Акустические свойства материалов

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятий «колебание» и «волна». В чем состоит различие непрерывных и импульсных колебаний?

2. Что такое волновая поверхность и волновой фронт? По какому признаку различают плоские, сферические и цилиндрические волны?

3. Чем отличается характер распространения упругих колебаний в твердых телах и в газах?

4. Что такое дисперсия скорости? Какие среды являются бездисперсионными?

Поясните физический смысл фазовой и групповой скорости волн.

6. Определите энергетические характеристики упругих волн. Что такое вектор Умова-Пойнтинга?

7. Что такое децибелы? Для чего они используются в акустическом контроле?

8. Какие физические свойства упругих сред называют акустическими?

9. Чем различаются явления затухания и ослабления упругих волн?

Упругие волны в ограниченных средах

В безграничных средах распространяются объемные продольные и поперечные волны. Они широко используются для контроля материалов, т.к. позволяют эффективно выявлять внутренние дефекты при падении на поверхность дефекта. Однако плоскостные дефекты, ориентированные вдоль направления распространения объемных волн, не дают обратного отражения и приводят к сильному рассеянию. В то же время в средах с ограниченными размерами могут возникать другие типы волн, которые эффективно используются для выявления дефектов в тонкостенных изделиях и вблизи поверхности.

Волны Рэлея

Волна Рэлея – это упругое возмущение, распространяющееся вдоль свободной поверхности твердого тела и быстро затухающее с глубиной. Рэлеевские волны являются комбинацией продольных и поперечных волн, распространяющихся вдоль поверхности с одинаковой скоростью. Скорость распространения волны Рэлея обозначим . Соотношение между скоростями рэлеевской и поперечной волн при известном коэффициенте Пуассона имеет следующий вид:

. (2.1)

Так как практически для всех металлов при нормальных условиях характерно значение коэффициента Пуассона , то имеем .

Свойства волн Рэлея.

1. Волны Рэлея могут распространяться на большие расстояния вдоль твердых поверхностей.

2. Их проникновение вглубь тела мало (на глубине порядка длины волны интенсивность составляет 5% от интенсивности на поверхности).

3. При распространении рэлеевской волны вдоль границы твердого тела частицы движутся по эллиптическим траекториям, т.е. рэлеевская волна имеет эллиптическую поляризацию[1] (рис. 2.1).

 

Рис. 2.1. Поляризация рэлеевской волны

4. Рэлеевские волны чувствительны к микрорельефу поверхности. Они плохо распространяются по шероховатым поверхностям, т. к. испытывают многократное рассеяние, однако при хорошей обработке поверхности могут применяться для выявления поверхностных трещин. Сказанное, однако, не относится к макрорельефу – рэлеевская волна одинаково хорошо распространяется и по плоским поверхностям и по поверхностям произвольной геометрии. Более того, данный тип волн может частично проходить и через прямой угол (рис. 2.2).

Рис. 2.2. «Огибание» прямого угла рэлеевской волной: часть волны "проходит" (51 % интенсивности), часть – отражается (37 %), остальное – трансформируется в другие типы волн.

На рис. 2.3 приведен качественный вид зависимости амплитуды касательных и нормальных смещений в зависимости от глубины залегания . Для нормальных смещений существует максимум, так как на свободной поверхности твердого тела напряжения частично релаксированы. Касательные смещения локализованы в очень тонком слое и даже меняют знак (это следствие эллиптической поляризации).

Рис. 2.3. Изменение амплитуды нормальных и тангенциальных смещений в волне Рэлея в зависимости от глубины: , – нормальные и касательные смещения, – амплитуда колебаний, – глубина залегания, – длина волны

Применяются рэлеевские волны, как правило, для выявления поверхностных дефектов и контроля свободной поверхности твердого тела и поверхностей контактирующих сред.

Рэлеевские волны существуют:

- на свободной поверхности;

- на границе твердое тело – жидкость;

- на границе двух твердых тел.

Головные волны

Волны данного типа распространяются вблизи поверхности в подповерхностном слое. Для скорости распространения головных волн принято обозначение . Скорость головной волны равна скорости продольной волны .

Особенности головных волн:

- головные волны являются совокупностью поверхностно-продольной и генерирующей ее объемно-продольной волны;

- нечувствительны к неровностям, шероховатостям поверхности;

- имеют наибольшую амплитуду на глубине около 6 мм;

- не затухают, не отражаются и не рассеиваются на поверхности;

- имеют наибольшую скорость распространения из всех других типов акустических волн, т.е. распространяются впереди других волн, из-за чего и получили свое название.

Головные волны используются для выявления подповерхностных дефектов не слишком глубокого залегания (6–10 мм от поверхности). Качественный вид зависимости амплитуды головной волны от глубины показан на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Качественный вид зависимости амплитуды сигнала от глубины залегания дефекта: – амплитуда сигнала, y – глубина залегания дефекта