Скорость звука в твердых материалах. Скорость ультразвука в металле

параметры, виды волн, затухание и отражение

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Фильм ВГТРК Наука 2.0 Большой скачок. Ультразвук за гранью слышимости.

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

, (1)

• где f – частота, Гц,
• T – период, с

Рисунок 1 – Основные параметры ультразвуковой волны

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

, (2)

• где – длина волны, м,
• с – скорость звука, м/с

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

, (3)

• где – скорость звука для продольных волн, м/c,
• E – модуль упругости, Па,
• – коэффициент Пуассона,
• – плотность, кг/м3

Для поперечных волн она определяется по формуле

, (4)

• где – скорость звука для поперечных волн, м/с,
• G – модуль сдвига, Па

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

• где р — амплитуда звукового давления, Па
• v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
• — плотность среды, кг/м3
• с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2. В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10-12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Материал	Плотность, кг/м3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	Акустический импеданс, 103 кг/(м2*с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

• убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;
• рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;
• поглощение ультразвука, т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r2, амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны — пропорционально .

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна , а интенсивность – в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где – коэффициент затухания звука [2].

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

, (6)

• где – коэффициент затухания с расстоянием, 1/м,
• L – расстояние, м,
• p(0), p(L) – амплитуда звукового давления в исходной точке и на расстояние L, Па

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

, (7)

• где – коэффициент затухания от времени, 1/с,
• T – время, с,
• p(0), p(T) – амплитуда звукового давления в начале и через время T соответственно, Па

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

, (9)

• где A1 – амплитуда первого сигнала,
• A2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

, (10)

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

, (11)

• где Z – волновое сопротивление, ,
• – плотность, кг/м3,
• с – скорость звука, м/с

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

• где R – коэффициент отражения звукового давления [1],
• Z1 – волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м2с),
• Z2 – волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м2с)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z1>Z2, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r — расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

, (16)

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м2.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

• где N – длина ближней зоны, м,
• D – диаметр излучателя, м,
• – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

, (18)

Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Библиографический список

• Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
• Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
• General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
• Под редакцией И.С.Григорьева, Е.3.Мейлихова. Справочник. Физические величины.-Москва.:1991.
• Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология.-Москва.:Металлургия, 1974.
• Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Применения ультразвука.-Москва.:Техносфера, 2006.

engineering-solutions.ru

Скорость звука в твердых материалах

 Скорость звука в твердых материалах

В твердом теле скорость продольных волн рассчитывается:

E	—	модуль Юнга;
σ	—	коэффициент Пуассона.

Скорость поперечных волн рассчитывается:

Скорость звука в тонком стержне рассчитывается:

Таблица — Скорость звука в твердых материалах Материал Температура, °С Скорость звука, м/с В стержне Продольная Поперечная

Металлы
Алюминий	20	5080	6260	3080
	372	4342	—	—
Бериллий	-250	—	12660	8900
	27	—	12550	8830
Висмут	20	1790	2180	1100
Висмут, кристалл, L-срез	4,2 °К	—	2140	960
Вольфрам	20	4310	5460	2620
Германий, кристалл (ρ = 5350 кг/м3)	—	—	5390	3540
Железо	20	5170	5850	3230
Золото	20	2030	3240	1200
Иридий	20	4790	—	—
Кадмий	20	2400	2780	1500
Константан	20	4300	5240	2640
Кремний	31,5	—	—	3770
Латунь	20	3490	4430	2123
Латунь (70 % Cu - 30 % Zn)	20	3760	—	—
Магний	—	4900	—	—
Манганин	20	3830	4660	2350
Марганец	—	3830	4660	—
Медь	20	3710	4700	2260
	385	3659	—	—
Нейзильбер	20	3580	4760	2160
Никель	20	4785	5630	2960
Олово	20	2730	3320	1670
Олово, кристалл	1,5 °К	—	3480	1900
Платина	20	2800	3960	1670
Свинец	20	1200	2160	700
Свинец, кристалл	1,5 °К	—	2350	1266
Серебро	—	2640	3600	1590
Сталь	—	5050	6100	3300
Сурьма	20	3400	—	—
Тантал	20	3350	—	—
Цинк	20	3810	4170	2410
Чугун	—	3850	4500	2400
Пластмассы
Плексиглас	—	—	2670	1121
Полистирол	—	—	2350	1120
Минералы
Гипс	20	—	4970	2370
Кварц, x-срез	—	5440	5720	—
Слюда	20	—	7760	2160
Соль каменная, x-срез	—	4510	4780	—
Соль сегнетова, x-срез под углом 45°	—	—	5360	—
Соль сегнетова, y-срез под углом 45°	—	2470	—	—
Различные материалы
Гранит	—	3950	—	—
Дуб	—	4050	—	—
Известняк	20	—	6130	3200
Каучук	—	—	1479	—
Кость слоновая	—	2200	—	—
Лед	—	3280	3980	1990
Мрамор	20	—	6150	3260
Парафин	—	1460	—	—
Пробка	—	500	—	—
Резина	20	46	1040	27
Сланец	—	4510	—	—
Стекло кварцевое	—	5370	5570	3515
Стекло кронглас	—	5300	5660	3420
Стекло кронглас тяжелый	—	4710	5260	2960
Стекло флинтглас легкий	—	4550	4800	2950
Стекло флинтклас тяжелый	—	3490	3760	2220
Фарфор	—	4884	5340	3120
Шифер	20	—	5870	2800
Эбонит	20	1570	2405	—

 Литература

1. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. акад. И.К. Кикоина. М., Атомиздат. 1976. 1008 с.
2. Справочник по элементарной физике / Н.Н. Кошкин, М.Г. Ширкевич. М., Наука. 1976. 256 с.

weldworld.ru

1.3. Распространение ультразвука

Пространство, в котором распространяются УЗ-волны, называют ультразвуковым полем. УЗ-волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое УЗ-волной за 1 с через 1 см2 площади, перпендикулярной к направле­нию распространения, называется интенсивностью ультразвука I. Для плоской волны при амплитуде смещения А

Произведение скорости С ультразвука на плотность среды называется удельным акустическим сопротивлением.

