Акустические свойства сред. Затухание ультразвука в материалах

Причины затухания

Затухание ультразвука — это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения в среде. Основными причинами затухания являются:

  • 1) убывание амплитуды волны с удалением от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника (расхождение волны);
  • 2) рассеяние звука на неоднородностях среды, которое приводит к уменьшению потока звуковой волны в первоначальном направлении;
  • 3) необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло, т.е. поглощение звука.

Первая из этих причин связана с тем, что звуковая энергия точечного источника (или любого источника конечных размеров) распределяется при расхождении волны на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта, что приводит к уменьшению интенсивности звука. Для сферической волны, поверхность фронта которой с увеличением расстояния от источника г растет как г2, амплитуда волны убывает пропорционально г~'.

Рассеяние звука происходит на границах неоднородностей среды (например, микровключения, кристаллиты в поликристалле), что особенно заметно в случае неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны (область рэлеевского рассеяния). Здесь затухание ультразвука при неизменной частоте оказывается пропорционально четвертой степени dcp (статистический размер зерна). Эта закономерность положена в основу определения структуры поликристаллических металлов и изделий из них. Кроме того, чем больше упругая анизотропия вещества (упругая анизотропия — это различие в скоростях распространения звука в кристалле вдоль различных кристаллографических направлений), тем больше частичное отражение, преломление, трансформация типов волн на границах «кристаллит — кристаллит» и, следовательно, больше рассеяние. Так, ультразвук сильно затухает в меди, аустенитной коррозионно- стойкой стали. Малой упругой анизотропией характеризуются вольфрам и алюминий. Альфа-железо и углеродистая сталь относятся к промежуточным материалам в отношении величины упругой анизотропии и рассеяния. Материалы, состоящие из разнородных частиц (бетон, гранит, чугун), характеризуются большим рассеянием.

Поглощение звука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет теплопроводность среды, взаимодействие волны с тепловыми колебаниями решетки и др.

Затухание, обусловленное поглощением и рассеянием, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с рассеянием. Если без учета затухания уравнение распространения звуковой волны в направлении координаты х имеет вид

то с учетом затухания

где а = ап + ар — коэффициент затухания; ап — коэффициент поглощения; ар — коэффициент рассеяния.

С учетом расхождения волны в сферической системе координат уравнение имеет вид

где G — размерный коэффициент, м.

В формуле (4.18) полагается, что начало координат совпадает с эффективным акустическим центром излучателя — точкой, из которой наблюдателю в дальней зоне волны кажутся расходящимися. Положение этой точки нс совпадает с местом контакта преобразователя и материала. Положение ее можно определить, зная частоту колебаний/, скорость излучаемых волн С, диаметр пьезопреобразователя D.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >