3.1.3 Удельное акустическое сопротивление среды
Удельное акустическое сопротивление среды или акустический импеданс (z) –это произведение плотности среды на скорость распространения ультразвука в данной среде.
Ρ – плотность
Уедльные волновые сопротивления газов, жидкостей и металлов относятся между собой примерно как 1:3000:100000.
В ультразвуковой дефектоскопии используется отражение ультразвуковых волн от поверхностей дефектов в металле, которые можно рассматривать как границу раздела металл-воздух. Чем больше различаются акустические сопротивления дефектов от общей массы метала, тем проще их обнаружить, так как в этом случае большая часть ультразвуковой энергии будет отражаться от дефектов.
Интенсивность ультразвука и затухание его в материалах
Ультразвуковая волна в направлении своего движения несет определенную энергию, которую излучил источник.
Количество энергии, переносимое волной за 1 секунду через 1см2 площадки, перпендикулярной к направлению распространения ультразвуковой волны называется интенсивностью ультразвука.
I – интенсивность Вт/м2
По мере распространения ультразвуковой волны интенсивность её падает. Это обусловлено расхождением и затуханием.
Снижение интенсивности ультразвука происходит по экспоненциальному закону:
Где I0 – начальная интенсивность у источника ультразвука
S – пройденный путь уз волны
δ – коэффициент затухания
Затуханием ультразвуковых колебаний называется уменьшение амплитуды колебаний частиц в звуковой волне, вызванное процессами рассеяния и поглощения.
δп – коэффициент поглощения
δр – коэффициент рассеивания
При рассеянии энергия остается механической, но уходит из направленного распространения волны в результате отражений на границах зерен и неоднородностей. Рассеяние связано с тем, что среда не является строго гомогенной. Она содержит кристаллы, на границах которых акустическое сопротивление изменяется, так как кристаллы или отдельные составляющие вещества имеют различную плотность. Для некоторых материалов это связано с тем, что они представляют собой сплав зерен различных компонентов (феррита и графита). Для других материалов – с наличием пор и инородных включений.
При поглощении механическая энергия колебаний переходит в тепловую. Поглощение будет тем больше, чем меньше длина волны и соответственно чем больше частота.
Большое влияние на коэффициент затухания в металле оказывает отношение средней величины зерна и длины волны ультразвука.
D – средняя величина зерна
Длина ультразвуковой волны для УЗК должна быть λ≥ (20…100)D
Обе составляющие затухания создают определенные трудности при ультразвуковом контроле. Поглощение уменьшает амплитуду проходящих сигналов. А рассеяние не только уменьшает уровень сигналов, отраженных от дефектов, но и создает многочисленные шумовые импульсы на экране дефектоскопа, связанные с отражениями от граней кристаллов.
Акустические характеристики материала
Материал |
Скорость волны, м/с |
Плотность материала, кг/м3 |
Удельное акустическое сопротивление для волн 10-5 Па∙с/м |
Коэф. затухания продольной волны на частоте 2,5 МГц, 102 м-1 |
||
продольной |
поперечной |
продольных |
поперечных |
|||
Алюминий |
6260 |
3080 |
2,7 |
17 |
8,3 |
0,001-0,05 |
Бериллий |
12500 |
8700 |
1,85 |
23 |
13,3 |
- |
Вольфрам |
5460 |
2870 |
19,1 |
104 |
55 |
- |
Медь |
4700 |
2260 |
8,9 |
41,8 |
20,5 |
0,018-0,044 |
Сталь углеродистая (Сталь 20) |
5850 |
3230 |
7,8 |
45,5 |
25,2 |
0,01-0,08 |
Сталь коррозионно-стойкая 1Х18Н9Т |
5660 |
3120 |
8,03 |
45,5 |
25 |
0,06-0,15 |
Вода |
1490 |
- |
1 |
1,5 |
- |
0,00004 |
Воздух |
330 |
- |
0,0013 |
0,0004 |
- |
- |
Капролон |
2640 |
1119 |
1,1 |
2,9 |
1,23 |
0,65 |
Плексиглас |
2670 |
- |
1,18 |
3,2 |
1,32 |
0,58 |
Резина |
1480 |
- |
0,9 |
1,4 |
- |
2,5 |
Кварц |
5930 |
3750 |
2,2 |
13 |
8,25 |
- |
Цирконат-титанат свинца |
5000 |
- |
7,3 |
36,5 |
- |
- |