Краткие сведения из теории. По мере удаления ультразвуковой волны от источника колебаний ее амплитуда, давление и интенсивность уменьшаются по закону экспоненты

 

По мере удаления ультразвуковой волны от источника колебаний ее амплитуда, давление и интенсивность уменьшаются по закону экспоненты, что обусловлено затуханием. Оно предопределяется физико-механическими характеристиками среды и типом волны и учитывается коэффициентом затухания d.

Коэффициент d, 1/м, складывается из коэффициентов поглощения d_п и рассеяния d_р:

d = d_п + d_р. (2.1)

 

При поглощении ультразвуковой волны вследствие неидеальной упругости межмолекулярных сил часть потока звуковой энергии переходит в тепловой поток за счет внутреннего трения и теплопроводности среды. Коэффициент поглощения d_п в твердых средах (металлы, стекло) пропорционален частоте f колебаний волны и температуре среды. Чем больше частота ультразвука, тем больше циклов колебаний в единицу времени и тем больше потери при переходе энергии ультразвука в тепло. С увеличением температуры практически все материалы увеличивают свою вязкость, при этом слабеют их упругие свойства, что ведет к росту d_п.

При рассеянии поток звуковой энергии остается звуковым, но уходит из направленно-распространяющегося пучка. Металлы, применяемые на практике, имеют зернистую структуру. Размеры зерен зависят от химического состава, вида механической и термической обработки деталей. Затухание волн в них предопределяется двумя факторами – рефракцией и рассеянием – вследствие анизотропии механических свойств. В результате рефракции фронт волны отклоняется от прямолинейного направления распространения и амплитуда принимаемых сигналов резко падает. Кроме того, волна, падающая на поверхность границы зерна, испытывает частичное отражение, преломление ультразвука и трансформацию, что и определяет механизм рассеяния. Рассеяние в отличие от рефракции приводит не только к ослаблению сигнала, но и к образованию шумов. Явление рассеяния тем сильнее, чем больше средний размер зерна по сравнению с длиной ультразвуковой волны.

Явления поглощения и рассеяния ослабляют ультразвуковую волну тем сильнее, чем больший путь в среде она проходит. При этом амплитуда колебаний и звуковое давление снижаются в е^d раз на каждую единицу длины пути r, проходимого волной, а интенсивность, как энергетическая характеристика, – в е^2d раз, т. е.

(2.2)

 

Обычно работа с ПЭП при дефектоскопировании осуществляется в дальней зоне его акустического поля, основной характеристикой которой является равномерное убывание давления при удалении от излучателя, поэтому к уменьшению величин x, Р, I должно добавляться уменьшение от раскрытия ультразвукового луча в дальней зоне. Это уменьшение, вызываемое так называемым дифракционным расхождением ультразвукового луча, обратно пропорционально расстоянию r от ПЭП до отражателя:

 

(так как ), (2.3)

 

где L_d – длина ближней зоны ПЭП;

2а – диаметр его пьезопластины.

 

 

Например, для звукового давления Р на расстоянии r от ПЭП можно записать:

. (2.4)

 

Так как давление Р в акустическом законе Ома эквивалентно электрическому напряжению U на пьезопластине ПЭП, то амплитуду зондирующих и отраженных сигналов, с которыми оперируют при работе с дефектоскопом, обозначают через U с соответствующими индексами. Тогда для амплитуды сигнала ультразвуковой волны в среде на расстоянии r от ПЭП с учетом уравнения (2.4) можно записать:

. (2.5)