Акустические колебания и волны. Типы волн

Акустические колебания — это механические колебания частиц упругой среды, а акустические волны — процесс распространения в этой среде механического возмущения. При распространении УЗВ выполняется перенос энергии без переноса вещества.

Акустические волны в зависимости от частоты делятся на:

- инфразвуковые – до 20 кГц;

- звуковые – от 20 кГц до 40кГц;

- ультразвуковые - от 40 кГц до 1 ГГц;

- гиперзвуковые - 1 ГГц и выше.

При контроле применяют колебания ультразвукового и звукового диапазона частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность этих колебаний обычно невелика — не более 0,1 кВт/см². Колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

При распространении упругой волны рассматриваются 3 типа источников:

1) Бесконечная плоскость с плоским фронтом волны, волна не ослабевает с расстоянием

, (1)

где φ – потенциал смещения частицы;

Φ – амплитуда;

k – волновое число;

r – расстояние пройденное волной;

ω – угловая скорость.

2) Сферический источник, фронт волны – сферический. Волна характеризуется ослаблением, обратно пропорционально расстоянию.

, (2)

3) Цилиндрический источник, волна ослабевает в .

, (3)

Основные характеристики УЗВ:

- длина волны – λ, мм;

- частота – f, Гц;

- скорость распространения волны – c, м/с;

- амплитуда

Типы ультразвуковых волн:

1 Объемные волны

Объемные волны бывают продольные и поперечные. Продольные волны – это волны растяжения-сжатия, в которой направления колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны. Продольные волны существуют в твердых, жидких и газообразных средах.

Поперечные волны – волны сдвига, в которых направления колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны. Распространение волны происходит за счет деформации частиц сдвигом без образования зон растяжения, сжатия, поэтому вещество должно обладать упругостью формы. Поперечные волны существуют только в твёрдых телах.

В отличие от продольных волн, поперечные волны имеют поляризацию. Различают следующие виды поляризации:

- горизонтальная поляризация SH – колебание частиц происходит параллельно поверхности ввода;

- вертикальная поляризация SV – колебание частиц происходит перпендикулярно поверхности ввода.

Для контроля объектов применяется поперечная волна SV поляризации, получаемая путем трансформации из продольной волны.

2 Поверхностные волны

Поверхностные волны бывают: подповерхностная продольная головная волна, подповерхностная поперечная головная волна, поверхностная волна Релея (волна Релея распространяется на поверхности вдоль границы раздела двух сред).

Подповерхностные волны распространяются под поверхностью на глубине фронтом 4…6 λ и непрерывно излучают трансформированные волны.

U

C_l^гол

 

C_t^тран

4…6λ

Рисунок 1.1 – Продольная головная подповерхностная волна

C_l^гол – продольная подповерхностная головная волна

C_t^тран – трансформированная поперечная (боковая) волна.

Продольная головная подповерхностная волна распространяется на расстоянии 2…3 мм от поверхности, непрерывно излучающие объемные поперечные трансформированные волны под углом γ = 34⁰ (для стали).

Особенности продольной головной волны:

- распространяется вдоль поверхности на глубине примерно равной длине волны;

- колебания частиц осуществляется по эллипсу;

- присутствует только в твёрдых телах;

- волна существует на глубине 4…6 λ;

- скорость головной продольной волны равна скорости объёмной продольной волны;

- применяется для контроля объектов толщиной от 10 до 20 мм.

 

Поперечная головная подповерхностная волна – это волна бегущая под поверхностью и непрерывно излучающая продольную неоднородную (бысторозатухающую) объемную волну.

Особенности поперечной головной волны:

- распространяется вдоль поверхности на глубине примерно равной длине волны;

- колебания частиц осуществляется по эллипсу;

- присутствует только в твёрдых телах;

- непрерывно излучает трансформированную, продольную волну, перпендикулярную поверхности;

- волна существует на глубине 6…8 λ;

- скорость головной поперечной волны равна скорости объёмной поперечной волны;

- применяется для контроля объектов толщиной больше 20мм.

Волна Релея распространяется на поверхности вдоль границе раздела двух сред.

Особенности данной волны:

- колебание частиц происходит по эллипсу, перпендикулярному поверхности;

- малое затухание, высокая прозвучиваемость;

- небольшая глубина проникновения;

- возможность прохождения выпуклых, вогнутых и прямоугольных углов;

- существует в твердых телах;

- определение волны Релея заключается в следующем: если прижать палец к объекту контроля между источником и отражателем релеевской волны, то амплитуда отраженной волны резко уменьшится;

- при нагружении жидкостью поверхности, вдоль которой бежит релеевская волна, возникает специфическая быстрозатухающая волна – поверхностная волна Стоунли.

3 Волны в пластинах, стержнях

Если твердое тело имеет две свободные поверхности (пластина), то в нем могут существовать упругие специфические волны. Их называют волнами в пластинах или волнами Лэмба и относят к нормальным волнам, т.е. волнам, бегущим в направлении вдоль границ среды и стоячим в перпендикулярном направлении

В стержнях, как и в пластинах, существуют нормальные волны, бегущие в направлении длины стержня и образующие систему стоячих волн и колебаний в поперечном сечении. По имени ученого, исследовавшего систему нормальных волн в круглых стержнях, их называют волнами Порхгамера.