Лекция №2. Параметры распространения ультразвуковых волн.

2.1. Основные параметры ультразвуковых волн

Если в сплошной среде частицы среды окажутся выведенными из положения равновесия, то упругие силы, действующие на них со стороны других частиц, будут возвращать их в положение равновесия. При этом частицы будет совершать колебательное движение.

Акустические колебания – это механические колебания частиц среды вокруг своего положения равновесия.

Колебание – это возвратно-поступательное движение из одного крайнего положения в другое и обратно через положение равновесия.

Волна – процесс распространения колебаний в пространстве.

Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс.

Колебания с частотой от единиц Герц (Гц) до 20 Герц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки.

Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 10⁸ Гц, а колебания с частотой более 10⁸ Гц получили название гиперзвуков. На рисунке 2.1 показана шкала частот.

Рисунок 2.1 Диапазоны упругих колебаний в материальных средах

Физическая природа упругих колебаний одинакова во всем диапазоне частот. Форма волны - это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Колебания плоскости создают плоскую звуковую волну, если излучателем служит цилиндр, периодически сжимающийся и расширяющийся по направлению своего радиуса, то возникает цилиндрическая волна. Точечный излучатель, или пульсирующий шарик, размеры которого малы по сравнению с длиной излучаемой волны, воздает сферическую волну.

Звуковые волны подразделяются по типу волн: они могут быть продольными, поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения и распространения. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах могут возникать также поперечные и другие из перечисленных типов волн. В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (Рисунок 2.2, а), частицы совершают колебания перпендикулярно направлению движения волны (Рисунок 2.2, б).

а)

б)

а) движение частиц при распространении продольной волны; б) движение частиц при распространении поперечной волны.

Рисунок 2.2 Движение частиц при распространении волны

Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой, длиной волны и амплитудой (Рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Характеристики колебательного процесса

Длина волны λ — это расстояние, которое проходит волна, пока частица среды совершает одно полное колебательное движение. Расстояние между соседними максимумами или минимумами возмущения считают длиной волны.

₍₁₎

Амплитуда колебанийА - представляет собой максимальное смещение частицы из положения равновесия во время ее колебательного движения, вызванного возбуждением частиц среды. В УЗД применяют колебания с амплитудой смещения 10-11 ÷ 10-4 мм.

Частота колебанийf — это число колебаний, совершаемых частицей среды за одну секунду. Единицей частоты является Герц (Гц). Для звуковых волн, генерируемых средой, характерен непрерывный ряд или диапазон частот. Самая низкая частота волны называется основной или собственной, а остальные являются гармониками или обертонами. Частота второй гармоники в два раза превышает собственную частоту системы. Аналогично частота третьей гармоники превышает ее в три раза и т.д.

Период колебаний Т - это время, необходимое частице для совершения одного колебательного движения. По определению время, за которое волна производит f колебаний, равно 1 секунде.

₍₂₎

Фаза колебанийφ — это отношение смещения колеблющейся частицы в данный момент времени к его амплитудному значению. Если точки колебательного процесса находятся в одной фазе (их разность фаз составляет 2π), то расстояние между этими двумя точками равно одной длине волны λ.

Фронт волны – граница, отделяющая колеблющиеся частицы от частиц, не начавших колебания.

Энергия ультразвуковых колебаний (W) – состоит из суммы кинетической и потенциальной составляющих и полная энергия, выраженная через давление (Р) равна:

(3)

ρ – плотность среды; с – скорость звука.

Интенсивность звука (J) –энергия, переносимая волной через единичную площадку за период колебаний

(4)

Интенсивность, используемая при УЗД обычно не превышает 10-5 Вт/м2.

ρс – удельное акустическое сопротивление.

(5)

Z – акустический импеданс.

Скорость распространения колебаний С — это расстояние, пройденное волной за одну секунду.

Скорость продольной волны Cl = 5900 м/с, скорость поперечной волны Ct= 3200м/с.