1. Скорость распространения продольной и поперечной акустической волны в изотропном твердом теле; скорость звука в газе (теория Пуассона). Волновое сопротивление среды. Волновое уравнение с

1. Скорость распространения продольной и поперечной акустической волны в изотропном твердом теле; скорость звука в газе (теория Пуассона). Волновое сопротивление среды. Волновое уравнение с учетом потерь в среде, решение уравнения. Коэффициент затухания как сумма коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния. Качественный анализ механизмов поглощения и рассеяния акустической волны в твердом теле и жидкости. Продольной волной или волной расшире­ния-сжатия называют потому что направление колебаний в волне совпадает с направлением ее распространения. Поперечная волна или волна сдвига имеетнаправление колебаний перпендикулярно направлению рас­пространения волны, а деформации в ней сдвиговые. В жидкостях и газах поперечных волн не существует, так как в этих средах отсутствует упругость формы. Волну, в которой направление колебаний параллельно ограничи­вающей поверхности, называют горизонтально поляризованной (ТН-волной). Если колебания происходят в плоскости, перпенди­кулярной разделяющей поверхности, то такую волну называют вертикально поляризованной (TV-волной). Такие физико-механические свойства материала, как плотность, упругость, структурное строение, определяют посто­янные, характеризующие распространение в среде упругих волн, т.е. акустические свойства среды. Здесь рассматриваются изотропные среды, свойства которых оди­наковы во всех направлениях. К акустиче­ским свойствам сред относятся скорость распространения волны, коэффициент затухания и удельное волновое сопротив­ление (характеристический акустический импеданс). В твердом теле эти величины определяют для продольных и попереч­ных волн. Скорость продольной волны в жид­костях и газах где L - модуль всестороннего сжатия (мо­дуль всестороннего сжатия в литературе принято обозначать буквой К, но эта лите­ра очень часто используется в дальнейшем для обозначения гибкости). Скорость про­дольной волны в твердом теле, размеры которого в направлении, перпендикуляр­ном к направлению распространения вол­ны, много больше длины волны, где Е - модуль нормальной упругости. Скорость поперечной волны где G - модуль сдвига. Таким образом, скорости объемных волн пропорциональ­ны квадратному корню из отношения мо­дуля упругости к плотности, т.е. они воз­растают с увеличением упругости среды (которая показывает величину деформа­ции при заданной нагрузке) и уменьшают­ся с увеличением плотности. Важно отме­тить, что скорость определяется физиче­скими свойствами среды и не зависит от частоты или амплитуды волн (при не­больших величинах амплитуд). = волновое уравнение, описывающее распространение бегущей волны в струне, где c = фазовая скорость распространения волны. Решением уравнения является любая функция вида y = f (ct – x) или y = f (ct + x). Знак минус соответствует волне, бегущей в положительном направлении оси 0x, знак плюс – в отрицательном направлении. Если вибратор, возбуждающий волну, совершает гармонические колебания, то в качестве решения следует, естественно, выбрать функцию синуса или косинуса. Коэффициент затухания δ характе­ризует ослабление волны вследствие не­обратимых потерь при ее распространении в среде. Коэффициент за­тухания складывается из коэффициента поглощения и' коэффициента рассеяния: . При поглощении акустическая энергия переходит в тепловую в результа­те действия теплопроводности (отвод энергии от элементарного объема, испы­тывающего расширение и сжатие), упруго­го гистерезиса (зависимость напряжение -деформация описывается разными кривы­ми при расширении и сжатии) и вязкости (в жидкости). При рассеянии энергия ос­тается акустической, но уходит из направ­ленно-распространяющейся волны. Коэффициенты отражения и про­зрачности. При падении упругих волн на границу раздела двух сред волны частично проходят во вторую среду, а частично от­ражаются. Коэффициент отражения R определяется как отношение амплитуды Aотр отраженной волны к амплитуде Апад падающей волны: Коэффициент прозрачности D - это отношение амплитуд прошедшей Апр, и падающей волн: Подобными формулами определяют­ся также коэффициенты отражения и про­зрачности по энергии. Вместо амплитуд в формулы входят значения энергий или интенсивностей волн.

