Затухание УЗК. 
Акустические измерения

При распространении волн в реальных средах происходит уменьшение их амплитуды, что может быть вызвано дифракционным ослаблением — следствием неплоского волнового фронта, характерным для сферических и цилиндрических волн, а также затуханием волн в среде. При затухании уменьшается амплитуда всех типов волн, включая плоские волны. Таким образом, дифракционное ослабление — свойство волны, а затухание — свойство среды.

Затухание можно учесть путем введения дополнительного экспоненциального множителя в выражение для конкретного вида волн.

где А (г) — амплитуда волны в произвольной точке среды;

А" — амплитуда волны в начальный момент времени;

6 — коэффициент затухания;

г — расстояние, пройденное волной.

Аналогичное выражение можно записать и для интенсивности волны.

где 1(г) — интенсивность волны в произвольной точке среды.

Коэффициент затухания б определяется как величина, обратная расстоянию, на котором амплитуда волны уменьшается в е раз. Следовательно, коэффициент затухания имеет обозначение обратной длины (1/м) либо неперов на метр (Нп/м) и децибелов на метр (дБ/м), при этом 1 Нп/м = 8,686 дБ/м.

Коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния

где 6_П — коэффициент поглощения; б, — коэффициент рассеяния.

При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии энергия остается звуковой, но уходит из направленно-распространяющейся волны.

Поглощение обусловлено вязкостью, упругим гистерезисом (т.е. различной упругой зависимостью при растяжении и сжатии) и теплопроводностью. Последний механизм поглощения связан с тем, что процесс распространения акустической волны считают адиабатическим. Расширение или сжатие элементарного объема сопровождается изменением температуры, но они настолько кратковременны, что процесс выравнивания температуры можно не учитывать. В действительности теплопроводность существует и способствует потере энергии колебаний.

Рассеяние происходит из-за наличия в среде неоднородностей (с отличными от среды волновым сопротивлением). Различие в волновых сопротивлениях приводит к отражению, преломлению и трансформации волн. Малые размеры и большое число неоднородностей обуславливают статистический характер рассеяния.

В гомогенных газах и жидкостях рассеяние отсутствует и затухание определяется только поглощением. Как было отмечено ранее, поглощение обусловлено внутренним трением (вязкостный эффект) и эффектами теплопроводности среды. В гаком случае коэффициент поглощения 6_П может быть представлен в виде суммы вязкостного 6_В и теплового 6_Х членов.

В жидкостях поглощение происходит в основном за счет внутреннего трения, поэтому б_в>> 6_Т. В газах поглощение за счет трения и за счет эффектов теплопроводности в среде приблизительно совпадают, поэтому 6_В= 6_Т. При постоянной температуре коэффициент 6_П определяется только частотой/. Для газов и жидкостей коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В этих случаях вводят коэффициент а, характеризующий поглощение в среде,.

Учитывая, что поглощение обусловлено вязкостью среды и эффектами теплопроводности, можно представить коэффициент а суммой двух составляющих:

В случаях, когда в жидкости наблюдается дисперсия скорости ультразвука, квадратичная зависимость 6_П от частоты нарушается.

В твердых телах коэффициент затухания определяется отдельно для продольных и поперечных волн: б, — коэффициент затухания для продольной волны; б, — коэффициент затухания для поперечной волны.

Большинство объектов неразрушающего контроля — поликристаллические твердые среды. При распространении акустических волн в таких средах происходит отражение, преломление и трансформация на границах зерен и неоднородностях структуры. Таким образом, затухание обусловлено как поглощением, так и рассеянием энергии. Коэффициент затухания в этом случае складывается из двух компонентов: коэффициента рассеяния б_Р и коэффициента поглощения 6_П.

В твердых телах поглощение может быть вызвано:

• • внутренним трением (6_П ~ /);
• • теплопроводностью (6_П ~ /²);
• • упругими эффектами (6_П ~ /)?

В зависимости от того, какие потери доминируют в среде, коэффициент поглощения пропорционален частоте (стекло, некоторые пластмассы) либо квадрату частоты (резина, многие пластмассы). Для одной и той же среды поглощение поперечных волн при / = const меньше, чем продольных. Это обусловлено тем, что поперечные колебания не связаны с изменением объема и потери на теплопроводность отсутствуют.

