Домашнее задание по дисциплине
« Неразрушающий контроль узлов и деталей подвижного состава» для группы: Т-41,
Т-42, Т-43, Т-45 от 18.02.26.
|
Тема задания
|
Учебные пособия
|
|
Тема: «Физические основы ультразвукового
метода неразрушающего контроля». Прочитайте прилагаемую
лекцию. Ответьте на вопросы.
|
Основной учебник: Техническая
диагностика вагонов, Криворудченко В.Ф.,М.,2013
|
|
Контрольные
вопросы:
1.
Что такое ультразвук?
2.
Что такое дисперсия звука?
3.
Что такое интенсивность и
мощность ультразвука?
4.
Что такое затухание и рассеяние
ультразвука?
5.
Что происходит с ультразвуком при
прохождении границы раздела сред?
Что
такое интерференция и дифракция ультразвуковых волн?
|
Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн
Ультразвук
- механические колебания, находящиеся выше области частот, не 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. 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.
Скорость
звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении
является постоянной.
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.
Разновидности
ультразвуковых волн
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
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
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
и мощность ультразвука
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. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность
акустического поля в точке.
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. 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.
Затухание
ультразвука
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).
Отражение
ультразвука от границы раздела сред
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.
Коэффициент
пропускания энергии из одной среды в
другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду,
к интенсивности падающей волны
Интерференция
и дифракция ультразвуковых волн
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
Контрольные вопросы:
1.
Что такое ультразвук?
2.
Что такое дисперсия звука?
3.
Что такое интенсивность и мощность
ультразвука?
4.
Что такое затухание и рассеяние
ультразвука?
5.
Что происходит с ультразвуком при
прохождении границы раздела сред?
6.
Что такое интерференция и дифракция
ультразвуковых волн?
|