Природа и получение ультразвуковых колебаний

Упругие механические колебания, распространяющиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Такие колебания принято называть акустическими. Если их частота более 20000 Гц (20 кГц), т.е. выше порога слышимости для человека, то такие колебания называют ультра­звуковыми (УЗК). В дефектоскопии используют УЗК с частотой около 0,5-20 МГц.

При получении УЗ-колебаний для контроля качества изделий обычно применяют пьезоэлементы.  Пьезопластина, к которой приложено с часто­той f переменное электрическое поле, излучает с той же частотой УЗ-колебания, которые, распространяясь, образуют акустическое поле (рис. 4.1).

Рис.4.1. Схема распространения УЗ-волн от источника- пьезоэлемента: а) – акустическое поле; б) – распределение интенсивности вдоль луча; в) – диаграмма направленности излучателя

 В этом поле механическая энергия передается со скоростью С  в форме волн длиной λ:

                                                      (4.1)

Скорость С - физическая константа среды и зависит только от ее свойств. Поэтому, применяя эту формулу в виде С = fλ или f = C /λ, важно помнить, что нельзя изменить С за счет частоты f  (или длины волны λ).

Следует иметь в виду неоднородность (осцилляции амплитуды)

акустического поля в так называ­емой ближней зоне r _Б, что видно по диаграмме направленности излуча­теля (рис. 4.1. б, в).

Типы и скорость ультразвуковых волн

В неограниченном объеме в зависимости от среды могут возникать УЗ-волны двух основных типов: продольные и поперечные.

Скорость С _L, продольных волн в среде плотностью ρ определяют по формуле

или приближенно

                                          (4.2)

Скорость C_t поперечных волн равна

                       (4.3)

Здесь Е  и G — модули упругости для нормальной (модуль Юнга) и сдвиговой деформации. Для металлов коэффициент Пуассона равен

μ =0,3.     .

Продольные волны могут быть возбуждены в любых средах, а попе­речные — только в твердых телах, где С > 0.

В твердых телах кроме продольных и поперечных волн могут быть возбуждены волны других типов. Вдоль свободной поверхности тела могут распространяться поверх­ностные волны Рэлея. Их скорость С _re примерно равна 0,93С _t, а глубина распространения не более λ. В тон­ких листах или в изделиях с толщиной, соизмеримой с длиной поперечной волны, могут распространяться так называемые волны Лэмба. Их скорость зависит от частоты УЗК. Эти волны называ­ют иногда пластиночными. Волны Рэлея и Лэмба можно "прощупать" на контролируе­мых поверхностях пальцами: если с одной стороны изделия - это волны Рэлея, а если с двух сторон — волны Лэмба.

Распространение ультразвука

Пространство, в котором распространяются УЗ-волны, называют акустическим (ультразвуковым) полем. Интенсивность ультразвука I в Вт/см² — это количество энергии, переносимое УЗ-волной за 1 с через 1 см² площади. Для плоской волны при амплитуде смещения А

,                                       (4.4)

где ρС = z — удельное акустическое сопротивление среды.

Затухание энергии УЗК на глубине r происходит по экспоненциаль­ному закону. Для интенсивности I получаем

                                        (4.5)

Для амплитуды УЗК

                                        (4.6)

где δ- коэффициент затухания УЗК, см-'; I₀, А ₀ — значения при r= 0. На практике, как правило, нет необходимости измерять интенсив­ность или амплитуду УЗК в абсолютных значениях. Более удобна логариф­мическая шкала относительного изменения величин в децибелах. Число децибел (дБ)

                          (4.7)

Пользуясь шкалой децибел, легко установить, например, если отношение амплитуд посланного и отраженного от несплошности сигнала А/А₀ = 2, то lg 2 » 0,3,что соответствует N= +6 дБ. Если А/А₀ = = 0,5, то N = -6 дБ и т.п. Децибельная шкала очень удобна на практике, поскольку амплитуды А₀ и А могут отличаться на два-три порядка — в 10, 100 и 1000 раз. В децибелах это составит соответственно 20,40 и 60дБ, т.е. имеем величины одного порядка. Например, если отраженный сигнал А = 0,002Ао, это соответствует минус 54 дБ.

За пороговое значение интенсивности I₀ или амплитуды А₀ ультра­звука в акустике принят нижний порог слышимости человеческого уха I ₀ =10^-16 Вт/см². В УЗ-дефектоскопии используют излучатели, создаю­щие намного большую интенсивность 10^-1 - 10^-2 Вт/см². Однако это не представляет опасности для здоровья оператора.