1.4. Свойства ультразвука

УЗ-колебания от генерато­ра-излучателя ИП распространяются в материале изде­лия. При наличии дефекта Д образуется отраженное поле. За дефектом при его значительных размерах имеется акустическая тень. Регистрируя с помощью приемника-преобразователяП ослабление УЗ-волны или с помощью преобразователя П2 (или ИП) эхо, т. е. отра­женную УЗ-волну, можно судить о наличии дефектов в материале. Это является основой двух наиболее распро­страненных методов УЗ-контроля: теневого и эхо-метода.

Рис. 1.1. Структура ультразвукового поля излучателя:

а — акустическое поле; б — изменение интенсивности вдоль луча; в — диаграмма направленности.

Рассмотрим наиболее важные дефектоскопические свойства УЗК: направленность УЗК, ближняя и дальняя зоны преобразователей, отражение УЗК от несплошностей, затухание, трансформация УЗК.

Направленность УЗК. При излучении пьезоэлементом (рис. 1.1, а) импульса УЗК в среде возникает УЗ-поле, которое имеет вполне определенные пространственные границы. Угол расхождения зависит от соот­ношения длины волны и диаметра излучателя2а:

Для малых углов . Как видно из выражения (1.5), направленность УЗ-поля тем выше (уголмень­ше), чем больше произведениеaf.

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности (рис. 1.1, в). Диаграмма характеризует угловую зависимость амплитуды поля в дальней зоне. Полярный уголотсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через цилиндрическую функцию Бесселя (пер­вого рода и первого порядка):

Анализ этого выражения показывает, что с увеличе­нием . илиaf направленность поля возрастает. При >0,6 в диаграмме, кроме основного, возникают боко­вые лепестки. Однако в них обычно сосредоточена малая часть (до 20 %) излучаемой энергии.

Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше фор­мула (1.5) показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближ­ней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси (рис. 1.1, б) , так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распростра­няется почти без расхождения.

Протяженность ближней зоны для цилиндрического излучателя

Из формулы (1.7) видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.

Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут тако­го же типа, что и падающая. Коэффициент отраже­ния R как отношение интенсивностей отраженной и па­дающей волн зависит от соотношения удельных акусти­ческих сопротивлений первой и вто­рой сред:

Из формулы (1.11) видно, что R не зависит от направ­ления УЗК через границу раздела сред

Коэффициент прохождения волны D=1-R. Чем боль­ше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.

Раскрытие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины раскрытием мм отражают около 90 % падаю­щей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служат несплошности раскрытием

Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.

Свойство отражения УЗ-волн служит основой для вы­явления несплошностей в металлах, поскольку акустиче­ские свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непровары, существенно отличаются от свойств основного ме­талла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия бо­лее 10-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R= 0,35 — 0,65 в зависимости от мар­ки флюса.

Оксидные плены, особенно в сварных швах алюмини­евых сплавов или при контактной сварке, выявляются плохо, несмотря на их достаточно большое раскрытие и протяженность. Причиной этого является близость акус­тических свойств дефекта и металла.

Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно вы­являть несплошности площадью S>1 мм2. При увеличе­нии частоты УЗК можно выявлять несплошности и с мень­шей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем ко­эффициент затухания различен для различных материа­лов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния

Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но ухо­дит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) зату­хание определяется главным образом поглощением уль­тразвука: Причемпропорционально либоf (стекло), либо f (пластмассы).

В металлах рассеяние преобладает над поглощением: бр>бп, причем бп пропорционально f, а бр пропорциональ­но Р или р. Коэффициент рассеяния в металлах зависит от соотношения средней величины зерен D и длины 

УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом

Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажа­ло результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь >(10...100)D. Если это условие выполняется по верхнему пределу (>100D), то можно обычно контроли­ровать металл на глубину вплоть до 8 — 10 м и даже более.

При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебаний, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностей, ограничивающих контроли­руемое изделие) и структурной (из-за многократного от­ражения и рассеяния колебаний границами зерен ме­талла).

Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристал­ла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзеренная анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих ма­териалов.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области =(4-10)D.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Зату­хание 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е=2,718 — основание натуральных логарифмов, или число Непера). Эти единицы связаны соотношением 1 Нп/м = 8, 68 дБ/м.

В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см-1.

Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех из­делиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

С ростом частоты коэффициент затухания увеличива­ется, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.

Трансформация УЗК. Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их па­дению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразова­тели с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклон­но под углом Р к границе двух твердых сред происходит

Рис. 1.2. Отражение и преломление продольной волны на гра­нице раздела двух твердых сред.

трансформация (расщепление) этой волны (рис. 2.6, а). Возникают две преломленные волны (продольная и поперечная ) и две отраженные и . Углы прелом­ления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют зако­ном Снеллиуса. Записанный только для преломле­ния волн этот закон имеет вид

При увеличении угла падения , который соответст­вует углу плексигласовой призмы в наклонных преобра­зователях, углы ввода УЗК в металли также ме­няются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0 (рис. 1.2, б, в). При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом ме­талле луча , а потом — луча. Углы , соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению отвечает угол , а значениюугол

При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих слу­чаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразовате­лей выбирают обычно в интервале между двумя найден­ными выше критическими значениями:

Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащи­щенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.

Акустический тракт. Процессы преобразования энер­гии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электри­ческом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колеба­ния преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

Электрический тракт, определяющий амплиту­ду зондирующего импульса и коэффициент усиления, со­стоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультра­звука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задача мето­дики УЗ-контроля — расчет акустического тракта, т. е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала в зависимос­ти от акустических и геометрических параметров тракта.

studfiles.net

Скорость - распространение - ультразвук

Скорость - распространение - ультразвук

Cтраница 4

В приборах, измеряющих абсолютное значение скорости распространения ультразвука, столб исследуемой среды заключается между двумя пьезокварцевыми преобразователями, один из которых является излучающим, а второй - приемным.  [46]

В большом диапазоне влажности между величиной скорости распространения ультразвука и влажностью массы имеется однозначная зависимость. Ультразвуковые волны создаются в простейших схемах ультразвуковых влагомеров при помощи пьезоэлектрического преобразователя, возбуждаемого электрическим сигналом. После прохождения массы материала ультразвуковой сигнал принимается другим пьезопреобразователем, в которой.  [47]

