2.3. Властивості ультразвукових коливань

Висока спрямованість. При УЗ-контролі використовують ПЕП, у яких розміри випромінювача (пьезопластины) значно більше довжини хвилі ультразвука» Завдяки цьому ультразвук розповсюджується направленим пучком. Поблизу випромінювача (мал. 2.15) на ділянці, званій ближньою зоною або зоною Френеля, ультразвуковий пучок майже не розходиться. Протяжність цієї зони r_б для призматичного шукача

де а — радіус пьезоэлемента; λ — довжина хвилі у виробі; β — кут призми; а — кут введення в метал.

Вираз (2.17) справедливий в області β _Kp1≤ β ≤β _Kp2 При г> r_б починається поступова розбіжність ультразвукової хвилі, плоска хвиля переходить в сферичну. Ця зона називається дальньою зоною або зоною Фраунгофера.

Кут розбіжності визначається виразом

Як видно з виразу (2.17), спрямованість ультразвукового пучка тим вище, чим більше твір радіусу випромінювача а на частоту випромінюваних коливань f. Завдяки цій властивості (високій спрямованості) ультразвуком можна контролювати велику товщину (до 10 м). При розповсюдженні ультразвукових хвиль від джерела їх інтенсивність падає.

Загасання ультразвука. У виразі для плоских ультразвукових хвиль, так само як і в основному рівнянні руху пружного середовища, не враховується ослаблення хвилі, пов'язане із загасанням ультразвука. У реальних середовищах завдяки внутрішньому тертю, неідеальним пружним властивостям і іншим ефектам загасання ультразвука має істотне значення. Загасання враховується введенням уявної частини в хвилеве число k = 2п/λ + іδ. Тоді плоску хвилю можна записати у вигляді

де δ — коефіцієнт загасання.

Коефіцієнт загасання складається з коефіцієнтів погашення δп і відстані δр, тобто δ= δп + δр .

При поглинанні звукова енергія переходить в теплову, а при розсіянні залишається звуковий, але йде з хвилі, що направлено-розповсюджується, в результаті віддзеркалень на межах зерен і неоднородностей.

Поглинання звуку в твердих тілах обумовлюється в основному внутрішнім тертям і теплопровідністю. Поглинання поперечних хвиль менше, ніж подовжніх, оскільки вони не пов'язані з адіабатичними змінами об'єму, при яких з'являються втрати на теплопровідність. Коефіцієнт поглинання в твердих тілах пропорційний f (стекло, біологічні тканини, метали) або f² (гума, пластмаси).

У монокристалах загасання визначається поглинанням ультразвука. Метали, вживані на практиці, мають полікристалічну будову, і в них звичайне загасання визначається перш за все розсіянням. І кристалах швидкість звуку має різне значення в .чависимости від напряму його розповсюдження щодо осей симетрії кристала. Це явище називають пружною анізотропією.

У шматку металу кристали орієнтовані різним чином, тому під час переходу ультразвука з одного кристала в іншій швидкість звуку може змінюватися більшою чи меншою мірою. В результаті виникають часткове віддзеркалення, заломлення і трансформація ультразвука, що обумовлює механізм розсіяння (мал. 2.16).

Великий вплив на коефіцієнт розсіяння в ме_-таллах надає відношення середньої величини зерна D і довжини хвилі ультразвука λ. При λ<<D звук поглинається в кожному зерні як в одному великому кристалі, загасання визначається в основному поглинанням. При λ = D розсіяння ультразвука дуже велике. Ультразвук як би проникає, дифундує між окремими кристалами. Це область дифузного розсіяння.

Особливо велике загасання при λ = (2 ... 4)D. Тут до дифузного розсіяння додається поглинання. Для співвідношення λ < 2пD, що є реальною умовою контрольованих зварних швів. Н. М. Лівшицем, Р. Д. 11архомовским отримані виразу для розрахунку коефіцієнта загасання подовжньої і поперечної хвиль. Зайнявся умовою λ l= λ t, маємо δt/δ_l=7,14. Видно, що опухання поперечної хвилі істотніше порівняно з подовжньою. На мал. 2.17 показано загасання подовжньої і поперечної хвиль залежно від частоти.

При λ > (8... 10) D відбувається розсіяння дрібними зернами і коефіцієнт δ пропорційний

Df⁴ (рэлеево розсіяння). При 4D ≤ ≤ 10D коефіцієнт загасання пропорційний произведению Df². Найменше загасання буде при λ ≥ (20... 100) D. Якщо ця умова виконується, то можна контролювати вироби завтовшки 8...10 м.

Значення б значною мірою визначає частоту УЗ-коливань. З одного боку, із збільшенням частоти зростає амплітуда сигналу унаслідок поліпшення спрямованості випромінювання, а з іншого боку, зменшується амплітуда сигналу із-за збільшення загасання.

Коефіцієнт загасання найчастіше виражають числом негативних децибел на ділянці шляху в 1 м 201g(А/А0)=20δrlge=8,686δr. На практиці δ найзручніше визначити по виразу: