Распространение ультразвуковых волн
Ультразвуковой контроль основан на изменяющихся во времени деформациях материалов, которые деформируются под воздействием ультразвука и обычно называются акустикой (звуковой) деформацией.
Все материальные вещества состоят из атомов. Эти атомы можно заставить двигаться во круг своих точек равновесия по действием ультразвукового импульса. На атомном уровне существует множество различных моделей колебательного движения, однако большинство из них не имеют отношения к акустике и ультразвуковым исследованиям. Ультразвуковая акустика ориентирована на частицы, которые содержат много атомов, которые движутся в унисон, чтобы и образовать механическую волну. Именно эти волновые импульсы и используются в методах неразрушающего контроля.
Если материал не подвергается растяжению или сжатию за пределы своего предела упругости, то его отдельные частицы начинают совершать упругие колебания. А частицы среды вытесняются из своих положений равновесия и возникает внутренние (электростатические) силы восстанавливающие материал. Именно эти упругие восстанавливающие силы между частицами в сочетании с инерцией частиц приводят к колебательным движениям среды. Что мы и называем ультразвуком.
В твердых телах распространение ультразвуковых импульсов могут распространяться в четырех основных видах, основанных на способе колебаний частиц.
- Звук может распространяться как продольные волны
- Поперечные волны
- Поверхностные волны,
- В тонких материалах — как пластинчатые волны.
Продольные и поперечные волны являются двумя видами импульсов, наиболее широко используемыми при ультразвуковом контроле.
Движение частиц, ответственное за распространение продольных и поперечных волн, представлено ниже.
В продольных волнах колебания происходят в продольном направлении. Поскольку в этих волнах действуют силы сжатия и растяжения, их также называют волнами давления или сжатия.
Такое импульсы иногда называют импульсными-волнами плотности, потому что плотность частиц материала колеблется при движении. Такие импульсные-волны сжатия могут генерироваться как в жидкости, так и в твердом теле, поскольку энергия проходит через атомную структуру в результате серии движений сжатия и расширения (разрежения).
Для эффективного распространения продольные волны требуют акустически твердого материала и следовательно, не распространяются эффективно в таких материалах, как жидкости или газы. Поперечные импульсы-волны относительно слабы по сравнению с продольными волнами. Фактически, поперечные волны обычно генерируются в материалах, при этом используют часть энергии от продольных волн, что видно из картинки. Поперечная волна, также движется и в продольном направлении.
Виды ультразвуковых волн
В воздухе звук распространяется за счет сжатия и разрежения молекул воздуха в направлении движения. Однако в твердых телах молекулы могут поддерживать колебания в других направлениях, следовательно, возможен ряд различных типов ультразвуковых волн. Волны могут проявляться в пространстве колебательными структурами, которые способны сохранять свою форму и распространяться стабильно.
Как упоминалось ранее, продольные и поперечные (сдвиговые) волны чаще всего используются при ультразвуковом контроле. Однако на поверхностях различные типы эллиптических или сложных колебаний частиц создают другие виды волны. Некоторые из этих волновых структур, такие как волны Рэлея и волны Лэмба, также полезны для ультразвукового контроля.
В таблице ниже приведены многие, но не все, волновые виды, возможные в твердых телах.
| Типы волн в твердых телах | Частица участвующая в Вибрации |
| Продольная | Параллельно направлению волны |
| Поперечная (сдвиг) | Перпендикулярно направлению волны |
| Поверхностная волна — Рэлея | Эллиптическая орбита — симметричный режим |
| Волна — Лэмба | Компонент перпендикулярно поверхности (волна растяжения) |
Продольные и поперечные волны обсуждались на предыдущей странице, поэтому давайте коснемся поверхностных и пластинчатых волн здесь.
Волна Рэлея
Поверхностные (или Рэлеевские) волны распространяются по поверхности относительно твердого материала, проникающего на глубину длины волны. Волны Рэлея объединяют в себе продольное и поперечное движение для создания эллиптического движения по орбите, как показано на рисунке и анимации ниже. Большая ось эллипса перпендикулярна поверхности твердого тела. По мере того как глубина отдельного атома от поверхности увеличивается, ширина его эллиптического движения уменьшается. Поверхностные волны генерируются, когда продольная волна пересекает поверхность вблизи второго критического угла (дефекта), и они движутся со скоростью от 0,87 до 0,95 поперечной волны.
Волны Рэлея полезны, потому что они очень чувствительны к поверхностным дефектам (и другим поверхностным элементам).
Волны Лэмба
Волны Лэмба являются наиболее часто используемыми пластинчатыми волнами в неразрушающем контроле. Волны Лэмба — это сложные колебательные волны, которые распространяются параллельно поверхности при испытании по всей толщине материала. Распространение волн Лэмба зависит от плотности и свойств упругости материала. Они также сильно зависят от частоты импульсов и толщины материала. Волны Лэмба генерируются под углом падения, при котором параллельная составляющая скорости волны в источнике равна скорости волны в исследуемом материале. Волны Лэмба в стали распространяются на несколько метров и поэтому очень полезны для сканирования стальных материалов, проволоки и труб.
С волнами Лэмба возможны несколько видов колебательных движений, но наиболее распространенными являются симметричные и асимметричные.
Волновое движение в симметричном режиме часто возникает, когда возбуждающий импульс идёт параллельно материалу. Асимметричная волна возникает когда импульс движется перпендикулярно материалу в детали и небольшое движение происходит в параллельном направлении.
Рекомендуем видео по теме: