Введення
Пружність - це властивість твердих тіл відновлювати свої форму і об'єм (а рідин і газів - тільки обсяг) після припинення дії зовнішніх сил. Середовище, що володіє пружністю, називають пружною середовищем. Пружні коливання - це коливання механічних систем, пружного середовища або її частини, що виникають під дією механічного обурення. Пружні або акустичні хвилі - механічні обурення, що поширюються в пружному середовищі. Окремий випадок акустичних хвиль - чутний людиною звук, звідси походить термін акустика (від грец. akustikos-слуховий) в широкому сенсі слова - вчення про пружних хвилях, у вузькому - вчення про звук. У залежності від частоти пружні коливання і хвилі називають по-різному.
Таблиця 1 - Діапазони частот пружних коливань
Назва коливань і хвиль
Якісне визначення
Частота, Гц
Фізичний діапазон
Умовний діапазон
Інфразвук
Нижче межі чутності
Нижче 16-25
Нижче 20
Звук
Діапазон чутності
Від 16-25 до (15-20) * 10 3
20 ... 20 * 10 3
Ультразвук
Вище межі чутності
Від (15-20) * 10 3 до 10 9
20 * 10 3 ... 1 * 10 9
гіперзвуку
Довжина хвилі менше довжини вільного пробігу молекул повітря
Вище 10 9
Вище 10 9
Пружні коливання і акустичні хвилі, особливо ультразвукового діапазону, широко застосовують у техніці. Потужні ультразвукові коливання низької частоти застосовують для локального руйнування тендітних міцних матеріалів (ультразвукова довбання); диспергування (тонкого подрібнення твердих або рідких тіл в якому-небудь середовищі,
наприклад жирів у воді); коагуляції (укрупнення часток речовини, наприклад, диму) та інших цілей. Інша область застосування акустичних коливань і хвиль - контроль та вимірювання. Сюди відносять звукову й ультразвукову локацію, ультразвуковую медичну діагностику, контроль рівня рідини, швидкості потоку, тиску, температури в судинах і трубопроводах, а також використання акустичних коливань і хвиль для неруйнівного контролю (НК).
У своїй контрольній роботі я планую розглянути акустичні методи контролю матеріалів, їх типи і особливості.
1. Типи акустичних хвиль
Методи акустичного контролю використовують хвилі малої амплітуди. Це область лінійної акустики, де напруга (або тиск) пропорційно деформації. Область коливань з великими амплітудами або інтенсивностями, де така пропорційність відсутня, відноситься до нелінійної акустиці.
У необмеженої твердої середовищі існує два типи хвиль, які поширюються з різними швидкостями: поздовжні і поперечні.
Рис. 1 - Схематичне зображення поздовжніх (а) і поперечних (б) хвиль
Хвилю u l називають поздовжньої хвилею або хвилею розширення-стиснення (рис. 1. а), тому що напрямок коливань в хвилі співпадає з напрямком її поширення.
Хвилю u t називають поперечної або хвилею зсуву (рис. 1. б). Напрямок коливань у ній перпендикулярно напрямку поширення хвилі, а деформації в ній сдвіговиє. У рідинах і газах поперечних хвиль не існує, так як в цих середовищах відсутня пружність форми. Поздовжні і поперечні хвилі (їх узагальнена назва - об'ємні хвилі) найбільш широко використовують для контролю матеріалів. Ці хвилі краще всього виявляють дефекти при нормальному падінні на їх поверхню.
Уздовж поверхні твердого тіла поширюються поверхневі (хвилі Релея) і головні (повзуть, квазіоднородние) хвилі .
Рис. 2 - Схематичне зображення хвиль на вільній поверхні твердого тіла: а - релєєвськоє, б - головний
Поверхневу хвилю успішно застосовують для виявлення дефектів поблизу поверхні виробу. Вона вибірково реагує на дефекти в залежності від глибини їх залягання. Дефекти, розташовані на поверхні, дають максимальне віддзеркалення, а на глибині більше довжини хвилі практично не виявляються.
Квазіоднородная (Головний) хвиля майже не реагує на поверхневі дефекти і нерівності поверхні, в той же час з її допомогою можна виявити підповерхневі дефекти в шарі, починаючи від глибини близько 1 ... 2 мм. Контролю тонких виробів такими хвилями заважають бічні поперечні хвилі, які відбиваються від протилежної поверхні ОК і дають помилкові сигнали.
Якщо між собою граничать дві тверді середовища (рис. 3, в), модулі пружності та щільності яких не сильно відрізняються, то вздовж кордону поширюється хвиля Стоунлі (або Стонслі), Такі хвилі знаходять застосування для контролю з'єднання біметалів.
Поперечні хвилі, що поширюються вздовж кордону розділу двох середовищ і мають горизонтальну поляризацію, називають хвилями Лява . Вони виникають, коли на поверхні твердого напівпростору є шар із твердого матеріалу швидкість поширення в якому поперечних хвиль менше, ніж у півпросторі. Глибина проникнення хвилі в півпростір зростає з зменшенням товщини шару. У відсутність шару хвиля Лява в півпросторі перетворюється в об'ємну, тобто в плоску, горизонтально поляризовану, поперечну хвилю. Хвилі Лява знаходять застосування для контролю якості покриттів (Плакіровок), що наносяться на поверхню.
Рис. 3 - Хвилі на межі двох середовищ: а - загасаюча релєєвського типу на кордоні тверде тіло - рідина, б - слабозатухающая на тій же кордоні, в - хвиля Стоунлі на кордоні двох твердих тіл
Якщо тверде тіло має дві вільні поверхні (пластина), то в ньому можуть існувати специфічні типи пружних хвиль. Їх називають хвилями в пластинах або хвилями Лемба і відносять до нормальним хвилям, тобто хвилях, біжучим (переносящим енергію) вздовж пластини, шари або стрижня, і стоячим (не переносящим енергії) в перпендикулярному напрямку. Нормальні хвилі поширюються в пластині, як у хвилеводі, на великі відстані. Їх успішно застосовують для контролю листів, оболонок, труб товщиною 3 ... 5 мм і менше.
Також виділяють особливий вид хвиль - ультразвукові хвилі. Вони за своєю природою не відрізняються від хвиль чутного діапазону і підкоряються тим же фізичним законам. Але, у ультразвуку є специфічні особливості, які визначили його широке застосування в науці і техніці. Відображення, заломлення і можливість фокусування ультразвуку використовується в ультразвуковій дефектоскопії, в ультразвукових акустичних мікроскопах, в медичній діагностиці, для вивчення макронеоднородностей речовини. Наявність неоднорідностей і їх координати визначаються за відбитим сигналам або по структурі тіні.
2. Заломлення, відображення, дифракція, рефракція акустичних хвиль
Заломлення - явище зміни шляху проходження світлового променя (або інших хвиль), що виникає на межі розділу двох прозорих (Проникних для цих хвиль) середовищ або в товщі середовища з безперервно змінюються властивостями.
Заломлення звуку - зміна напряму поширення звукової хвилі при її проходженні через межу розділу двох середовищ.
При падінні на границю розділу двох однорідних середовищ (повітря - стіна, повітря -...
