Ультразвук - параметри, види хвиль, затухання та відображення

1. бібліографічній список

Дмитро Льовкін

Ультразвук - механічні коливання, що знаходяться вище області частот, чутних людським вухом (зазвичай 20 кГц). Ультразвукові коливання переміщаються в формі хвилі, подібно поширенню світла. Однак на відміну від світлових хвиль, які можуть поширюватися в вакуумі, ультразвук вимагає пружну середу таку як газ, рідина або тверде тіло.

фільм ВГТРК Наука 2.0 Великий стрибок. Ультразвук за межею чутності.

Основними параметрами хвилі є довжина хвилі і період. Число циклів скоєних за одну секунду називається частотою і вимірюється в Герцах (Гц). Час, необхідний щоб зробити повний цикл, називається періодом і вимірюється в секундах. Взаємозв'язок між частотою і періодом хвилі наведено у формулі:

, (1)

• де f - частота, Гц,
• T - період, з

Швидкість звуку в ідеальному пружному матеріалі при заданій температурі і тиску є постійною. Зв'язок між швидкістю ультразвуку і довжиною хвилі наступна:

, (2)

У твердих речовинах для поздовжніх хвиль швидкість звуку [1]

, (3)

Для поперечних хвиль вона визначається за формулою

, (4)

Дисперсія звуку - залежність фазової швидкості монохроматичної звукових хвиль від їх частоти . Дисперсія швидкості звуку може бути обумовлена ​​як фізичним властивостями середовища, так і присутністю в ній сторонніх включень і наявністю кордонів тіла, в якому звукова хвиля поширюється.

Більшість методів ультразвукового дослідження використовує або поздовжні, або поперечні хвилі. Також існують і інші форми поширення ультразвуку, включаючи поверхневі хвилі і хвилі Лемба.

Поздовжні ультразвукові хвилі - хвилі, напрям поширення яких збігається з напрямком зсувів і швидкостей частинок середовища.

Поперечні ультразвукові хвилі - хвилі, що поширюються в напрямку, перпендикулярному до площини, в якій лежать напрямки зсувів і швидкостей частинок тіла, то ж, що і зсувні хвилі [2] .

Поверхневі (релєєвського) ультразвукові хвилі мають еліптичний рух частинок і поширюються по поверхні матеріалу. Їх швидкість приблизно становить 90% швидкості поширення поперечної хвилі, а їх проникнення вглиб матеріалу дорівнює приблизно одній довжині хвилі [3] .

Хвиля Лемба - пружна хвиля, що поширюються в твердій пластині (шарі) з вільними межами, в якій коливальний зсув частинок відбувається як в напрямку поширення хвилі, так і перпендикулярно площини пластини. Лемба хвилі являють собою один з типів нормальних хвиль в пружному хвилеводі - в пластині з вільними межами. Оскільки ці хвилі повинні задовольняти не тільки рівнянням теорії пружності, а й граничним умовам на поверхні пластини, картина руху в них і їх властивості більш складні, ніж у хвиль в необмежених твердих тілах.

інтенсивність звуку (сила звуку) - середня за часом енергія, що переноситься звуковою хвилею через одиничну площадку, перпендикулярну до напрямку поширення хвилі, в одиницю часу. Для періодичного звуку усереднення проводиться або за проміжок часу великий у порівнянні з періодом, або за ціле число періодів [2] . Інтенсивність ультразвуку - величина, яка виражає потужність акустичного поля в точці [6] .

Для плоскої синусоїдальної хвилі, що біжить інтенсивність ультразвуку I визначається за формулою

, (5)

У сферичної біжить хвилі інтенсивність ультразвуку обернено пропорційна квадрату відстані від джерела. У стоячій хвилі I = 0, т. Е. Потоку звукової енергії в середньому немає. Інтенсивність ультразвуку в гармонійної плоскої біжучої хвилі дорівнює щільності енергії звукової хвилі, помноженої на швидкість звуку. Потік звуковий енергії характеризують так званим вектором Умова - вектором щільності потоку енергії звукової хвилі, який можна представити як добуток інтенсивності ультразвуку на вектор хвильової нормалі, т. Е. Одиничний вектор, перпендикулярний фронту хвилі. Якщо звукове поле являє собою суперпозицію гармонійних хвиль різної частоти, то для вектора середньої щільності потоку звукової енергії має місце адитивність складових.

