Введение. Распространение волн

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН

Содержание

1 Волновые явления

2 Излучение и приём акустических волн

Литература

1 Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля: практ. пособие/ И. Н. Ермолаев, Н. П. Алёшин, А. И. Потапов; под ред. В. В. Сухорукова. – М.: Высш. шк., 1991. – 283 с.

2 Элементарный учебник физики. Том 3. Колебания, волны. Оптика. Строение атома/ Под ред. академика Г. С. Ландсберга. – М.: Наука, 1970. – 640 с.

Лекция посвящается изучению волновых явлений на границе раздела сред и средств излучения и приёма акустических волн.

1 Волновые явления

Известно, что в твёрдой, жидкой или газообразной среде, обладающей упругостью, под действием внешних сил возникают колебательные движения (колебания) и распространяются акустические волны.

Колебаниями называются повторяющиеся изменения значения величины относительно некоторого среднего значения. Распространение колебаний в какой-либо среде называется волнами.

Акустические волны в зависимости от условного диапазона частот называются:

инфразвуком (менее 20 Гц);

звуком (от 20 Гц до 20 кГц);

ультразвуком (от20 кГц до 10³ МГц);

гиперзвуком (более 10³ МГц).

Волна, которая распространяется перпендикулярно направлению колебаний (поперёк направления колебаний) частиц среды, называется поперечной волной. В поперечной волне чередуются области с противоположным направлением сдвига слоёв среды (рисунок 1, б).

а – состояние равновесия; б – поперечная волна; в – продольная волна

Рисунок 1 – Деформация среды в поперечной и продольной волнах

Деформация сдвига возможна только в твёрдой среде. Поэтому поперечная волна может возникать и распространяться только в твёрдой среде.

Волна, которая распространяется вдоль направления колебаний частиц среды, называется продольной волной. В продольной волне чередуются области растяжения и сжатия слоёв среды (рисунок 1 в).

Растягиваться и сжиматься может любая среда – твёрдая, жидкая, газообразная. Поэтому продольная волна может возникать и распространяться в любой среде.

Распространение волны означает запаздывающую передачу колебательного движения от одной области среды к другой, то есть передачу энергии. Никакого переноса вместе с волной самого вещества среды, в которой волны распространяются, не происходит.

Периодичность колебаний во времени характеризуется периодом Т колебаний. Расстояние , на которое распространяются колебания за один период, называется длиной волны.

Скорость распространения волны вычисляется по формуле

. (1)

Поперечная и продольная волны распространяются с разными скоростями. Скорость распространения волны тем больше, чем меньше упругость и плотность среды.

Акустическая волна, встречая границу раздела сред разной плотности, частично проходит границу с преломлением, частично отражается и может преобразоваться из продольной в поперечную или наоборот.

На границе твёрдых сред могут возникать по две (продольная и поперечная) преломлённые и отражённые волны (рисунок 2).

β – угол падения волны; γ _t, и α _t – углы отражения и преломления поперечных волн; γ _l и α _l – углы отражения и преломления продольных волн

Рисунок 2 – Направления отражения и преломления волны на границе раздела двух твёрдых сред

Углы отражения и преломления, соотношения амплитуд продольных и поперечных волн зависят от угла падения волны. С увеличением угла падения преломлённые волны приближаются к границе раздела сред и при некоторых значениях угла, называемых критическими, сливаются с ней и затухают.

Явления преломления используются в дефектоскопии для возбуждения волн определённого типа в заданном направлении.

Примечание – Теоретически и экспериментально доказано, что на границе раздела оргстекло-сталь при критических углах падения продольной волны амплитуды продольной и (или) поперечной волн в стали становятся равными нулю. В диапазоне углов падения от 0 до 10° в стали существует продольная волна с углом наклона к поверхности до 20°, а амплитуда поперечной волны мала. С увеличением угла падения вплоть до первого критического (примерно 27°) амплитуды продольной и поперечной волн сближаются. Между первым и вторым критическими углами (примерно 57°) в стали существует только поперечная волна.

В дефектоскопии чаще всего используются диапазоны углов существования одной волны.

Акустическая волна способна огибать край препятствия и распространяться позади него. Явление огибания волной края препятствия называется дифракцией.

Особенно отчётливо дифракция наблюдается при малых по сравнению с длиной волны размерах препятствия. Из-за дифракции невозможно получить сколь угодно узкие пучки акустических волн с помощью, например, диафрагмы.

Дифракция учитывается при получении направленной акустической волны, в которой энергия передаётся преимущественно в одном направлении. Направленная волна создаётся источником, протяжённость которого значительно превышает длину волны. Излучаемая энергия в основном концентрируется в некотором секторе и этот сектор тем уже (направленность излучения тем больше), чем больше соотношение длины источника и волны.

Наложение акустических волн одинаковой длины с неизменным сдвигом фаз, называемых когерентными, приводит к явлению интерференции.

При интерференции волн наблюдается устойчивая, не изменяющаяся со временем картина чередования максимумов и минимумов амплитуды колебаний среды.

Интерференционная картина, наблюдаемая при наложении двух распространяющихся навстречу друг другу когерентных и одинаковых по интенсивности волн, называется стоячей волной.

Стоячая волна возникает, например, когда волна попадает на хорошо отражающее препятствие, перпендикулярное к направлению её распространения.

