Методические указания

Звук может возникать и распространяться в средах, обладающих свойствами упругости.

Упругостью называется свойство тел или выделенных объектов среды восстанавливать свою форму после прекращения действия сил, вызывающих деформацию.

Упругой средой называется такая среда, любой выделенный объем которой обладает свойством упругости.

Звуком называются колебательные движения частиц упругой среды, происходящие с частотой в пределах от 16 до 20000 Гц.

Эти частоты считаются соответственно нижним и верхним пределами слышимости звуков в воздухе человеческим ухом. Колебания с частотами ниже 16 Гц, называются инфразвуком, а свыше 20000 Гц – ультразвуком. Колебания с частотой свыше 10⁹ Гц относятся к гиперзвуку, а при частоте 10¹² Гц говорят о тепловых колебаниях.

Ультразвуковая волна – это процесс распространения в среде упругих колебаний (колебаний упругой среды) ультразвуковой частоты.

При этом каждая частица среды, участвующая в волновом движении, колеблется около положения своего равновесия, передавая свою энергию соседним частицам. Итак, основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в том, что в волне осуществляется перенос энергии без переноса вещества.

Волновым пучком называется пространственный объем, в котором сосредоточена большая часть акустической энергии.

Совокупность точек, колеблющихся в одной фазе, до которых в данный момент времени дошел волновой процесс, называется фронтом волны. Линия, направление которой в каждой точке совпадает с направлением потока энергии излучения волнового пучка, называется лучом.

В однородной среде луч перпендикулярен фронту волны. В зависимости от геометрической формы фронта различаются следующие типы волн:

- сферическая (например, звуковая волна на небольшом расстоянии от точечного источника звука);

- цилиндрическая (например, звуковая волна на небольшом расстоянии от источника звука, представляющий собой длинный цилиндр малого диаметра);

- плоская (плоскую волну может излучать бесконечно колеблющаяся плоскость).

При возбуждении частиц упругого вещества (например, путем сжатия) в какой-либо области, они начинают совершать колебания с некоторой амплитудой (максимальным отклонением от положения равновесия) и частотой (число колебаний в единицу времени). Эти колебания передаются частицам соседней области за счет упругих связей. Если бы частицы были соединены друг с другом жестко, то они пришли бы в движение все одновременно. Однако в упругих веществах для передачи движения необходимо некоторое время, поэтому колебания частиц в соседней области запаздывают относительно исходного колебания. Колеблю­щиеся частицы второй области возбуждают частицы в третьей области и т. д. В результате процесс передачи (возбуждения) колебаний распространяется в веществе с постоянной ско­ростью - возникает упругая волна.

В волне изменяется во времени (перемещается) только состояние частиц - в упругих волнах это состояние сжатия и растяжения. Сами частицы вещества остаются на своих местах и колеблются только около своего положения равновесия.

Приведенная модель не может быть распространена в полной мере на жидкие и газообразные вещества, т. к, в них частицы не связаны со своим положением равновесия, а свободно движутся. Тем не менее эти вещества оказывают сопротивление сжатию или растяжению, поэтому они могут передавать некоторые виды упругих волн.

 

 

Продольной волной называется такая волна, в которой колебательное движение частиц среды совпадает с направлением распространения волны.

Для продольных волн характерно чередование в среде областей сжатия и разрежения или повышенного и пониженного давления, или повышенной и пониженной плотности. Продольные волны могут формироваться в твердых средах, жидкостях и газах.

Поперечной (сдвиговой) волной называется такая волна, в которой частицы колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

При этом расстояния между отдельными плоскостями колебаний остаются неизменными (рис. 4.12). Поперечные волны могут формироваться только в твердых средах за редким исключением тех жидких сред, которые обладают сдвиговой упругостью. К таким средам относятся, например, жидкая эпоксидная смола, мед.

 

Продольные и поперечные волны, получившие обобщенное название – объемные волны, могут существовать в неограниченной среде. Эти волны наиболее широко применяются для ультразвуковой дефектоскопии.

Скоростью звуковой волны (скоростью звука) называется скорость распространения определенного состояния в материальной среде (например, сжатия или разрежения для продольной волны).

Скорость звука для различных типов волн различна, причем для продольной и поперечной волны она является только характеристикой среды.

Следует четко разделять понятия распространения упругих колебаний (скорость звуковой волны) и колебательной скорости движения частиц. Скорость объемных и поверхностных определяется только упругими свойствами среды и не зависит от частоты ультразвука, его затухания в материале изделия. В связи с тем, что величины упругих параметров могут изменяться с изменением температуры, то и скорость звука зависит от температуры среды, в которой он распространяется.

Скорость звука для различных типов волн можно рассчитать по упругим константам материала, а именно по модулю нормальной упругости Е, плотности вещества ρ и коэффици­енту Пуассона μ.

Скорость продольных волн определяется по формуле:

 

 

Скорость поперечных волн определяется по формуле:

 

 

где - модуль сдвига.

 

 

Отношение скоростей поперечной и продольной волн в стали составляет 0,55, в алюминии - 0,49, поэтому по грубой оценке можно сказать, что скорость поперечной волны в металлах в два раза меньше скорости продольной волны.

Поверхностными волнами (волнами Рэлея) называются волны в упругой среде, формирующиеся вдоль свободной (или слабо нагруженной) границы твердого тела и быстро затухающие с глубиной.

В поверхностной волне частицы среды колеблются как вдоль, так и перпендикулярно направлению распространения волны. В результате траектория движения частиц представляет собой эллипс (рис. 4.13). Большая ось эллипса при этом перпендикулярна границе. Поверхностная волна, как и поперечная, формируется только в твердой среде. Поверхностные волны могут распространятся на большие расстояния как по плоскости, так и по изогнутой поверхности изделия. На выпуклой поверхности происходит некоторое увеличение скорости волн, а на вогнутой уменьшение.

 

Методические указания