частицами, рассеяние отсутствует и затухание определяется поглощением. Коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В связи с этим в качестве характеристики поглощения звука в жидкостях и газах вводят величину  .В случаях, когда в жидкости наблюдается дисперсия скорости ультразвука, квадратичная зависимость от частоты нарушается. Коэффициент поглощения в твердых телах пропорционален f(стекло, биологические ткани, металлы, некоторые пластмассы) или f2 (резина, многие пластмассы). Для одной и той же среды поглощение поперечных волн при f=const меньше, чем продольных. Это обусловлено тем, что поперечные колебания не связаны с изменением объема и потери на теплопроводность отсутствуют. Рассеяние отсутствует в однородных аморфных твердых материалах типа стекла, пластмассы. Слабое рассеяние в них может возникать под влиянием внутренних напряжений, вызывающих изменение скорости звука и преломление (отклонение) упругих волн. В гетерогенных материалах (чугун, гранит, бетон) рассеяние весьма велико. Большое рассеяние наблюдают также в большинстве металлов даже при высокой степени их однородности. Металлы, применяемые на практике, имеют поликристаллическую структуру, они состоят из большого количества кристаллитов (зерен) - монокристаллов, не имеющих явно выраженной огранки. Чаще всего кристаллиты ориентированы случайным образом; при переходе ультразвука из одного кристаллита в другой скорость звука из-за анизотропии может измениться в большей или меньшей степени. В результате возникает частичное отражение, преломление ультразвука и трансформация типов волн, что определяет механизм рассеяния. Чем больше упругая анизотропия кристаллов, тем больше рассеяние. Анизотропию характеризуют параметром упругой анизотропии. В кубическом кристалле он представляет собой меру относительного сопротивления кристаллов, двум типам сдвиговой деформации. Велика анизотропия в меди, цинке, аустенитной (нержавеющей) стали. Мала упругая анизотропия в вольфраме, алюминии. Альфа-железо и углеродистую сталь относят к промежуточным материалам по величине упругой анизотропии и рассеяния. Большое влияние на величину коэффициента рассеяния в средах оказывает соотношение среднего размера неоднородностей и, среднего расстояния между неоднородностями с длиной волны ультразвука. В металлах параметр среды, влияющий на рассеяние, - средний размер кристаллитов D. При  коэффициент пропорционален f4 (рэлеевское рассеяние) (рис. 5). Общее затухание определяют в этом случае формулой где А и В – постоянные; f - частота колебаний.  Рис. 5 Схематическая зависимость коэффициента затухания от соотношения среднего диаметра зерна и длины волны Член Af обусловлен поглощением, он имеет превалирующее значение при малых f. В области  коэффициент пропорционален произведению  . В разнозернистых металлах показатель степени при f меняется от 2 до 4. Максимальное затухание наблюдается при  .В углеродистой стали зерна состоят из очень большого числа мелких пластинок железа и цемента (Fe3C). Размеры их значительно меньше среднего размера зерна  . С этим, по-видимому, связан тот факт, что в широком диапазоне частот в мелкозернистых углеродистых сталях (вплоть до значений f=4...5 МГц) затухание определяется поглощением, т. е. пропорционально частоте. В сварных швах из аустенитной стали происходит упорядочение ориентации кристаллов. |