1. Введение

Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники и биологии.

Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены еще в прошлом веке, основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в первой трети двадцатого века. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Это связано с общим прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением таких ее разделов, как нелинейная акустика и квантовая акустика, а также с развитием физики твердого тела, электроники и, в особенности, с рождением квантовой электроники. Широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых надежных средств излучения и приема акустических волн, с одной стороны, обеспечивающих возможность существенного повышения излучаемой мощности и увеличения чувствительности при приеме слабых сигналов, а с другой – позволяющих продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и принимаемых волн в область гиперзвуковых частот.

В промышленности, наряду со многим другим, ультразвуковые методы применяют для дефектоскопии, толщинометрии и структурного анализа металлов. Рассмотрим основные сведения, начиная с азов, по вопросам дефектоскопии и толщинометрии.

1.1. Колебательная система.

У всякой системы, способной совершать свободные колебания, имеется устойчивое положение равновесия. У маятника – это положение, при котором центр тяжести находится на вертикали под точкой подвеса. Если мы выведем маятник из этого положения или толкнем его, то он начнет колебаться, отклоняясь то в одну, то в другую сторону от положения равновесия. Наибольшее отклонение от положения равновесия, до которого доходит маятник, называется амплитудой колебаний.

Прикрепим к маятнику кусочек тонкой проволоки и будем двигать под этой проволокой закопченную стеклянную пластинку. Если двигать пластинку с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном к плоскости колебаний, то проволока прочертит на пластинке волнистую линию (рис.1.1). Мы имеем в этом опыте простейший осциллограф – так называются приборы для записи колебаний.

Рис.1.1. Осциллограмма колебаний маятника:

АВ – амплитуда; СД – период.

Таким образом, рис.1.1 представляет собой осциллограмму колебаний маятника. Амплитуда колебаний изображается отрезком АВ, дающим наибольшее отклонение волнистой кривой от прямой линии ab, которую проволока прочертила бы на пластинке при неподвижном маятнике. Период изображается отрезком CD, равным расстоянию, на которое передвигается пластинка за период маятника. Так как мы двигаем пластинку равномерно, то всякое ее перемещение пропорционально времени, в течение которого оно совершалось. Мы можем сказать поэтому, что вдоль прямой ab в определенном масштабе (зависящем от скорости движения пластинки) отложено время. С другой стороны, в направлении, перпендикулярном к ab, проволока отмечает на пластинке расстояния конца маятника от его положения равновесия, т.е. путь, пройденный концом маятника от этого положения. Таким образом, осциллограмма есть не что иное, как график движения – график зависимости пути от времени.

Н аклон линии на таком графике изображает скорость движения. Через положение равновесия маятник проходит с наибольшей скоростью. Соответственно этому и наклон волнистой линии на рис.1.1 наибольший в тех точках, где она пересекает прямую ab. Наоборот, в моменты наибольших отклонений скорость маятника равна нулю. Соответственно и волнистая линия на рис.1.1 в тех точках, где она наиболее удалена от ab, имеет касательную, параллельную ab, т.е. наклон, равный нулю.

Р ис.1.2. Примеры колебаний одинакового периода, но разной формы.

Амплитуда и период не дают полного представления о характере периодического движения. Можно представить себе чрезвычайно разнообразные периодические движения, имеющие одинаковые амплитуду и период, но совершенно различные по форме колебаний (по виду осциллограмм). Несколько примеров осциллограмм таких движений, представляющих колебания некоторых механических и электрических колебательных систем, показано на рис.1.2.