Реальные твердые тела микронеоднородны. Каждое зерно поликристаллического тела представляет собой микрокристалл, обладающий анизотропией. Следствием упругой анизотропии является рассеяние акустических волн. Кроме того, на границах зерен при распространении колебаний происходит частичное отражение, преломление и трансформация типов волн (рис. 2.12).

Чем больше упругая анизотропия кристаллов, тем сильнее рассеяние. Перечислим некоторые металлы по мере возрастания в них анизотропии: вольфрам, алюминий, альфа-титан, альфа-железо (углеродистая сталь), гамма-железо (нержавеющая сталь), бета-титан, медь.

Рис. 2.12. Рассеяние УЗ-волны на границах зерен.

Большое влияние на величину коэффициента рассеяния в средах оказывает соотношение среднего размера неоднородностей с длиной волны УЗ-колебаний. В металлах параметр среды, влияющий на рассеяние, — средний размер зерна D. Зависимость коэффициента затухания от длины волны и среднего размера зерна представлена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Схематическая зависимость коэффициента затухания от соотношения среднего диаметра зерна и длины волны.

При X" D (область рэлеевского рассеяния) наблюдается увеличение коэффициента затухания за счет рассеяния волны на частицах, небольших по сравнению с длиной волны.

При X ~ (3…4) D увеличение коэффициента затухания обусловлено поглощением за счет теплопроводности. Максимальное значение коэффициента затухания наблюдается при длине волны, сравнимой со средним размером зерна, что объясняет значительное затухание УЗ в грубозернистых материалах. При X «D преобладают процессы поглощения, т. к. при увеличении размеров зерен уменьшается их эффективная поверхность и в предельном случае материал становится монокристаллическим.

Зависимость коэффициента затухания от частоты УЗ-колебаний и среднего размера зерна может быть представлена в виде соотношения.

где б — коэффициент поглощения, б = А/; 5_р — коэффициент рассеяния, 8_р = Bf^AD³ А В — коэффициенты пропорциональности, табулированные для каждого материала;/ — частота; D — средний диаметр зерна. Коэффициент В определяется по фактору анизотропии Х_Аи множителю С, не зависящему от размера зерна и анизотропии,.

И поглощение, и рассеяние приводит к уменьшению амплитуды УЗ-сигнала, что ведет к определенным трудностям при УЗ-контроле. Для компенсации поглощения следует использовать более мощный зондирующий импульс, а также увеличивать усиление дефектоскопа. Рассеяние способствует не только ослаблению сигналов, отраженных от дна и дефектов, но и создает многочисленные шумовые импульсы на экране дефектоскопа, связанные с отражениями от граней кристаллов. Эти шумовые сигналы называют иногда «травой». В высокой «траве» может быть потерян полезный сигнал от дефекта. В борьбе с рассеянием не помогут увеличение мощности зондирующего импульса или усиления дефектоскопа, которые повлекут рост «травы». Помогает лишь переход к более низким частотам. Однако при этом из-за увеличивающейся ширины пучка и растущей длительности импульсов ухудшаются возможности выявления дефектов небольших размеров.

Основные акустические свойства некоторых практически важных материалов представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Акустические свойства материалов.

Контрольные вопросы

• 1. Дайте определение понятий «колебание» и «волна». В чем состоит различие непрерывных и импульсных колебаний?
• 2. Что такое волновая поверхность и волновой фронт? По какому признаку различают плоские, сферические и цилиндрические волны?
• 3. Чем отличается характер распространения упругих колебаний в твердых телах и в газах?
• 4. Что такое дисперсия скорости? Какие среды являются бездисперсионными?
• 5. Поясните физический смысл фазовой и групповой скорости волн.
• 6. Определите энергетические характеристики упругих волн. Что такое вектор Умова — Пойнтинга?
• 7. Что такое децибелы? Для чего они используются в акустическом контроле?
• 8. Какие физические свойства упругих сред называют акустическими?