Второй основной задачей установки является определение скорости распространения ультразвука в материале образца. Хронизатор установки переводится на работу в ждущем режиме. Пусковые импульсы формируются в блоке формирования. Генератор опорной частоты дает возможность плавного изменения частоты повторения пусковых импульсов. Блок формирования образует два вида пусковых импульсов: с частотой повторения, равной или близкой к частоте повторения видеоимпульсов выходного сигнала приемника, и с частотой повторения в несколько десятков раз меньшей. Период повторения измеряется при этом с точностью не хуже 0 1 мксек.  [48]

Принцип работы УКП основан на измерении скорости распространения ультразвука в продуктопроводе, по которому осуществляется перекачка. Скорость распространения ультразвука зависит от физико-химических свойств контролируемого нефтепродукта.  [49]

Действие этих расходомеров основано на сложении скорости распространения ультразвука в жидкости и скорости самого потока жидкости. Электронный блок 4 содержит генератор импульсов и измеритель времени прохождения импульсом расстояния между излучателем и приемником.  [51]

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со скоростью движения этой среды. Схема ультразвукового расходомера показана на рис. 13.6. Пьезоэлементы 1 я 2 располагаются вдоль трубопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в несколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помощью переключателя 4 работает то излучателем, то приемником. Таким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку среды, то навстречу ему. В первом случае скорости колебаний и потока складываются, во втором случае - вычитаются. Разность фаз принятых колебаний будет пропорциональна скорости среды. Градуировка прибора выполняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значением скорости распространения ультразвука изменяется и градуировка.  [52]

Проведенные исследования позволяют заключить, что определение скорости распространения ультразвука и удельного электросопротивления в цементном камне по мере понижения его температуры дает возможность проследить за кинетикой фазовых превращений капиллярной воды в материале.  [53]

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на зависимости скорости распространения ультразвука в движущейся среде от средней скорости движения этой среды.  [54]

При увеличении концентрации растворов электролитов наблюдается увеличение скорости распространения ультразвука, причем между скоростью ультразвука и концентрацией электролитов существует однозначная зависимость. Например, изменение концентрации раствора NaCl от 0 до 10 % соответствует изменению скорости ультразвука на 120 м / сек.  [55]

Погрешности измерения ультразвуковыми толщиномерами, обусловленные варьированием скорости распространения ультразвука в конструкционных сталях и металлических сплавах / / Дефектоскопия.  [56]

В диапазоне температур 80 - 350 К измерены скорости распространения ультразвука с частотой - 10 МГц в сплаве ( V, Fe) sSi с 8 вес. Измерения выполнены на препаратах, отожженных при температуре - 1500 С. Обнаружено аномальное поведение указанных выше характеристик, свидетельствующее о нестабильности кубической кристаллической решетки этих объектов, что свойственно сверхпроводникам с высокими температурами перехода в сверхпроводящее состояние.  [57]

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что скорость распространения ультразвука в стали 09Г2С выше, чем в стали СтЗ примерно на 60 м / с.  [59]

В результате такого измерения мы получим, что скорость распространения ультразвука частоты 60 кгц в воздухе имеет ту же величину, что и скорость распространения звуковых частот.  [60]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Скорость - ультразвук - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Скорость - ультразвук

Cтраница 1

Скорость ультразвука во всех металлах и сплавах имеет отрицательную температурную зависимость.  [1]

Скорость ультразвука измерялась как в направлении приложения пластической деформации вдоль оси цилиндрического образца, так и перпендикулярно этому направлению.  [3]

Скорости ультразвука в жидких металлах, приведенных в табл. 1 - 13, находятся в пределах 967 - 2790 м / сек.  [4]

Скорость ультразвука в топливных нефтепродуктах изменяется в довольно широких пределах 1 081 4 - 1 367 6 м / сек, а температурный коэффициент изменяется незначительно от - 3 90 до - 4 15 м / сек-град.  [5]

Скорость ультразвука в жирных кислотах находится в пределах 1 150 - 1 471 м / сек. Минимум ее ( 1 150 м / сек) находится в уксусной, а максимум ( 1 471 м / сек) в пиро-виноградной кислотах.  [7]

Скорость ультразвука в [ растворах имеет более сложную функциональную зависимость от физико-химических параметров вещества, чем в случае чистых жидкостей. Помимо вышеуказанных зависимостей ( 1 - 36) - ( 1 - 41) от температуры и давления, скорость ультразвука в растворах зависит также от концентраций отдельных компонентов, причем последняя зависимость даже в случае бинарных растворов или смесей не всегда имеет линейный характер.  [8]

Скорость ультразвука в многокомпонентных растворах сложным образом зависит от концентраций отдельных компонентов. Температурная зависимость скорости ультразвука в исследованных многокомпонентных растворах, например в алюминатных растворах, как и в бинарных растворах, носит параболический характер. Температура tm также снижается при повышении концентрации компонентов. При высоких концентрациях скорость ультразвука достигает 2400 м / сек, a tm становится меньше 20 С.  [10]

Скорость ультразвука в смеси жидкостей лишь в частных случаях линейно зависит от концентраций компонентов. К числу таких частных случаев относятся смеси толуола с этиловым спиртом, че-тыреххлористого углерода с ацетоном, гептана с гекса-деканом и некоторые другие.  [12]

Скорость ультразвука в жидкостных взвесях твердых частиц и мелких биоорганизмов зависит от их концентрации и размеров.  [13]

Скорость ультразвука: бинарные смеси, спирты, амины, ароматика.  [14]

Скорости ультразвука в чистых компонентах определены в нашей же лаборатории. Анализ полученных результатов ( рис. 35) показывает, что с ростом температуры при данной концентрации для всех этих смесей скорость ультразвука уменьшается.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

Ультразвук скорость - Энциклопедия по машиностроению XXL

Ускорение растворения стали в кислоте под действием ультразвука было показано также А. П. Капустиным и М. А. Фоминой [25]. На рис. 74 показано изменение скорости растворения стали со временем в 1 N растворе серной кислоты без ультразвука (кривая 1) и в ультразвуковом поле (частота 60 ООО гц, интенсивность 4 вт/см ). Из рисунка видно, что под влиянием ультразвука скорость растворения возрастает в несколько раз. Скорость растворения стали меняется от интенсивности ультразвукового поля. При малой интенсивности ультразвук не влияет иа растворение, а при некотором значении начинается резкое ускорение растворения, возрастающее по. мере увеличения интенсивности ультразвукового поля до определенного предела.  [c.142] Ультразвуковая обработка металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит и к изменению характера температурного поля. Возникновение акустических потоков в расплаве под действием ультразвука связано с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсивности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнивание температуры и интенсификацию конвективной диффузии. При выравнивании температуры расплава увеличивается теплообмен со стенками сосуда и окружающей средой, в результате чего увеличивается скорость охлаждения. Установлено, например, что под действием ультразвука скорость охлаждения расплава от температуры перегрева до температуры кристаллизации в центральной зоне слитка увеличивается примерно в 6 раз, а в зонах у стенок кокиля — лишь в 2 раза. Это ускорение охлаждения объясняется непрерывным выравниванием температуры отдельных зон.  [c.46]

Значительный эффект достигнут и при растворении вольфрама в стали, чугуне и никеле. При достаточной интенсивности ультразвука скорость растворения увеличивается более чем в 4 раза. Подобные результаты получены для сплавов Си—5Ь А1-- РЬ и для дисперсных сплавов алюминия и двуокиси алюминия.  [c.47]

Ультразвуковой метод определения сварочных остаточных напряжений основан на зависимости скорости распространения ультразвуковой волны в металлах от напряженного состояния в них. Измеряют скорости распространения ультразвука на отдельном участке металла до сварки и после сварки, и по изменению скорости судят о значении остаточного напряжения. При измерении остаточных напряжений в шве и околошовной зоне неоднородность свойств может приводить к погрешностям результатов. Положительным свойством данного метода, так же как магнитоупругого, следует считать мобильность проведения экспериментов, не требующих больших подготовительных работ.  [c.424]

Метод акустического измерения скорости ультразвука  [c.340]

Для решения проблемы оценки уровня накопления повреждений может применяться метод акустического измерения скорости ультразвука и ее взаимосвязи со структурными изменениями.  [c.340]

Применению ультразвуков в воде благоприятствует еще одно обстоятельство. Как мы видели ( 169), средняя мощность, излучаемая колеблющейся пластинкой, при данной амплитуде ее скорости пропорциональна рс. А для воды рс в несколько тысяч раз больше, чем для воздуха, так что ультраакустический излучатель при прочих равных условиях излучает в воде гораздо лучше, чем в воздухе. Пьезокварцевые излучатели в воде могут излучать очень значительную мощность, Так, кварцевая пластинка, колеблющаяся с амплитудой смещения 10" см и угловой частотой 0 = 3 10 , имеет амплитуду скорости = 30 слг/сек. Так как для воды с 1500 м/сек = 1,5-10 см/сек, то пластинка в 1 см излучает при этом мощность 7 ет. В воздухе при тех же условиях пластинка излучала бы около 2 милливатт.  [c.745]

Ультразвуки впервые были практически применены в эхолоте для измерения глубины моря. В дне судна помещаются ультразвуковой излучатель, посылающий короткие цуги колебаний длительностью около 0,001 сек, и приемник ультразвуков (рис. 476). Отражаясь от дна моря, ультразвуки через некоторое время достигают приемника. По промежутку времени, прошедшему между отправлением сигнала и его возвращением, зная скорость распространения ультразвука, определяют расстояние до дна моря.  [c.746]

Эхолот — прибор, предназначенный для измерения глубин моря или реки. Излучатель эхолота устанавливается на днище корабля так, чтобы пучок ультразвуковых волн был направлен вертикально вниз. Он излучает ультразвуковые волны отдельными короткими по времени импульсами, в которых благодаря высокой частоте содержится большое количество волн. Достигнув дна, импульс отражается от него в виде эха и приходит к приемнику,, расположенному рядом с излучателем. Регистрирующий прибор записывает на специальной ленте момент посылки импульса и момент его возвращения. Зная скорость распространения ультразвука в воде, по этим отметкам определяют глубину моря под кораблем.  [c.244]

Ультразвук применяют и для исследования свойств и структуры веществ. Большим преимуществом для этих целей ультразвуковых волн перед электромагнитными является значительно меньшая (на несколько порядков) скорость их распространения. Поэтому при равных частотах длина ультразвуковых волн существенно меньше.  [c.246]

Наиболее распространенный ультразвуковой метод. Он достаточно хорошо разработан, освоен и оснащен приборами. В основе ультразвукового метода лежит способность ультразвука распространяться в физических телах (н в первую очередь в металлах) с определенной скоростью и при возникновении каких-либо несплошностей больше длины волны ультразвука отражаться от их границы. По отраженному сигналу можно судить о наличии дефектов в металле и их величине (ультразвуковая дефектоскопия) или в отсутствие таковых о толщине металла, т. е. о развитии общей коррозии (ультразвуковая толщинометрия). Разработанные ультразвуковые приборы позволяют анализировать состояние металла толщиной до 100 мм с точностью около 0,1 мм.  [c.99]

Головная волна связана только с наличием границы раздела двух сред и распространяется в среде с большей скоростью ультразвука либо на свободной поверхности твердого тела.  [c.47]

Диэлектрическая проницаемость е — тензор со слабо отличающимися компонентами, поэтому его рассматриваем как скаляр. Модуль упругости Сд связан со скоростью ультразвука с формулой  [c.62]

Ограничение чувствительности интерферометра связано с шумом фотоумножителя, соответствующим смещению поверхности зеркала на 5 10 м. Считаем, что регистрируемое смещение в 2 раза превосходит это значение, т. е. и = 10" м. Таким образом, чувствительность интерферометра при приеме в 100 раз меньше, чем при использовании пьезоэлектрического преобразователя. Кроме того, интерферометр — довольно сложное, громоздкое, чувствительное к вибрации устройство. В связи с этим он находит применение лишь в исследовательских целях, например, для точного измерения характеристик пьезопреобразователей в абсолютных единицах или скорости ультразвука в материалах.  [c.68]

При использовании стоячих волн возбуждают свободные или вынужденные колебания либо объекта контроля в целом (интегральные методы), либо его части (локальные методы). Свободные колебания возбуждают путем кратковременного внешнего воздействия на объект контроля, например, ударом, после чего он колеблется свободно. Вынужденные колебания предполагают постоянную связь колеблющегося объекта контроля с возбуждающим генератором, частоту которого изменяют. Информационными параметрами являются частоты свободных колебаний или резонансов вынужденных колебаний, которые несколько отличаются в связи с воздействием возбуждающего генератора. Эти частоты связаны с геометрическими параметрами изделий и скоростью распространения в них ультразвука. Иногда измеряют величины, связанные с затуханием колебаний в объекте контроля амплитуды свободных или резонансных колебаний, добротность колебаний, ширину резонансного пика.  [c.98]

Из рассмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод им проверяют до 90 % всех объектов. Применяя волны различных типов, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, литья, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения геометрических размеров изделий. Фиксируя время прихода донного сигнала и зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия известна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а во этим параметрам определяют физико-механические свойства материалов.  [c.100]

Теневой метод применяют вместо эхо-метода при исследовании физико-механических свойств материалов с большими коэффициентами затухания и рассеяния акустических волн, например, при контроле прочности бетона по скорости ультразвука. Для этой цели применяют не только теневой метод, но и (в более общем виде) метод прохождения. Например, излучатель и приемник располагают с одной стороны изделия на одной поверхности и измеряют время и амплитуду сквозного сигнала головной или поверхностной волны.  [c.102]

При теоретическом анализе используют модели дефектов в виде отражателей правильной геометрической формы (сфера, диск, цилиндр). В экспериментах точно воспроизвести расчетные модели в натуральном образце удается далеко не всегда. Например, практически невозможно выполнить модель дефекта в виде гонкого диска в толще образца. Поэтому при измерениях используют искусственные дефекты в виде полостей правильной геометрической формы с выходом на поверхность образца. Широко применяют также жидкостное моделирование, основанное на подобии процессов распространения продольных звуковых волн в твердом теле и в жидкости (коэффициент подобия где , Сда — скорости ультразвука в металле и жидкости). Основное преимущество этого способа анализа в том, что исследование можно проводить на искусственных дефектах, идентичных расчетной модели.  [c.104]

В правую часть этого неравенства входят постоянные величины, ограничивающие чувствительность. Согласно (2.22) при малых толщинах и низких частотах ультразвука чувствительность дефектоскопа при временном теневом методе становится больше, чем при обычном теневом методе, поэтому его применение предпочтительно при контроле крупнозернистых металлов. Чувствительность при временном теневом методе существенно снижается ввиду непостоянства скорости ультразвука в изделии.  [c.120]

Ширина полосы пропускания и равномерность АЧХ являются важными характеристиками пьезопреобразователей. Чем шире полоса пропускания, тем выше разрешающая способность УЗ-приборов, меньше мертвая зона, ниже погрешность определения толщины изделия, координат, скорости ультразвука. Для некоторых приборов, например ультразвуковых спектроскопов, широкая и равномерная полоса пропускания частот преобразователей является определяющим фактором качества контроля. Анализ работы преобразователей с плоскопараллельными пьезоэлементами и слоями показывает, что для них характерны ограниченная, весьма узкая полоса пропускания и продолжительный переходный процесс. Это обусловлено в основном двумя причинами многократными отражениями УЗ-колебаний в конструктивных элементах преобразователя и наличием ярко выраженных резонансных свойств пьезоэлемента. С целью расширения полосы пропускания следует применять преобразователи с неоднородным электрическим полем, физические свойства пьезоэлементов которых изменяются по толщине.  [c.161]

Передаточная функция достигает максимума на частоте свободных колебаний кольца, когда d = Я, /2 = j 2fi) (с — скорость ультразвука в пьезоматериале). С этой частотой совпадает резонансная частота электрического контура. Явление вторичного пьезоэффекта учитывать не будем.  [c.166]

Наибольшее применение в ультразвуковой дефектоскопии нашли фокусирующие устройства в виде линз. На рис. 3.29 показан фокусирующий преобразователь ИЦ-ЗБ [39], предназначенный для контроля труб в контактном варианте. Протектор преобразователя выполнен в виде цилиндрической линзы из алюминия, скорость поперечных волн в котором больше скорости продольных волн в плексигласе, поэтому вогнутая форма протектора соответствует собирающей линзе. Многократные отражения ультразвука в протекторе приводят к концентрации не вошедшей в изделие энергии у боковых границ призмы и протектора, где она гасится.  [c.172]

Испытательные образцы согласно нормативным требованиям должны быть идентичны изделию в том смысле, что размеры и материал образцов выбирают по чертежам изделия. Однако допускаемые отклонения размеров изделия от номинальных могут существенно влиять на результаты контроля. Отличие скорости ультразвука в материалах образца и изделия, неравномерность распределения скорости вдоль траектории УЗ-волн (при сварке разнородных материалов, при контроле биметалла), дисперсия  [c.204]

В ряде работ [6,15,39] отмечалось, что при увеличении интенсивности ультразвука скорость эккартовского потока перестает быть пропорциональной интенсивности. Было выполнено [34] и более подробное исследование этого явления наблюдалось постепенное изменение скорости потока в некоторой точке звукового поля по мере повышения интенсивности звука. На рис. 22 (кривая 1) показана зависимость скорости потока в воде на расстоянии 40 см от источника звука частоты 1,2 Мгц от амплитуды звукового давления вблизи источника. При звуковом давлении р 7 атм на расстоянии 40 см формируется пилообразная волна. Как видно из рисунка, при этом изменяется и характер зависимости скорости потока от интенсивности. В гл. 1 было показано, что теория Эккарта применима при малых акустических числах Рейнольдса, поэтому отконения от нее связаны не с турбулизацией акустического течения, как это предполагалось в работах [6, 39], а с искажением формы волны и неприменимостью теории при этих условия  [c.125]

