Файл: Методическое пособие по дисциплине Физические основы ультразвукового контроля Составитель Круглов К. В. Челябинск 2012 г. 2.pdf

32
Акустические свойства сред
К основным акустическим свойствам среды можно отнести следующие:
1.
скорости распространения различных типов упругих волн в данной среде. Для жидкостей и газов – это скорости продольных волн, для твердых тел – скорости продольных, поперечных и поверхностных волн.
Скорость звука зависит, вообще говоря, от самых разных факторов. Для газов проявляется явная зависимость от температуры, т. к. давление в газах имеет тепловую природу. Кроме того, для газов при достаточно больших градиентах давления (и/или плотности) скорость звука уже будет зависеть локально и от других параметров среды. Это имеет место при перепадах давления порядка 1 атм. Однако в случае малых (акустических) колебаний и постоянной температуры скорость звука в газах также постоянна. В твердых телах скорость звука является константой среды в широком температурном диапазоне. Это же относится и к механически нагруженным объектам – скорость звука постоянна в широком диапазоне нагрузок.
Упругие свойства изотропных твердых тел характеризуются двумя независимыми константами - модулем Юнга E и модулем сдвига G. Значениями этих модулей однозначно определяют скорости продольных и поперечных волн в безграничной среде. Отношения скоростей продольных и поперечных, а также других типов волн зависит от величины коэффициента Пуассона для данной среды.
Таким образом, зная упругие модули и коэффициент Пуассона, на основе значений скоростей продольных и поперечных волн, можно вычислить скорости распространения всех других типов волн.
2.
акустическое сопротивление или характеристический акустический импеданс Z среды.
Важным параметром среды распространения упругих колебаний является акустический импеданс или удельное волновое сопротивление. Для безграничной среды удельный акустический импеданс является действительной

33 величиной и называется характеристическим импедансом:
Z = ρc где ρ – плотность среды; c – скорость звука.
Акустический импеданс имеет размерность акустических омов:
[Z]=[
Па∙с/м]
Значения импеданса различны для продольной и поперечной волн. Для твердых, жидких и газообразных сред значения характеристического импеданса различаются на несколько порядков:
Z
г : Zж : Z тв =1:10 3
:10 5
Эта особенность приводит к тому, что полые дефекты в твердом теле при помощи ультразвука выявляются с гораздо большей эффективностью, чем заполненные (например, поры, заполненные шлаком).
3.
коэффициент затухания, определяющий способность среды ослаблять (гасить) акустические волны.
Амплитуда (а следовательно и интенсивность УЗВ) уменьшается по мере распространения УЗВ в материале, в соответствии со следующим законом: r
0
e
A
A
α
−
=
, где A - амплитуда УЗВ, распространяющейся в материальной среде;
A
0
- амплитуда УЗВ в момент времени t=0, то есть амплитуда зондирующего импульса r - пройденное волной расстояние
Существуют следующие основные причины этого ослабления:
расхождение лучей (дивергенция) и затухание. Ослабление из-за расхождения
лучей происходит потому, что часть лучей пучка не достигает приемника (см. рис. 2.4)

34
Рис. 2.4 Ослабление из-за расхождения лучей; включение излучателя и приемника по раздельной (а) и совмещенной схемам (б).
Как видно из рисунка ослабление из-за расхождения лучей будет увеличиваться с пройденным волной расстоянием. Величина ослабления будет зависеть от угла раствора ультразвукового пучка и типа фронта волны.
Уменьшение амплитуды сферических волн пропорционально r
/
1
, цилиндрических r
/
1
, где r – пройденное расстояние. В плоских волнах расхождения лучей не наблюдается.
Ослабление амплитуды из-за затухания пропорционально r
e
α
−
, где α - коэффициент затухания, e – число 2,73. Затухание складывается из двух факторов:
поглощения и рассеяния:
α=α
п
+
α
р
Поглощение - это преобразование энергии УЗВ в другие виды энергии, в первую очередь в тепловую энергию колебания частиц среды. Поглощение обусловлено теплопроводностью среды и внутренним трением.
Когда ультразвуковая волна движется в среде, происходит передача энергии от одних частиц к другим, активизированные частицы возбуждают соседние, более спокойные, заставляя их совершать колебания большой амплитуды. При этом часть механической энергии колебания частиц необратимо преобразуется во внутреннюю энергию, что приводит к повышению их температуры, то есть из лу ча те ль пр ие м
ни к
из лу ча те ль
- пр ие м
ни к
а)
б)