Для випромінювачів, що створюють плоску хвилю, кажуть про інтенсивність випромінювання, розуміючи під цим питому потужність випромінювача, т. Е. Що випромінюється потужність звуку, віднесену до одиниці площі поверхні, що випромінює.

Інтенсивність звуку вимірюється в системі одиниць СІ в Вт / м2. У ультразвукової техніки інтервал зміни інтенсивності ультразвуку дуже великий - від порогових значень ~ 10-12 Вт / м2 до сотень кВт / м2 у фокусі ультразвукових концентраторів.

потужність звуку - енергія, що передається звуковою хвилею через дану поверхню в одиницю часу. Розрізняють миттєве значення потужності ультразвуку і середнє за період або за тривалий час. Найбільший інтерес представляє середнє значення потужності ультразвуку, віднесене до одиниці площі, т. Н. середня питома потужність звуку, або інтенсивність звуку [2] .

Таблиця 1 - Властивості деяких поширених матеріалів [6]

Матеріал Щільність, кг / м3 Швидкість поздовжньої хвилі, м / c Швидкість поперечної хвилі, м / c акустичний імпеданс , 103 кг / (м2 * с) Акрил 1180 2670 - 3,15 Повітря 0,1 330 - 0,00033 Алюміній 2700 6320 3130 17,064 Латунь 8100 4430 2120 35,883 Мідь 8900 4700 2260 41,830 Скло 3600 4260 2560 15,336 Нікель 8800 5630 2960 49,544 поліамід (нейлон) 1100 2620 1080 2,882 Сталь (низьколегований сплав) 7850 5940 3250 46,629 Титан 4540 6230 3180 26,284 Вольфрам 19100 5460 2620 104,286 Вода (293К) 1000 1480 - 1,480

Однією з основних характеристик ультразвуку є його згасання. Загасання ультразвуку - це зменшення амплітуди і, отже, інтенсивності звукової хвилі в міру її поширення. Загасання ультразвуку відбувається через низку причин. Основними з них є:

• спадання амплітуди хвилі з відстанню від джерела, обумовлене формою і хвильовими розмірами джерела;
• розсіювання ультразвуку на неоднорідностях середовища, в результаті чого зменшується потік енергії в первісному напрямку поширення;
• поглинання ультразвуку , Тобто незворотний перехід енергії звукової хвилі в інші форми, зокрема в тепло.

Перша з цих причин пов'язана з тим, що в міру поширення хвилі від точкового або сферичного джерела енергія, яку випромінює джерелом, розподіляється на все збільшується поверхня хвильового фронту і відповідно зменшується потік енергії через одиницю поверхні, тобто інтенсивність звуку . Для сферичної хвилі, хвильова поверхня якої росте з відстанню r від джерела як r2, амплітуда хвилі зменшується пропорційно , А для циліндричної хвилі - пропорційно .

розсіювання ультразвуку відбувається через різкої зміни властивостей середовища - її щільності і модулів пружності - на кордоні неоднорідностей, розміри яких порівнянні з довжиною хвилі. У газах це можуть бути, наприклад, рідкі краплі, у водному середовищі - бульбашки повітря, в твердих тілах - різні сторонні включення або окремі кристаліти в полікристалах і т. П. Особливий інтерес представляє розсіювання на хаотично розподілених в просторі неоднородностях.

поглинання ультразвуку може бути обумовлено різними механізмами. Велику роль відіграє в'язкість і теплопровідність середовища, взаємодія хвилі з різними молекулярними процесами речовини, з тепловими коливаннями кристалічної решітки та ін.

3атуханіе звуку, обумовлене розсіюванням і поглинанням, описується експоненціальним законом убування амплітуди з відстанню, т. Е. Амплітуда пропорційна , А інтенсивність - на відміну від статечного закону убування амплітуди при розходженні хвилі, де - коефіцієнт загасання звуку [2] .

Коефіцієнт загасання висловлюють або в децибелах на метр (дБ / м), або в Непером на метр (Н / м).

Для плоскої хвилі коефіцієнт загасання за амплітудою з відстанню визначається за формулою [4]

, (6)

Коефіцієнт загасання від часу визначається [5]

, (7)

Для вимірювання коефіцієнта також використовують одиницю дБ / м, в цьому випадку

, (8)

Децибел (дБ) - логарифмічна одиниця вимірювання відносини енергій або потужностей в акустиці [2] .

, (9)

• де A1 - амплітуда першого сигналу,
• A2 - амплітуда другого сигналу

Тоді зв'язок між одиницями вимірювання (дБ / м) і (1 / м) буде:

, (10)

При падінні звукової хвилі на межу розділу середовищ, частина енергії буде відображатися в першу середу, а інша енергія буде проходити в другу середу. Співвідношення між відбитої енергією і енергією, що проходить у другу середу, визначається хвильовими опорами першої і другої середовища. При відсутності дисперсії швидкості звуку хвильовий опір не залежить від форми хвилі і виражається формулою:

, (11)

Коефіцієнти відбиття і проходження будуть визначатися в такий спосіб

, (12)

• де R - коефіцієнт відбиття звукового тиску [1] ,
• Z1 - хвильовий опір першого речовини, в якому поширюється звукова хвиля, кг / (м2с),
• Z2 - хвильовий опір другого речовини, в яку проходить звукова хвиля, кг / (м2с)

, (13)

• де D - коефіцієнт проходження звукового тиску

Варто відзначити також, що якщо друга середа акустично більш «м'яка», тобто Z1> Z2, то при відображенні фаза хвилі змінюється на 180˚ [1] .

Коефіцієнт пропускання енергії з одного середовища в іншу визначається відношенням інтенсивності хвилі, що проходить у другу середу, до інтенсивності падаючої хвилі

, (14)

Інтерференція звуку - нерівномірність просторового розподілу амплітуди результуючої звукової хвилі в залежності від співвідношення між фазами хвиль, що складаються в тій чи іншій точці простору. При додаванні гармонічних хвиль однакової частоти результуюче просторовий розподіл амплітуд утворює не залежну від часу интерференционную картину, яка відповідає зміні різниці фаз складових хвиль при переході від точки до точки. Для двох интерферирующих хвиль ця картина на площині має вигляд смуг, що чергуються посилення й ослаблення амплітуди величини, що характеризує звукове поле (наприклад, звукового тиску). Для двох плоских хвиль смуги прямолінійні з амплітудою, мінливої ​​поперек смуг відповідно до зміни різниці фаз. Важливий окремий випадок інтерференції - складання плоскої хвилі з її відображенням від плоскої межі; при цьому утворюється стояча хвиля з площинами вузлів і пучностей, розташованими паралельно кордоні.

Дифракція звуку - відхилення поведінки звуку від законів геометричної акустики, обумовлене хвильової природою звуку. Результат дифракції звуку - розбіжність ультразвукових пучків при видаленні від випромінювача або після проходження через отвір в екрані, загинання звукових хвиль в область тіні позаду перешкод, великих в порівнянні з довжиною хвилі, відсутність тіні позаду перешкод, малих порівняно з довжиною хвилі, і т. п. Звукові поля, створювані дифракцией вихідної хвилі на перешкодах, поміщених в середу, на неоднорідностях самого середовища, а також на нерівностях і неоднородностях кордонів середовища, називаються розсіяними полями. Для об'єктів, на яких відбувається дифракція звуку, великих в порівнянні з довжиною хвилі , Ступінь відхилень від геометричної картини залежить від значення хвильового параметра

, (15)

• де D - діаметр об'єкта (наприклад, діаметр ультразвукового випромінювача або перешкоди),
• r - відстань точки спостереження від цього об'єкта

Випромінювачі ультразвуку - пристрої, що застосовуються для збудження ультразвукових коливань і хвиль в газоподібних, рідких і твердих середовищах. Випромінювачі ультразвуку перетворять в енергію звукового поля енергію будь-якого іншого виду.

Найбільшого поширення в якості випромінювачів ультразвуку отримали електроакустичні перетворювачі. У переважній більшості випромінювачів ультразвуку цього типу, а саме в п'єзоелектричних перетворювачах , Магнітострикційних перетворювачів, електродинамічних випромінювачів, електромагнітних і електростатичних випромінювачів, електрична енергія перетворюється в енергію коливань будь-якого твердого тіла (випромінюючої пластинки, стержня, діафрагми і т.п.), яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі. Всі перераховані перетворювачі, як правило, лінійні, і, отже, коливання випромінює системи відтворюють за формою збудливий електричний сигнал; лише при дуже великих амплітудах коливань поблизу верхньої межі динамічного діапазону випромінювача ультразвуку можуть виникнути нелінійні спотворення.

У перетворювачах, призначених для випромінювання монохроматичної хвилі, використовується явище резонансу: вони працюють на одному з власних коливань механічної коливальної системи, на частоту якого налаштовується генератор електричних коливань, що збуджує перетворювач. Електроакустичні перетворювачі, що не володіють твердотільної випромінює системою, застосовуються в якості випромінювачів ультразвуку порівняно рідко; до них відносяться, наприклад, випромінювачі ультразвуку, засновані на електричному розряді в рідині або на електрострикції рідини [2] .

До основних характеристик випромінювачів ультразвуку відносяться їх частотний спектр, яку випромінює потужність звуку, спрямованість випромінювання. У разі моночастотного випромінювання основними характеристиками є робоча частота випромінювача ультразвуку і його частотна смуга, межі якої визначаються падінням випромінюваної потужності в два рази в порівнянні з її значенням на частоті максимального випромінювання. Для резонансних електроакустичних перетворювачів робочою частотою є власна частота f0 перетворювача, а ширина смуги Δf визначається його добротністю Q.

, (16)

Випромінювачі ультразвуку (електроакустичні перетворювачі) характеризуються чутливістю, електроакустичним коефіцієнтом корисної дії і власним електричним опором.

Чутливість випромінювача ультразвуку - відношення звукового тиску в максимумі характеристики спрямованості на певній відстані від випромінювача (найчастіше на відстані 1 м) до електричної напруги на ньому або до протікає в ньому току. Ця характеристика застосовується до випромінювачів ультразвуку, використовуваним в системах звукової сигналізації, в гидролокациі і в інших подібних пристроях. Для випромінювачів технологічного призначення, що застосовуються, наприклад, при ультразвукових очищення, коагуляції, дії на хімічні процеси, основною характеристикою є потужність. Поряд із загальною випромінюваної потужністю, що оцінюється в Вт, випромінювачі ультразвуку характеризують питомою потужністю, т. Е. Середньою потужністю, що припадає на одиницю площі поверхні, що випромінює, або усередненої інтенсивністю випромінювання в ближньому полі, що оцінюється в Вт / м2.