Хедуолл, Эквалл и Ионссон [818—820] исследовали влияние ультразвука на скорость потускнения металлов. В хорошо отполированном металлическом стержне при помощи кварцевого вибратора возбуждались колебания с частотой 360 кгц, а вызывающий реакцию газ в нужной концентрации и с постоянной скоростью продувался мимо поверхности стержня, расположенной так, что ее удобно было наблюдать. При этом было обнаружено, что под действием ультразвука скорость образования потускневшего слоя существенно повышается. При колебаниях стержня вследствие различий в состояниях самого стержня и слоя, в котором происходит реакция, в слое возникают разрывы и растяжения благодаря этому оказываются открытыми новые участки поверхности металла и перенос вещества облегчается. До сих пор исследованию подвергались медь в потоках паров иода и сероводорода при комнатной температуре и железо в потоке кислорода при температуре 300°С.  [c.518]

Отраженные от дефекта импульсвл упругих колебаний подаются на пьезопластину и преобразуются в ней в электросигналы. Эти колебания усиливаются в усилителе, затем подаются кл экран электронно-лучевой трубки. При развертке расстояние от зондирующего импульса до принятого сигнала пропорционально времени прохождения импульса от пьезонластипы до дефекта и обратно. По числовому значению скорости и времени прохождения ультразвука можно определить координаты дефекта. Отклонение луча на электронно-лучевой трубке в вертикальном направлении характеризует амплитуду с сигнала и пропорционально значению размера дефекта.  [c.132]

Для измерения скорости ультразвука используется толщиномер, такой как 36DL PLUS ФИРМЫ Panametri s , измеряющий толщины стенок деталей. В толщиномере производится автоматическое измерение времени прохождения между противоположными поверхностями стенки детали. Это время прямо пропорционально скорости звука в материале. При этом предполагается, что материал является однородным и скорость звука в нем известна. Измеренное значение времени пробега t умножается на половину скорости звука с (т.к. волна проходит расстояние, равное двойной толщине)  [c.341]

В зависимости от назначения ультразвуковые приборы, как и другие приборы неразрушающего контроля, подразделяются на дефектоскопы для поиска и обнаружения дефектов, толщиномеры для измерения толщины стенок при одностороннем доступе к изделию или измерения толщины покрытий и слоев, анализаторы физико-механических свойств материала, служащие для измер)сния величины зерна, графитовых включений в чугунах, напряженного состояния объекта, упругих харс1ктеристик материала и остальных свойств, которые зависят от скорости прохождения ультразвука.  [c.179]

Призму изготовляют обычно из материала с небольшой скоростью звука (оргстекло, капролон, поликарбонат, полиамидоимид, деклон, эпоксидные компаунды), что позволяет при относительно небольших углах падения р получать углы преломления а до 90°. Высокое затухание ультразвука в призме позволяет обеспечить ослабление волны, которое увеличивается в результате многократных отражений. Для улучшения этого эффекта в призме часто предусматривается ловушка,  [c.206]

Ультразвуковые интроскопы, разработанные для медицинской диагностики, могут найти применение и для промышленного контроля. Так, прибор УИ-25ЭЦ (табл. 23) можно без переделок применять для контроля изделий из материалов, скорость распространения ультразвука в которых порядка 1500 м/с. Это изделия из материалов типа резин, пластмасс. Максимальный размер визуализируемой области 300 X 300 мм (при с =  [c.271]

Отражение и прохождение ультразвука. Способность ультразвука отражаться от границ раздела сред с разными акустическими сопротивлениями характеризуется коэффициентом отражения R, представляюихим собой отиошение амплитуд давления в отраженной и падающей волнах R = Ротр1Ро- Именно на этом свойстве основано выявление дефектов при ультразвуковом контроле. При решении задачи отражения ультразвука эффективно воспользоваться понятием нормального импеданса, представляющего собой отношение акустического давления к нормальной составляющей колебательной скорости, за счет которой осуществляется перенос энергии из одной среды в другую  [c.25]

Основная задача анализа акустического тракта — оценка степени ослабления излученного (зондирующего) сигнала, пришедшего на приемник. На пути к приемнику излученный сигнал ослабляется по ряду причин. Наиболее существенно на амплитуду результирующего сигнала влияют акустические свойства контролируемого материала (вкорость ультразвука, дисперсия скорости, затухание), определяющие его прозрачность для ультразвука геометрические параметры изделия (кривизна, параметры шероховатости поверхности, через которую вводится ультразвук), влияющие прежде всего через изменение прозрачности контактного слоя, а также габаритные размеры изделия в зоне прозвучивания свойства и геометрия акустической задержки, определяющие степень акустического согласования пары преобразователь—изделие электроакустические параметры излучателя и приемника (частота колебаний, длительность импульсов, материалы пьезоэлемента и переходных слоев) ориентация пьезоэлемента, его геометрические размеры размеры, ориентация, конфигурация, параметры шероховатости и материал (шлак, металл, газ) дефекта взаимное расположение излучателя, дефекта и приемника траектория сканирования.  [c.103]

Рефракторы — линзы, преобразующие плоскую волну в сходящуюся (рис. 3.28, б). Линзы делают вогнутыми (ускоряющими) и выпуклыми (замедляющими) в зависимости от соотношения скоростей ультразвука в среде Сс и материале линзы Сд, которое называется показателем преломления п = сс1с . Для фокусировки ультразвука при п 1  [c.171]

Настройка скорости развертки (рис. 5.3) заключается в выборе оптимального масштаба видимой на экране части временной оси электротю-лучевой трубки (ЭЛТ). Масштаб должен обеспечивать появление сигналов от дефектов в пределах экрана дефектоскопа. Скорость развертки устанавливают такой, чтобы рабочий участок развертки ЭЛТ занимал большую часть экрана. Горизонтальная ось экрана после настройки является по существу выпрямленной траекторией луча в масштабе 2/ тах/ э, где г -лу. — путь ультразвука до максимально удаленной точки контролируемого сечения Хд — размер рабочего участка развертки, который в пределе равен горизонтальному габаритному размеру экрана. Рабочий участок развертки можно легко проградуировать в значениях координат дефекта с учетом соотношений h г o.s ад л = г sin 0. где г — расстояние по лучу до дефекта с координатами h, X. Такой способ наиболее целесообразен для ремонтопригодных изделий небольшой толщины (до 20 мм), когда не требуется высокой точности определения координат дефектов.  [c.204]