35 нагреву. Этому способствует также явление внутреннего трения, часть энергии волны тратится на преодоление сопротивления частиц взаимному перемещению, что также приводит к их нагреву. Поэтому во время движения ультразвуковой волны какая-то часть энергии идет на нагревание вещества, что приводит к уменьшению интенсивности волны.
Любая физическая среда обладает теплопроводностью, более нагретые частицы среды неизбежно будут отдавать часть своей энергии окружающим их соседям, таким образом, будет происходить рассеяние тепловой энергии частиц по всему объему среды. Это явление называется потерями на теплопроводность
Поглощение тем больше, чем быстрее совершаются колебания, то есть чем больше колебательная скорость и частота ультразвука. Поглощение возрастает примерно пропорционально частоте, поэтому его значения иногда приводят в виде соотношения α
п
/f
Коэффициент поглощения α
п
/f равен 0,1-1,5 Нп/МГц для стали; 0,05-0,06
Нп/МГц для алюминия; 0,1 Нп/МГц для магния.
Поглощение поперечных волн меньше, чем продольных, так они не связаны с изменениями плотности среды (образованием зон растяжения и сжатия), при которых появляются дополнительные потери на теплопроводность, за счет того, что сжатие вещества приводит к его нагреву, а разрежение к охлаждению.
Потери на теплопроводность пропорциональны квадрату частоты волны.
Так например для малоуглеродистой стали коэффициент поглощения продольных волн составляет α
п
/f
=0,12 Нп/МГц, а для поперечных α
п
/f = 0,1
Нп/МГц
Рассеяние. Большинство тел состоит из большого числа зерен-кристаллов, на границах которых происходит рассеяние УЗВ. Вследствие этого роль рассеяния оказывается значительной и часто превалирующей.
Рассеяние связано с тем, что среда не является строго однородной. Она содержит кристаллы (зерна), на границах которых акустическое сопротивление изменяется, так как кристаллы или отдельные составляющие вещества имеют различную плотность или разную скорость в направлении падающего УЗ луча.

36
Для некоторых материалов (например, для чугуна) это связано с тем, что он представляет собой сплав зерен различных компонентов, с различными акустическими свойствами (для чугуна - феррита и графита). Для других материалов - с наличием пор или инородных включений. Для третьих - различной ориентацией анизотропных кристаллов (у которых свойства по различным направлениям в кристалле отличаются).
Последнее явление бывает особенно заметным в крупнозернистых аустенитных материалах, а также в аустенитных сварных швах. При переходе УЗ луча из одного кристалла в другой возникают частичное отражение, преломление и трансформация волн, что и определяет механизм рассеяния (рис.2.5)
Рис.2.5 Рассеяние ультразвуковой волны на зернах материала
Очень большое влияние на величину коэффициента рассеяния в металлах оказывает соотношение средней величины зерна D и длины волны ультразвука
(рис.2.6).
При λ«D звук поглощается в каждом зерне, как в одном большом кристалле и затухание определяется в основном поглощением:
D
F
С
A
=
α

37 здесь С - коэффициент, не зависящий от величины зерна и анизотропии
(зависимости характеристик материала от выбранного направления в материале),
F
A
- фактор анизотропии. Для различных металлов при одинаковой величине зерна коэффициенты рассеяния разные. Это отличие и учитывается с помощью фактора анизотропии. С учетом этого фактора металлы могут быть расположены в следующий ряд:
W, Mg, Al, Fe, Cu, Pb
Для вольфрама и магния F
A
= 0. Металлы идущие за железом обладают большой степенью анизотропии, поэтому УЗК изделий, выполненных на их основе, весьма затруднен.
Рис.2.6 Зависимость коэффициента затухания от соотношения величины зерна и длины волны
При λ=D рассеяние велико. Ультразвук как бы проникает между отдельными кристаллами подобно свету в мутной среде. Этот механизм называют диффузным рассеянием.
Особенно велико затухание при λ=(3÷4)D. Здесь к диффузному рассеянию добавляется поглощение.
При λ�D происходит рассеяние волны мелкими частицами (рэлеевское рассеяние) при котором коэффициент затухания равен:
D