3. Отражение и преломление акустических волн на границе раздела двух сред (жидкость – жидкость; твердое тело - твердое тело; твердое тело - жидкость). Падающая на границу двух сред акустическая волна частично проходит через границу, а частично отражается от нее. При этом может происходить трансформация типов волн. В общем случае на границе двух твердых сред возникают по две (продольная и поперечная) отраженных и преломленных волны. Направления отраженных и прошедших волн определяются из закона синусов: где - скорости распространения продольных и поперечных волн в верхней и нижней средах. Этот закон следует из равенства фазовых скоростей вдоль границы для всех волн. Угол отражения продольной волны будет равен углу падения b (т.к. падает продольная волна и скорости падающей и отраженной продольных волн равны). Т.к. скорость распространения поперечной волны меньше (»2 раза) чем , то поперечная волна отразится под углом , меньшим, чем . Прошедшие продольные и поперечные волны также будут преломляться под разными углами, причем . При увеличении угла падения b углы a и g будут увеличиваться и при некотором значении bкр1 (первый критический угол) преломленные продольные волны будут распространяться по поверхности. Амплитуда прошедшей Апр и отраженной Аотр волн характеризуются соответствующими коэффициентами прозрачности и отражения где А0 - амплитуда падающей волны. Рассмотрим вначале случай жидких или газообразных сред. Нормальный импеданс волны здесь определяют как отношение акустического давления к нормальной составляющей колебательной скорости. Если первой и второй средой являются твердые тела, то из закона синусов вытекает возможность существования целого ряда критических углов. Первый критический угол существует, когда падающая волна продольная и . Формулы для коэффициентов отражения и прозрачности для случая двух твердых тел или жидкости и твердого тела могут быть получены путем обобщения соотношений, выведенных ранее для границы двух жидкостей. где SZ - сумма импедансов всех отраженных и преломленных волн; Zпад - импеданс падающей волны; Zпр - импеданс прошедшей волны.

4. Волновые пакеты, групповая скорость пакета. Теорема о ширине частотной полосы. Искажение волнового пакета в процессе распространения. Волновой пакет — определённая совокупность волн, обладающих разными частотами, которые описывают обладающую волновыми свойствами формацию, в общем случае ограниченную во времени и пространстве. Скорость движения максимума огибающей амплитуды группы волн или волновогопакета называется групповой скоростью. При наличии дисперсии групповая скорость отличается от фазовой скорости. В результате огибающая амплитуд и слагаемые волны движутся с различными скоростями, что приводит к изменению формы огибающей в процессе распространения волны, т.е. при наличии дисперсии волновой пакет распространяется с изменением формы. Важное соотношение между шириной спектра  и длительностью цуга волн . Оно имеет самый общий характер (прообраз соотношения неопределенностей в квантовой физике). Чем больше длительность волны , т.е. синусоида ближе к монохроматической зависимости, тем уже спектр, сосредоточенный около основной частоты 0. Наоборот, чем меньше длительность цуга, тем шире спектральный состав волнового пакета.