Переноса энергии в стоячей волне нет. Энергия переходит из кинетической в потенциальную и обратно (это и является главным основанием, чтобы называть такую волну стоячей).

Модель деформации среды в поперечной стоячей волне показана на рисунке 3. В среде чередуются неподвижные области (узлы) и области с наибольшей амплитудой колебаний (пучности). Расстояние между двумя узлами (пучностями) равно половине длины волны.

Рисунок 3 – Модель деформации среды в поперечной стоячей волне

2 Излучение и приём акустических волн

Акустические волны возбуждаются и принимаются путём преобразования колебаний некоторого физического поля в упругие колебания и, наоборот, с помощью устройств, которые называются преобразователями акустических колебаний или просто преобразователями (таблица 1).

Таблица 1 – Классификация преобразователей акустических колебаний

Классификационные признаки	Классификационные группировки
Выполняемые функции	Излучатель; приёмник; совмещённый; раздельно-совмещённый
Физические явления, положенные в основу преобразования (принцип преобразования)	Электроакустический; электромагнитно-акустический; лазерный и другие
Акустический контакт	Контактный; иммерсионный; бесконтактный
Конструкция	Прямой; угловой (призматический). Плоский; фигурный

Преобразователи для излучения и приёма волн называются излучателем и приёмником соответственно. Если один и тот же преобразователь выполняет обе функции, то он называется совмещённым. Иногда излучатель и приёмник конструктивно объединяются в одном блоке и преобразователь называется раздельно-совмещённым.

Наиболее часто применяются электроакустические пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), в которых чувствительный элемент изготовляется из пьезоматериала в форме пластины с металлическими электродами.

При подаче на электроды напряжения переменного тока пластина вследствие обратного пьезоэффекта деформируется в такт с изменением напряжения и работает как излучатель, создавая в окружающей среде акустические волны.

Работая как приёмник, пластина, вследствие прямого пьезоэффекта преобразует акустические колебания в напряжение переменного тока на электродах.

Обобщающими характеристиками свойств ПЭП являются комплексные передаточные функции при излучении, приёме и двойного преобразования, определяющие связь параметров электрических и акустических сигналов.

Для решения большинства практических задач используются частные характеристики, следующие из передаточной функции:

коэффициент преобразования, равный максимальному значению модуля передаточной функции;

рабочая частота, соответствующая этому максимуму;

полоса пропускания, равная частотному диапазону, в котором передаточная функция уменьшается не более чем на 6 ДБ от максимума.

Преимущества электромагнитно-акустических преобразователей (ЭАП) перед другими состоит в высокой эффективности преобразования и малых габаритах. Основной недостаток – необходимость контактной среды (обычно жидкости) для передачи акустических колебаний от преобразователя к объекту и обратно.

В зависимости от толщины слоя контактной жидкости способы акустического контакта ЭАП и объекта подразделяются на контактный, щелевой и иммерсионный (погружной).

Слой жидкости при контактном способе имеет толщину меньше длины ультразвуковой волны. Это достигается прижатием (давление должно быть не меньше 200 Па) к зачищенной, смоченной маслом, глицерином или водой поверхности объекта. Нарушение жидкой прослойки или изменение её толщины приводит к нестабильности акустического контакта.

При щелевом способе акустического контакта толщина слоя жидкости порядка длины ультразвуковой волны поддерживается постоянной за счёт конструкции преобразователя.

Для обеспечения иммерсионного (погружного) акустического контакта объект полностью погружается в ванну с жидкостью. Толщина слоя жидкости должна быть значительно больше длины волны, в противном случае возникает интерференция волн. Иммерсионный способ применяется при контроле объектов с сильно шероховатой поверхностью, но без макронеровностей.

Примечание – Иногда в зоне контроля создаётся локальная иммерсионная ванна, применяется контакт через струю жидкости, тонкий слой резины или эластичной пластмассы, или сухой точечный контакт.

Прямым преобразователем создаётся акустическая волна, направленная по нормали к поверхности объекта.

Акустическая волна, создаваемая угловым преобразователем, направлена под заданным углом к поверхности ил по поверхности объекта.

Конструкция совмещённого прямого плоского преобразователя, рассчитанного на возбуждение в объекте продольной волны для обнаружения внутренних дефектов, показана на рисунке 4.

1 – пьезопластина; 2 – демпфер; 3 – протектор; 4 – корпус; 5 – электрический разъём

Рисунок 4 – Упрощённая конструкция преобразователя

Пьезопластина толщиной λ/2 обычно изготовляется из пьезокерамики и приклеивается к демпферу из звукопоглощающего материала.

Защитный протектор толщиной (0,2-0,5)λ изготовляется из износостойкого материала.

Электроды на поверхности пьезопластины соединяются проводниками с контактным устройством.

Угловой преобразователь отличается от прямого наличием призмы из органического стекла (рисунок 5).

Рисунок 5 – Угловой преобразователь с призмой

Пьезоэлемент излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с объектом преломляются и частично отражаются. Отражённая часть ультразвуковой энергии попадает в ловушку (передняя и верхняя части призмы) и гасятся в ней.

Угол наклона призмы обеспечивает введение в объект волн требуемого вида под нужным углом.

Профессор В. П. Фандеев

Дата добавления: 2014-01-07