Ефективність електроакустичних перетворювачів, випромінюючих акустичну енергію в озвучувану середу, характеризують величиною їх електроакустичного коефіцієнта корисної дії, що представляє собою відношення випромінюваної акустичної потужності до затрачуваної електричної. У акустоелектроніці для оцінки ефективності випромінювачів ультразвуку використовують так званий коефіцієнт електричних втрат, рівний відношенню (в дБ) електричної потужності до акустичної. Ефективність ультразвукових інструментів, використовуваних при ультразвукової зварюванні, механічній обробці і тому подібне, характеризують так званим коефіцієнтом ефективності, що є відношенням квадрата амплітуди коливального зміщення на робочому кінці концентратора до електричної потужності, споживаної перетворювачем. Іноді для характеристики перетворення енергії в випромінювачі ультразвуку використовують ефективний коефіцієнт електромеханічного зв'язку.

Звуковий поле перетворювача ділять на дві зони: ближню зону і далеку зону. Ближня зона це район прямо перед перетворювачем, де амплітуда луни проходить через серію максимумів і мінімумів. Ближня зона закінчується на останньому максимумі, який розташовується на відстані N від перетворювача. Відомо, що розташування останнього максимуму є природним фокусом перетворювача. Дальня зона це район знаходиться за N, де тиск звукового поля поступово зменшується до нуля [1] .

Положення останнього максимуму N на акустичній осі в свою чергу залежить від діаметра і довжини хвилі і для дискового круглого випромінювача виражається формулою

, (17)

Однак оскільки D зазвичай значно більше , Рівняння можна спростити і привести до виду

, (18)

Характеристики звукового поля визначаються конструкцією ультразвукового перетворювача. Отже, від його форми залежить поширення звуку в досліджуваній області та чутливість датчика.

Різноманітні! Застосування ультразвуку, при якіх Використовують Різні его Особливості, можна умовно Розбита на три напрямки. Перше пов'язане з Отримання информации с помощью ультразвукової хвиля, друга - з активним Вплив на Речовини и третя - з обробкою і передачею сигналів (напрямки перераховані в порядку їх історичного становлення). При кожному конкретному застосуванні використовується ультразвук певного частотного діапазону.

Отримання інформації за допомогою ультразвукових методів . Ультразвукові методи широко використовуються в наукових дослідженнях для вивчення властивостей та будови речовин, для з'ясування проходять в них процесів на макро- і мікрорівнях. Ці методи засновані головним чином на залежності швидкості поширення и загасання акустичних хвиль від властивостей речовин і від процесів, в них відбуваються.

Вплив ультразвуку на речовину . Активна дія ультразвуку на речовину, що приводить до незворотних змін в ньому, або вплив ультразвуку на фізичні процеси, що впливає на їх перебіг, обумовлене в більшості випадків нелінійними ефектами в звуковому полі. Такий вплив широко використовується в промисловій технології; при цьому можуть бути вирішені за допомогою ультразвукової технології завдання, а також і сам механізм ультразвукового впливу різні для різних середовищ.

Обробка і передача сигналів . Ультразвукові пристрої застосовуються для перетворення і аналогової обробки електричних сигналів в різних галузях радіоелектроніки, наприклад в радіолокації, зв'язку, обчислювальної техніки, і для управління світловими сигналами в оптиці і оптоелектроніці. У пристроях для управління електричними сигналами використовуються наступні особливості ультразвуку: мала в порівнянні з електромагнітними хвилями швидкість поширення; мале поглинання в кристалах і відповідно висока добротність резонаторів [2] .

бібліографічній список

• Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Довідник. Ультразвуковий контроль матеріалов.-Москва .: Металургія, 1991.
• Голяміна І.П. Ультразвук.-Москва .: з-під «Радянська енциклопедія», 1979
• General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
• Під редакцією І.С.Грігорьева, Е.3.Мейліхова. Довідник. Фізичні велічіни.-Москва.: Одна тисяча дев'ятсот дев'яносто одна.
• Б.А.Агранат, В.І.Башкіров, Ю.І.Кітайгородскій, Н.Н.Хавскій. Ультразвукова технологія.-Москва.: Металургія, 1974.
• Балда Радж, В.Раджендран, П.Паланічамі. Застосування ультразвука.-Москва.: Техносфера, 2006.