Природа и свойства акустических волн

Акустическими волнами называют рас­пространяющиеся в упругой среде механические колебания части­чек среды. При движении волны частицы не переносятся, а

совершают колебания около своих положении равновесия. Рас­стояние между ближайшими частицами, колеблющимися в оди­наковой фазе, называется длиной волны X:

где с — скорость движения волны в материале проверяемой детали, м/с;

Т — период колебаний, с;

/ = у — — частота колебаний, Гц.

В зависимости от направления колебания частиц по отноше­нию к направлению распространения волны различают продоль­ные, поперечные, поверхностные и нормальные волны.

В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны, а в поперечной (сдвиговой) волне — пер­пендикулярно к направлению ее распространения. Продольные волны представляют собой чередование зон сжатий и растяжений (рис. 6.1, а). Они могут распространяться в твердых, жидких и газообразных средах. Поперечные волны (рис. 6.1, б) могут рас­пространяться только в твердых средах.

В поверхностной волне частицы одновременно совершают продольные колебания в направлении распространения и попе­речные перпендикулярно к поверхности, описывая эллиптические или более сложные траектории. Эти волны распространяются по поверхности летали, следуя ее изгибам и быстро затухая с глубиной (рис. 6.1, в). Толщина околоповерхностно го слоя, в котором распространяются поверхностные волны, составляет не более 2Хпов — При рабочих частотах 0,5—10 МГц примерные зна­чения этих толщин соответственно составляют 6,0—0,3 мм.

Нормальные волны можно возбудить только в тонкостенных (от 0,3 до 10 мм) листах, трубах пли в оболочках постоянной толщины. При этом частицы совершают колебания по таким же траекториям, как в поверхностной волне, но на всю толщину листов или стенок труб, оболочек. Обычно возникают и распро­страняются независимо одна от другой две нормальные волны (рис. 6.1,г и д): симметричная (волна растяжения) и асиммет­ричная (волна изгиба).

В зависимости от частоты упругие волны разделяют на инфразвуковые (/ до 16—20 Гц), звуковые (от 16 до 2-Ю4 Гц), ультразвуковые (от 2-Ю4 до 109 Гц) и гиперзвуковые — свыше 109 Гц. Восприятию человеческим ухом доступен только звуковой диапазон, остальные волны нс слышны. Для целей дефектоскопи­ческого контроля используют ультразвуковые волны частотой от 0,5 до 10 МГц и волны звукового диапазона частотой от 1 до 8 кГц.

Скорость распространения продольной Сщ,, поперечной сп(т и поверхностной Спои волн определяется только их типом, упругими свойствами (модулями упругости и сдвига, коэффициентом Пуас­сона) и плотностью материала детали. Между собой эти скорости связаны соотношениями сПов — 0,93 споп; Сшш ~ 0,6 спр. Скорость распространения нормальной волны сн в отличие от скорости распространения других типов волн зависит не только от свойств материала, но и от частоты колебаний и толщины стенок контро­лируемых изделий.

Акустические свойства одной среды по отношению к другой характеризуются удельным волновым сопротивле­нием z, под которым понимают произведение плотности среды р на скорость распространения в ней продольной волны спр (г = = рСцР). Для газов, жидкостей и металлов 2 относятся между собой примерно как 1:10 000:100 000. Соотношение удельных вол­новых сопротивлений двух сред определяет степень проникнове­ния ультразвуковой энергии из одной среды в другую.

Значения скоростей Сщъ Сноп И С1ЮВ, ДЛИН ВОЛН Хпр, Priori и Хпов и удельного волнового сопротивления некоторых веществ приве­дены в табл. 14,

Коротковолновые ультразвуковые колебания (УЗК) по своим свойствам сходны со свойствами световых лучей: распростра­няются в виде направленных лучей; они так же, как и световые лучи, могут отражаться, преломляться, фокусироваться, интер­ферировать, испытывать дифракцию и затухать по мере распро­странения.

в