5. Пьезоэлектрические преобразователи. Акустическое поле преобразователя: поле прямого преобразователя; поле преобразователя с задержкой в виде призмы. Понятия о поле фокусирующего преобразователя и поле фазированной решетки. Понятие о бесконтактных преобразователях. Акустическим полем называют область простран­ства, упругие колебания в точках которого определяются их поло­жением относительно объекта, порождающего это поле: излучате­ля, отражателя, границы раздела сред. Поле прямого преобразователя Вывод проведен для поля продольных волн в жид­кости, а затем введены необходимые уточнения, связанные с ре­альными условиями контроля твердого тела. Поле излучения пре­образователя представляют как результат действия элементарных источников, на которые разбивают всю площадь излучателя. Поле преобразователя с призмой В наклонных преобразователях между пьезопластиной и ОК помещают призму из материала со скоростью звука мень­шей, чем в материале ОК. Призму также называют акустической задержкой, имея в виду то, что благодаря ей прохождение фронта волны задерживается на одинаковые (плоскопараллельные за­держки) или разные промежутки времени. В последнем (чаще все­го применяемом) варианте призма обеспечивает наклонный ввод различных типов волн в ОК. Поле фокусирующего преобразователя Фокусирующими называют преобразователи, обес­печивающие концентрацию энергии акустического поля в опреде­ленной области — фокальной зоне, которая имеет вид кружка (сфе­рическая фокусировка) или полосы (цилиндрическая фокусиров­ка). В дальнейшем рассмотрена сферическая фокусировка, но по­лученные закономерности в основном справедливы также для ци­линдрической фокусировки. Фокусирующие преобразователи при­меняют для повышения чувствительности к дефектам, точности оп­ределения их положения и размеров. Поле фазированной решетки Фазированной решеткой (ФР) называют преобразо­ватель в виде элементов, расположенных на определенном рассто­янии друг от друга, возбуждающие электрические импульсы на ко­торые подают со сдвигом фазы (времени). Аналогичные электри­ческие временные задержки для каждого элемента вводят в при­емный тракт. Изменяя сдвиг фазы, управляют акустическим полем преобразователя. Иногда также изменяют амплитуды сиг­налов, подаваемых и снимаемых с различных элементов. ФР применяют для изменения уг­ла ввода, регулировки ширины диаграммы направленности, по­давления боковых лепестков, фо­кусировки. Бесконтактный способ, в котором акустические колебания в ОК возбужда­ются через слой воздуха (воздушно-акустическая связь) или с помощью элек­тромагнитных, оптико-тепловых и других явлений Бесконтактные способы обыч­но имеют чувствительность, значительно меньшую, чем контактные. Иммерсион­ный способ также обеспечивает чувстви­тельность, в 10... 100 раз меньшую кон­тактного.

6. Сущность вихретокового метода контроля. Проходные вихретоковые преобразователи. Годограф сигнала проходных преобразователей. Вихретоковый контроль, относящийся к неразрушающим методам, позволяет исследовать электропроводные материалы. Эффективность данного метода подтверждается многолетней практикой. Суть вихретокового контроля заключается в следующем. Переменное электромагнитное поле воздействует на металл исследуемой детали, что приводит к образованию вихревых токов. Они, в свою очередь, формируют свое электромагнитное поле, противодействующее полю внешнему. Измерительные катушки фиксируют возникновение электромагнитного поля, основой которого выступают вихревые токи. В том случае, если поверхность исследуемого материала имеет какие-либо нарушения однородности, происходит увеличение сопротивления поверхностного слоя данного изделия, в результате чего вихревые токи ослабевают. Возникающее при этом сопротивление и напряжение на катушках регистрируются. Эта информация служит опорой при определении свойств изделия, его местоположении относительно расположения преобразователя. Вихревой контроль позволяет оценить структурное состояние изделия, вибрацию, несплошности и т.д. Вихретоковый контроль предназначен для выявления коррозии, износа, эрозии, трещин и иных видов повреждений. Данный метод особенно актуален в тех случаях, когда исследовать необходимо электропроводящие объекты: металлы, графит, сплавы, полупроводники и т.п. Проходные вихретоковые преобразователи типа ЗНС и ЗЧС Использование проходных вихретоковых преобразователей типа ЗНС и ЗЧС различных диаметров позволяет выявлять дефекты типа утонение стенки, коррозионная язва и трещина на теплообменных трубах из ферромагнитных и аустенитных сталей, цветных металлов и сплавов. Многоканальность вихретокового дефектоскопа последнего поколения ("УВТП-4811") позволяет работать этими зондами в дифференциально-абсолютном режиме. При использовании соответствующих типов и диаметров зондов возможен контроль любых теплообменных труб внутренним диаметром от 10 до 40 мм. Минимальная глубина выявляемых дефектов типа утонение стенки составляет ±(5÷10)% от номинальной толщины стенки. Минимальная глубина выявляемых трещин и язв составляет 20% от номинальной толщины стенки для нержавеющих сталей и цветных металлов. Погрешность оценки глубины дефектов составляет ±(5÷10)%. Контроль возможен даже тогда, когда на внутренней поверхности труб имеются значительные настенные отложения.

Дата добавления: 2015-09-28