3. Продольные волны

Если колебания частичек среды совпадают с направлением распространения волны, то волна называется продольной (рис.2). Такая волна может быть возбуждена в твердом теле, жидкой и газообразной средах.

Рис.2. Схематическое представление продольной волны

Скорость распространения продольной волны обозна­чают буквой с с нижним индексом l — с_l. Для некоторых материалов она равна:

- в стали (в металле рельса) с_l = 5900 м/с;

- в воде с_l = 1450 м/с;

- в органическом стекле с_l = 2670 м/с;

- в воздухе (при температуре 0°С) с_l = 331 м/с.

4. Поперечные волны

Если колебания частичек среды перпендикулярны паправлению распространения волны, то такая волна на­зывается поперечной (сдвиговой) (рис. 3). Она мо­жет быть возбуждена только в твердом теле, которое спо­собно упруго сопротивляться деформации сдвига.

Рис.3. Схематическое представление поперечной волны

Скорость распространения поперечной волны обозна­чают буквой с с нижним индексом t — c_t. В стали (в металле рельса) она равна

c_t = 3260 м/с.

Обычно в металлах скорость поперечной волны при­мерно в два раза меньше, чем скорость продольной волны:

c_t = 0,55 с_l.

4.+5. Понятие о пьезоэффекте

Для получения ультразвука названных выше частот (1—5 МГц) применяют пьезоэлектрические, магнито-стрикционные, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. Наибольшее распространение получи­ли пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), в кото­рых активными являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических мате­риалов — титаната бария, цирконат титаната свинца и др. Для изготовления преобразователей (вставок, резо­наторов) рельсовых дефектоскопов чаще всего исполь­зуют ПЭП из цирконат титаната свинца марки 19 — ЦТС-19.

На плоские поверхности пьезоэлементов наносят тон­кие слои серебра, служащие электродами. При подведе­нии к электродам знакопеременного электрического на­пряжения пьезоэлемент совершает вынужденные меха­нические колебания (растягивается и сжимается, как это показано на рис. 4) с частотой подаваемого электри­ческого напряжения. Данное явление называется обрат­ным пьезоэффектом.

Рис.4. Иллюстрация обратного пьезоэффекта

При воздействии на пьезоэлемент упругих механи­ческих колебаний на его электродах возникает знакопе­ременное электрическое напряжение, величина которого пропорциональна прилагаемому к пьезоэлементу усилию (рис. 5). Это явление носит название прямой пьезоэффект.

Рис.5. Иллюстрация прямого пьезоэффекта

7. Понятие о резонансе. Ачх пьезопластины

Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от на­пряжения на электродах и соотношения частоты подава­емого на него переменного напряжения и собственной частоты колебаний элемента. На рис. 6,а показана ре­акция пьезоэлемента на возмущающее воздействие низ­кой частоты, а на рис. 6,б — реакция этого же пьезо элемента на воздействие высокой частоты.

Рис. 6. К понятию о резонансе

Из рисунков видно, что амплитуда колебаний пьезоэлемента при воз­действии высокой частоты выше, чем низкой. Однако при дальнейшем увеличении частоты возбуждающего воз­действия амплитуда колебаний пьезоэлемента снова нач­нет уменьшаться.

Наибольшая амплитуда колебаний пьезоэлемента до­стигается при резонансе, то есть когда собственная час­тота его колебаний совпадает с частотой возбуждающего переменного напряжения. Собственная частота f элемен­та зависит от его толщины b и скорости упругих волн с:

f = c/2b.

Для пьезокерамики ЦТС-19 скорость ультразву­ковой волны с = 3 300 м/с. Тогда толщина пьезопла-стины для частоты f = 2,5 МГц = 2 500 000 Гц

b = c/2f = 3 300/5 000 000 = 0,0007 м = 0,7 мм.

Чем ниже требуемая частота генерируемых ультра­звуковых колебаний, тем больше толщина резонансной пьезопластины. На рис. 7 показаны осциллограммы напряжений (прямой пьезоэффект), снимаемых с пьезопластин различной толщины (0,3 мм, 0,7 мм и 1,3 мм), при воздействии на них знакопеременного давления одинаковой величины, но различной частоты (650 кГц, 1,25 МГц, 2,5 МГц, 5 МГц и 10 МГц).

Как видно из рис. 7 резонансная частота зависит от толщины пьезопластины. Так, у пьезопластины тол­щиной 0,3 мм максимальная амплитуда получается при частоте воздействия на нее 5 МГц, у пьезопластины тол­щиной 0,7 мм - при частоте 2,5 МГц, а у пьезопластины толщиной 1,3 мм — при частоте 1,25 МГц.

Рис. 7. Зависимость резонансной частоты ПЭП от его толщины при прямом пьезоэффекте (случай резонанса выде­лен фоном)

На рис. 8 показаны колебания пьезопластин тех же толщин, что и на рис. 7, при подаче на них пере­менного напряжения одинаковой амплитуды, но различ­ной частоты (обратный пьезоэффект).

Рис. 8. Зависимость резонансной частоты ПЭП от его

толщины при обратном пьезоэффекте (случай резонанса

выделен фоном)

Сопоставление рис. 7 и рис. 8 позволяет сде­лать вывод о том, что как при прямом, так и при обрат­ном пьезоэффектах резонансные частоты пьезопластин совпадают и определяются их толщинами.

Как видно из приведенных рисунков, вынужденные колебания пьезоэлемента можно возбудить на любой ча­стоте. В этом случае излучаемая энергия будет меньше, чем на резонансной частоте. Зависимость амплитуды воз­буждаемых пьезоэлементом колебаний от частоты пода­ваемого на него переменного напряжения постоянной амплитуды называется его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). На рис. 9 представлены АЧХ дисковых пьезоэлементов толщинами 1,3 мм, 0,7 мм и 0,3 мм.

Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика пьезоп­ластин различной толщины