Энергетические характеристики акустических волн

Независимо 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 ЗАТУХАНИЯ

Ослабление амплитуды плоской гармонической волны в результате взаимодействия ее со средой происходит по закону , где х - путь в среде, а d - 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 d 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 материалампо 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 швахиз аустенитной стали происходит упорядочение ориентации кристаллов.