38 4
3
A
2
f
D
F
С
=
α
где С
2
- коэффициент, не зависящий от величины зерна и анизотропии.
При 4D<λ<10D рассеяние перестает быть рэлеевским и начинает приближенно следовать закону:
2
Df
=
α
Для дефектоскопии обычно применяют такие частоты (0,5-10 МГц), чтобы
λ
, была больше (10-15)D. В этом интервале ультразвук слабо рассеивается и, как правило, не возникает больших помех, связанных с рассеянием на кристаллах.
Обе составляющие затухания создают определенные трудности УЗ контроле. Поглощение уменьшает амплитуду проходящих сигналов. Для его компенсации следует создавать более мощный зондирующий импульс, а также увеличивать усиление. Гораздо неприятнее рассеяние, так как при использовании эхо-метода оно не только уменьшает уровень сигналов, отраженных от дна и дефектов, но и создает многочисленные шумовые импульсы на экране дефектоскопа, святые с отражениями от граней кристаллов. Эти шумовые сигналы называют иногда "травой". В высокой "траве" может быть потерян полезный сигнал от дефекта. В борьбе с рассеянием не помогут увеличение мощности зондирующего импульса или усиления дефектоскопа, которые повлекут рост "травы". Помогает лишь переход к более низким частотам. Однако при этом из-за увеличивающейся ширины ультразвукового пучка и растущей длительности импульсов ухудшаются возможности выявления маленьких дефектов. Затухание поперечных волн больше, чем продольных (рис.2.7).

39
Рис.2.7 Зависимость коэффициентов затухания продольных и поперечных волн в железе от частоты УЗВ (D=0,05 мм)
Уменьшение интенсивности звука при прохождении отрезка ∆r (рис.2.8), связанное с влиянием затухания может быть записано в виде:
r
e
I
I
∆
−
=
α
2 0
Рис.2.8 Изменение интенсивности УЗВ с расстоянием под влияние затухания
2 4
6 8
10 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5
f,
мГц см
-1
t l
r
I
r r
2 1
I
I
I
0

40
Амплитуда УЗ волны:
r
e
А
А
∆
−
=
α
0
В общем случае под амплитудой А волны может пониматься амплитуда одной из величин: смещения U, звукового давления P, колебательной скорости v.
Из последней формулы может быть определено значение коэффициента затухания:
r
A
A
∆
−
=
0
/
ln
α
Коэффициент затухания показывает, насколько уменьшается амплитуда
УЗ колебаний под влиянием затухания при прохождении единицы длины пути.
Коэффициент затухания выражается либо в неперах на метр (Нп/м), либо в децибелах на метр (дБ/м).
В практике УЗ контроля коэффициент затухания часто измеряют в неперах на сантиметр (или, что тоже самое, в см
-1
), а также в децибелах на миллиметр
(дБ/мм).
Коэффициент затухания считается низким, если он составляет от 0,1 до 10 дБ/м, средним, если 10-100 дБ/м и высоким при значениях превышающих 100 дБ/м.
В таблице 2.3 приведены значения коэффициентов затухания для некоторых металлов.
Таблица 2.3
Коэффициент затухания ультразвука частотой 2,5 МГц для некоторых металлов
Металл
Коэффициент затухания продольных волн, дБ/м
Сталь перлитная
Отливки
0,1-18

41
Литые заготовки
0,1-13
Прокат, поковки
0,1-9
Сварные соединения
0,1-9
Сталь аустенитная
Литье
18-900
Мелкие поковки и прокат
0,1-18
Крупные поковки
0,1-90
Сварные соединения
130-180
Титан
Слитки
9-54
Поковки
9-45
Сварные соединения ь
18-45
Алюминий
Литье
9-72
Поковки
0,1-9
Сварные соединения
0,1-9
Бронза
Литье
45-900 поковки
18-45
Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех изделиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

42
10d>

43 другой твердой средой образуются следующие волны. При падении продольной волны (рис.3.1а):
C
l1
- падающая и отраженная продольные волны,
C
t1
- отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
С
l2
- преломленная продольная волна;
С
t2
- преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.
При падении поперечной волны (рис.3.1б):
С
t1
- падающая и отраженная поперечные волны;
С
l1
- отраженная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
С
t2
- преломленная поперечная волна;
C
l2
- преломленная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.
β с соответствующими индексами означают углы падения, γ - углы отражения, а α с соответствующими индексами означают углы ввода.
Рис.3.1 Схема образования волн на границе раздела двух твердых сред при падении продольной (а) и поперечной (б) волн
β
γ
γ
α
α
I
II
β
γ
γ
α
α
I
II
а)
б)
С
С
С
С
С
С
С
С
С
С