Принцип совмещения шкал основан на однозначной и стабильной связи между скоростями поперечных j и продольных С воли для данного металла. Задача состоит в том, чтобы найти порядковый номер донного сигнала продольной волны, появляющегося на развертке ЭЛТ точно в том же месте, что и эхо-сигнал А поперечной волны от отражателя, расположенного па заданной глубине (см. схему измерений на рис. 5.5). Из глубины h эхо-сигнал А приходит через время Т === 2/i/( f os а,,) + 2rj s время прихода на приемник и-го донного сигнала х, = 2nHl i, где Ps и Сз — средний путь и скорость ультразвука в призме (задержке) преобразователя. Тогда условие совпадения на развертке эхо-сигналов Л и Лоо (т, е. Tj = Т ), являющееся общим выражением для расчета совмещенных координатных шкал, можно записать в виде  [c.206]

mash-xxl.info

Ультразвуковые волны

Темы : Ультразвуковой контроль, Контроль качества сварки.

Колебания и волны. Колебаниями называют многократное повторение одинаковых или близких к одинаковым процессам. Процесс распространения колебаний в среде именуют волновым. Линию, указывающую направление распространения волны, называют лучом, а границу, определяющую колеблющиеся частицы от частиц среды, еще не начавших колебаться, - фронтом волны.

Время, за которое совершается полный цикл колебаний, именуется периодом Т и измеряется в секундах. Величину ƒ = 1 / Т, показывающую, сколько раз в секунду повторяется колебание, называют частотой и измеряют в c-1.

Величина ω, показывающая число полных оборотов точки по окружности за 2Т с, называется круговой частотой ω = 2π / Т = 2π ƒ и измеряется в радианах в секунду (рад/с).

Фаза волны - это параметр, показывaющий, какая часть периода прошла c момeнта начала последнего цикла колебаний.

Длина волны λ - минимальное расстояние между двумя точками, колеблющимися в одинаковой фазе. Длина волны связана с частотой ƒ и скоростью с соотношением: λ = с / ƒ . Плоская волна, распространяющаяся вдоль горизонтальной оси Х, описывается формулой :

u = U cоs (ω t - kх) ,

гдe k = 2 π / λ. - волновое число; U - амплитуда колебаний.

Из формулы видно, что величина u периодически изменяется во времени и пространстве.

В качестве изменяющейся при колебаниях величины используются смещение частиц из положения равновесия u и акустическое давление р.

В ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии обычно используют колебания с частотой 0,5...15 МГц (длина продольной волны в стaли 0,4...12 мм) и амплитудой смещения 10-11 ...10-4 мм (возникающие в стали на частоте 2 МГц акустические напряжения 10... 108 Па).

Интенсивность волны I равна I = р2 /(2ρс) ,

где ρ - плотность среды, в которой распространяется волна.

Интенсивность используемых для контроля волн очень мала (~10-5 Bт/м2 ). При дефектоскопии регистрируют не интенсивность, а амплитуду волн А. Обычно измеряют ослабление амплитуды А' относительно амплитуды возбужденных В изделии колебаний А о (зондирующего импульса), Т.е. отношение А' / Ао . Для этого применяют логарифмические единицы децибелы (дБ), Т.е. А' / Ао = 20 Ig А' / Ао .

Типы волн. В зависимости от направления колебаний частиц относительно луча различают несколько типов волн.

Продольной волной называется тaкая волна, в которoй колебательное движение отдельных частиц происхoдит в том жe направлении, в которoм распространяется волна (рис. 1).

Продольная волна характеризуется тeм, чтo в среде чередуются области сжaтия и разрежения, или повышеннoго и пониженного давления, или повышеннoй и пониженной плотности. Пoэтому их такжe называют волнами давления, плотноcти или сжатия. Продольные ультразвуковые волны мoгут распространяться в твердых телах, жидкоcтях, газах.

Рис. 1. Колебание частиц срeды v в продольной волне.

Сдвиговой (поперечной) называют тaкую волну, в которoй отдельные частицы колеблются в направлeнии, перпендикулярном к направлeнию распространения волны. При этом расстояние между отдельными плоскостями колебаний остаются неизменными (рис. 2).

Рис. 2. Колебание частиц срeды v в поперечной волне.

Продольные и поперечные волны, пoлучившие обобщенное названиe "объемные волны", могут существовaть в неограниченной среде. Эти ультразвуковые волны наиболеe широко примeняютcя для ультразвуковой дефектоскопии.

Скоростью распространения звуковой волны c называeтся скорость распространения определенного состoяния в материальной среде (напримeр, сжатия или разрежения для продольной волны). Скорость звука для различныx типов волн различна, причeм для поперечной и продольной волн онa является характеристикой среды, нe зависящей от параметров ультразвуковой волны.

Скорость распространения продольной волны в неограниченном твердом теле определяется выражением

где Е - модуль Юнга, определяемый как отношение между величиной растягивающей силы, приложенной к некоторому стержню и возникающей при этом деформацией; v - коэффициент Пуассона, представляющий собой отношение изменения ширины стержня к изменению его длины, если растяжение стержня проводится по длине; ρ - плотность материала.

Скорость сдвиговой волны В неограниченном твердом теле выражается следующим образом:

Поскольку в металлах v ≈ 0,3, то между продольной и поперечной волной существует соотношение

ct ≈ 0,55 сl.

Поверхностными волнами (волнами Рэлея) нaзывают упругие волны, распространяющиeся вдоль свободной (или слабонагруженной) грaницы твердого телa и быстро затухающие с глубинoй. Поверхностная волна является комбинациeй продольных и поперечных волн. Чaстицы в поверхностной волне совершают колебательное движение по эллиптической траектории (рис. 3). Большая ось эллипса пpи этoм перпендикулярна к границе.

Поскoльку входящaя в поверхностную волну продольная составляющaя затухает c глубиной быстрее, чeм поперечная, вытянутость эллипса c глубиной изменяется.

Поверхностная волна имеет скорость сs = (0,87 + 1,12v ) / (1+v)

Для металлов сs ≈ 0,93сt ≈ 0,51 cl.

В зависимости oт геометрической формы фронта различaют следующие виды волн:

• сферическую - звуковую волну на небольшом расстоянии от точечного источника звука;
• цилиндрическую - звуковую волну на небольшом расстоянии от источника звука, представляющего собой длинный цилиндр маленького диаметра;
• плоскую - ее может излучать бесконечно колеблющаяся плоскость.

 

Давление в сферической или плоской звуковой волне определяется соотношением:

р=ρсv,

где v - величина колебательной скорости.

Величина ρс = z называется акустическим сопротивлением или акустическим импедансом.

Рис. 3. Колебание частиц срeды v в поверхностной волне.

Если акустическое сопротивление имеет большую величину, то среда называется жесткой, если же импеданс невелик, - мягкой (воздух, вода).

Нормальными (волнами в пластинах), назывaют упругие волны, распространяющиеся в твeрдой пластине (слое) сo свободными или слабонагружeнными границами.

Нормальные волны бывaют двуx поляризаций: вертикальной и горизонтальной. Из двух типов волн наибольшее применение в практике получили волны Лэмба - нормальные волны с вертикальной поляризацией. Они возникают вследствиe резонанса при взаимодeйствии падающей волны c многократно отраженными волнами внутpи пластины.

Для уяснения физической сущноcти волн в пластинах рассмотрим вопрoс образования нормальных волн в жидкoм слое (риc. 4).

Рис. 4. К вопросу возникновения нормальных воли в слое жидкости.

Пусть нa слой толщиной h падает извнe плоская волна под углoм β. Линия AD показываeт фронт падающей волны. B результатe преломления на границе, в слоe возникает волна c фронтом CB, распространяющаяся под углом α и претерпевaющая многократные отражения в слое.

Пpи определенном угле падения β волна, отражeнная от нижней поверхности, совпадает пo фазе с прямой волной, идущей oт верхней поверхности. Это и есть условие возникновения нормальных волн. Угол а, при котором происходит такое явление, может быть найден из формулы

h cosα = n λ2/ 2

Здесь n - целое число; λ2 - длина волны в слое.

Для твердого слоя сущность явления (резонанс объемных волн при наклонном падении) сохраняется. Однако условия образования нормальных волн очень усложняются благодаря наличию в пластине продольных и поперечных волн. Различные типы волн, существующие пpи различных значениях n, нaзывают модами нормальных волн. Ультразвуковые волны с нечетными значениями n нaзывают симметричными, так кaк движение частиц в ниx симметрично относительно оси пластины. Волны с четными значениями n называют антисимметричными (рис. 5).

Рис. 5. Колебание частиц сpеды v в нормальной волне.

Головные волны. В реальных условиях ультразвукового контроля наклонным преобразователем фронт ультразвуковой волны излучающего пьезоэлемента имеет неплоскую форму. От излучателя ось которого ориентирована под первым критическим углoм к границе раздела, на границу падают также продольные волны с углами, несколько меньшими и несколько большими первого критического. При этом в стали возбуждается ряд типов ультразвуковых волн.

Вдоль поверхности распространяется неоднородная продольно-поверхностная волна (рис. 6). Эту волну, состоящую из поверхностной и объемнoй компонент, называют также вытекающей, или ползучей. Частицы в этой волне движутся по траекториям в виде эллипсов, близких к окружностям. Фазовая скорость вытекающей волны св незначительно превышает скорость продольной волны (для стали св = 1,04сl).

Эти волны существуют на глубине, примерно равной длине волны, и быстро затухают при распространении: амплитуда волны затухает в 2,7 раза быстрее на расстоянии 1,75λ. вдоль поверхности. Ослабление связано с тем, что в каждой точке границы раздела генерируются поперечные волны под углом αt2 , равным третьему критическому углу, называемые боковыми волнами. Этот угол определяется из соотношения

sin αt2 = (ct2 - cl2)

для стали αt2 = 33,5°.

Рис. 6. Акустическое поле преобразователя голoвной волны: ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь.

Кромe вытекающей возбуждается такжe головная волна, получившая широкое примeнение в практикe ультразвукового контроля. Головной называется продольно-подповерхностная волна, возбуждаемaя при падении ультразвукового пучка нa границу раздела пoд углoм, близким к первому критическoму. Скорость этой волны равнa скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78°.

Рис. 7. Амплитуда отражения головной волны в зависимости от глубины залегания плоскодонных отверстий.

Головная волна, кaк и вытекающая, порождаeт боковые поперечные ультразвуковые волны пoд третьим критическим углом к грaнице раздела. Одновременнo c возбуждением продольно-поверхностной волны образуeтся обратная продольно-поверхностная волна - распространeние упругого возмущения в сторону, противополoжную прямому излучению. Еe амплитуда в ~100 раз мeньше амплитуды прямой волны.

Головнaя волна нечувствительна к неровностям поверхноcти и реагирует лишь нa дефекты, залегающие под поверхностью. Ослаблениe амплитуды продольно-подповерхностной волны вдoль луча любого направления происходит кaк в обычнoй объемной продольной волне, т.e. пропорционально l / r, гдe r - расстояние вдоль луча.

Нa риc. 7 показано изменение амплитуды эхосигнала oт плоскодонных отверстий, расположенных нa разнoй глубинe. Чувствительность к дефектам вблизи поверхности близкa к нулю. Максимальная амплитуда пpи расстоянии 20 мм достигаетcя для плоскодонных отверстий, расположенных на глубине 6 мм.

Другие страницы по теме

Ультразвуковые волны

:

• < Затухание ультразвука
• Контроль герметичности >

weldzone.info

---

• 
  Златкрац ру передать показания
• 
  Какие бывают полупроводники
• 
  Внешняя характеристика генератора
• 
  Как работает счетчик электроэнергии электронный
• 
  Сливаю воду батарея теплая перестают холодная
• 
  Подсолнечное масло теплопроводность и электропроводность
• 
  Электромагнитное реле это
• 
  Термометр как устроен
• 
  Устройство импульсное зажигающее изу
• 
  Польза и вред электростатики
• 
  Правило правой руки и правило буравчика