Физические основы ультразвука. Ультразвуком принято называть механические колебания упругой материальной среды с частотой, превышающей предел слышимости человеческого уха в диапазоне частот от 20 кГц до 20 МГц. Диапазон нижних частот от 20 Гц до 20 кГц называется звуковым, а до 20 Гц-инфразвуковым. Диапазон верхних частот (свыше 20 МГц) принято называть гиперзвуковым.
Распространяясь в упругой среде, ультразвук создает волнообразное смещение частиц среды, образуя области сжатия или растяжения этих частиц. В природе наиболее часто встречаются два вида колебания - непрерывные или импульсные в зависимости от способа их возбуждения.
Непрерывные колебания, распространяясь в упругой среде, образуют волну, которую можно описать уравнением:
Период ультразвуковых колебаний находится в пределах от Т = 1/ 20000 = 5^5 с до Т = 1/ 20000000 = 5 ...10^8 с.
Такие малые промежутки времени удобнее выражать в микросекундах (1 мкс = 1 х 10" с ).
Отличительной особенностью таких колебаний является то, что частицы совершают колебания от состояния покоя до максимальной амплитуды и далее колебания уменьшаются опять до состояния покоя. Характер импульсного колебания в значительной степени зависит от вида внешнего воздействия и способа передачи энергии.
Наиболее распространенным способом возбуждения импульсного колебания в твердой упругой среде является механический удар. Величина Тс называется периодом следования импульсов.
Физическая природа ультразвука такая же, что и у звука, поэтому нет существенной разницы между ультразвуком и слышимым звуком, и все основные явления акустики наблюдаются и в ультразвуковой области частот.
Частицы материальной среды, в которой распространяется ультразвук, совершают колебательные движения около своих положений равновесия, создавая при этом зоны сжатия и растяжения. Такие колебания частицы совершают не в одной какой-то плоскости, а в нескольких плоскостях. В твердых телах в зависимости от способа возбуждения и состояния среды можно наблюдать следующие виды упругих волн.
Продольные волны - это такие волны, в которых колебание частиц среды происходит в том же направлении, что и движение самой волны. Продольные волны в твердом теле распространяются с наибольшей скоростью:
Поскольку для большинства строительных материалов коэффициент Пуассона лежит в пределах 0.16-0.25, то для практических расчетов это уравнение можно записать в несколько упрощенном виде:
Данное уравнение можно использовать для определения усредненного динамического модуля упругости, если будет измерена скорость ультразвука.
Поперечные волны или волны сдвига - это такие волны, у которых направление колебания частиц среды происходит перпендикулярно направлению распространения самой волны (рис13,б). При движении поперечной волны энергия передается не за счет нормального давления одной частицы на другую, как в продольной, а за счет сдвига частицы относительно другой. В жидких средах, где практически отсутствуют усилия сдвига, поперечные волны распространяться не могут.
В твердых упругих материалах, в которых действует закон поперечных деформаций, т.е. при наличии продольных деформаций сжатия возникают поперечные деформации растяжения, практически всегда можно обнаружить одновременно продольные и поперечные волны. Однако соотношение их интенсивности может быть различным в зависимости от способа возбуждения.
Поверхностные волны - волны, которые распространяются параллельно поверхности изделия, а в перпендикулярном направлении быстро затухают.
Имеются и другие виды волн, которые для определения прочности бетона не используются и в настоящем пособии не рассматриваются.
Распространяясь в упругой среде, ультразвуковые волны переносят определьную энергию, при этом часть энергии теряется, что приводит к затуханию колебаний.
Степень затухания зависит от свойства материала, в котором распространяются колебания, и является одной из основных акустических характеристик данного материала. Величина затухания находится в прямой зависимости от поглощения, обусловленного вязкостью, теплопроводностью среды, и рассеивания энергии на неоднородностях. Рассеивание энергии
значительно возрастает, когда размер неоднородностей становится соизмеримым с длиной волны.
При переходе ультразвуковых колебаний из одной среды в другую с различной плотностью р и скоростью распространения V имеют место отражение и преломление аналогично законам геометрической оптики.
Распределение энергии между отраженной и прошедшей через границу раздела двух сред зависит от соотношения акустических сопротивлений этих сред pV. Если эта величина для обеих сред равна между собой, то практически вся энергия перейдет через границу раздела. В противном случае часть энергии отразится, а другая часть изменит направление движения (произойдет преломление).
С увеличением угла падения угол преломления также растет. Угол падения, при котором угол преломления продольной волны становится равным 90°, называется первым критическим углом. При углах падения больше первого критического продольная волна во вторую среду не распространяется. Угол падения, при котором во второй среде исчезает и поперечная волна, называется вторым критическим.
Европа
