Интенсивность и затухание ультразвуковых волн

По мере удаления волны от излучателя ее интенсивность падает. Уменьшение интенсивности сферической волны обуславливается ее расхождением и затуханием колебаний, а плоской — только затуханием.

Затуханием ультразвуковых колебаний называется уменьшение амплитуды колебаний частиц в звуковой волне, вызванное процессами рассеяния и поглощения.

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 или разную скорость в направлении падающего луча. Для некоторых материалов (например, для чугуна) это связано с тем, что он представляет собой сплав зерен различных компонентов (феррита и графита). Для других материалов—с наличием пор или инородных включений. Для третьих—с различной ориентацией анизотропных кристаллов.

Последнее бывает особенно заметным в крупнозернистых аустенитных материалах, а также в аустенитных сварных швах. При переходе луча из одного кристалла (или конгломерата кристаллов) в другой возникают частичное отражение, преломление и трансформация волн, что и определяет механизм рассеяния (рис. 4.6). Модель рассеяния, показанная на рисунке, справедлива для случаев, когда размеры кристалла (или анизотропного конгломерата кристаллов) значительно больше длины волны.

Рис. 4.6. Рассеяние ультразвуковой волны на кристаллах (зернах) с размером мною больше >.

Очень сильное влияние на величину коэффициента рассеяния в металлах оказывает соотношение средней величины зерна D и длины волны ультразвука X (рис. 4.7). При X «D звук поглощается в каждом зерне как в одном большом кристалле и затухание определяется в основном поглощением:

где С₃ — коэффициент, не зависящий от величины зерна и анизотропии; F₃ — фактор анизотропии.

Рис. 4.7. Зависимость коэффициента затухания ультразвуковой волны 8 от соотношения средней величины зерна D и длины волны к за счет рэлесвского рассеяния (а); потерь на теплопроводность (б); диффузионного рассеяния (в) и вязкого поглощения (г) Для различных металлов при одинаковой величине зерна коэффициенты рассеяния разные. Это отличие и учитывается с помощью фактора анизотропии. С учетом этого фактора металлы могут быть расположены в следующий ряд: W, Mg, А1 + Си (95%+5%), Al, Fe, Си, РЬ, а-латунь (72% Си + 28% Zn), Р-латунь (58% Си + 42% Zn). Для вольфрама и магния F_} = 0. Эти вещества почти изотропны. Металлы, стоящие за железом, обладают большой степенью анизотропии. При X ~ D рассеяние очень велико. Ультразвук как бы проникает, диффундирует между отдельными кристаллами подобно свету в мутной среде. Этот механизм называют диффузным рассеянием.

Особенно велико затухание при X ~ (3—4)D. Здесь к диффузному рассеянию добавляется поглощение, связанное с релаксацией теплопроводности на анизотропных кристаллах. Возникающие на границах отдельных кристаллов в процессе их деформации градиенты температур не успевают выравниваться за период колебаний, что приводит к возрастанию тепловых потерь.

При X" D происходит рассеяние волны мелкими частицами, при котором коэффициент рассеяния.

где С₂ — коэффициент, не зависящий от величины зерна и анизотропии. При 4?> < X < 10D рассеяние начинает приближенно следовать закону.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используется для измерения последней в диапазоне длин волн от X = (3—4)D до X = (10—15)D, в котором коэффициент затухания быстро изменяется в зависимости от диаметра зерна.

На рис. 4.8 показана зависимость коэффициента затухания продольных волн от величины зерна в образцах из стали 12Х18Н9Т при f = 1,25 МГц. Для дефектоскопии обычно применяют такие частоты (0,5—10) МГц, чтобы X была больше (10—15)D. В этом интервале ультразвук слабо рассеивается и, как правило, не возникает помех, связанных с рассеянием на кристаллах.

Вторая часть затухания — поглощение — означает прямое преобразование звуковой энергии в тепловую. Это преобразование определяются различными механизмами, которые здесь не рассматриваются. Понятно, что поглощение будет тем больше, чем быстрее будут совершаться колебания, то есть чем выше частота ультразвука. Поглощение возрастает пропорционально увеличению частоты, то есть медленнее, чем рассеяние.

Поглощение поперечных волн меньше, чем продольных, так как они не связаны с адиабатическими изменениями объема, при которых появляются потери на теплопроводность. Потери на теплопроводность пропорциональны квадрату частоты.

Обе составляющие затухания создают определенные трудности при ультразвуковом контроле. Поглощение уменьшает амплитуду проходящих сигналов. Для его компенсации следует создавать более мощный зондирующий импульс, а также увеличивать усиление. Гораздо неприятнее рассеяние, так как при эхо-методе оно не только уменьшает уровень сигналов, отраженных от донной поверхности 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 мелких дефектов. Рассеяние поперечных волн выше, чем продольных (рис. 4.9).

Рис. 4.8. Изменение коэффициента затухания продольных волн в стали 12X18H9T в зависимости от величины зерна (/'=1,25 МГц).

Рис. 4.9. Зависимость коэффициента затухания продольной (с,) и поперечной (с₍) волн в стали (D = 0,05 мм) от частоты УЗ-волны Уменьшение интенсивности звука при прохождении отрезка пути (рис. 4.10), связанное с влиянием затухания, может быть записано в виде:

где 5 = 8_п + 6_р— коэффициент затухания, учитывающий и рассеяние; А г = г_г — г_у

В общем случае под амплитудой U волны понимают амплитуду одной из величин: смещения, звукового давления, колебательной скорости.

Коэффициент затухания показывает, на сколько уменьшается амплитуда колебаний под влиянием затухания при прохождении единицы длины пути.

Коэффициент затухания выражается либо в неперах на метр (Нп/м), либо в децибелах на метр (дБ/м).

Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии в 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е = 2,72 — основание натурального логарифма).

В практике контроля коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см, а также в дБ/мм.

Рис. 4.10. Изменение интенсивности звука с расстоянием под влиянием затухания.

В табл. 4.4 приведены значения коэффициента затухания продольных и поперечных волн в сварных соединениях из некоторых металлов.

Таблица 4.4

Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент может иметь существенно отличающиеся значения в различных областях изделий, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

Пространство, в котором распространяются ультразвуковые волны, называется ультразвуковым (акустическим) полем.

Ультразвуковая волна в направлении своего движения несет определенную энергию, которую излучил источник. Количество энергии, переносимой волной за 1 с через 1 см² площади, перпендикулярной к направлению распространения, называется интенсивностью ультразвуковой волны. Интенсивность ультразвуковой волны пропорциональна квадрату амплитуды упругого смещения атома и квадрату частоты его колебаний:

где / — частота колебаний; а — амплитуда смещения; с — скорость распространения волны; р — плотность материала.

Произведение скорости распространения ультразвуковой волны с на плотность материала р, в котором она распространяется, называется удельным акустическим сопротивлением или акустическим импедансом и обозначается г.

По мере распространения ультразвуковой волны интенсивность ее падает за счет расхождения и затухания колебаний. Снижение интенсивности ультразвука вследствие его затухания происходит по экспоненциальному закону.

где / — интенсивность ультразвуковой волны на расстоянии х от излучателя, где интенсивность равна /₀; 8 — коэффициент затухания. Чем больше коэффициент затухания, тем значительнее ослабление ультразвуковой волны, а следовательно, тем меньше глубина ее проникновения.

В твердых телах коэффициент затухания 8 складывается из коэффициента поглощения 8_п и коэффициента рассеяния 8_р

В свою очередь, <5_р = kJ*, а<5_п = к₂/ где и к, — коэффициенты пропорциональности. Тогда.

К волнам малой амплитуды может быть применен принцип наложения или принцип Гюйгенса, согласно которому каждое звуковое колебание развивается независимо от других одновременно происходящих акустических явлений. Если в какой-то среде возбуждается несколько колебательных процессов, то результирующее колебание можно найти путем суммирования его отдельных составляющих. При сложении векторных величин (то есть, имеющих направление, например, сил, скоростей) учитываются направления каждой составляющей, при сложении скалярных величин (например, давления) результат зависит только от амплитуды и фазовых соотношений всех составляющих.

Наложение двух или большего числа когерентных (т.е. с независящей от времени разностью фаз) колебаний одинаковой частоты называется интерференцией.

Результирующее колебание в любой точке среды оказывается равным алгебраической сумме всех колебаний, пришедших в эту точку. Поэтому амплитуда колебаний частиц среды в какой-либо точке возрастает, если отдельные колебания приходят в эту точку в фазе, и уменьшается, если колебания приходят в противофазе. В результате в среде возникает акустическое поле — область пространства, в которой существуют акустические колебания.

Акустическое поле вблизи излучателя вследствие интерференции имеет сложную структуру с чередующимися минимумами и максимумами звукового давления как вдоль, так и поперек акустической оси излучателя. Эта зона немонотонного изменения акустического поля называется ближней зоной или зоной дифракции Френеля (рис. 4.11, а).

Акустическое поле в сечениях, расположенных поперек оси излучателя, имеет вид чередующихся кольцевых зон минимумов и максимумов. С удалением от источника ширина минимумов и максимумов увеличивается, вокруг них могут появиться дополнительные максимумы.

В ближней зоне более 80% излученной энергии находится в пределах цилиндра, ограниченного краями излучателя, однако по сечению цилиндра энергия распределена неравномерно. Граница ближней зоны при непрерывном излучении ультразвука определяется формулой:

За пределами ближней зоны начинается дальняя зона излучателя или зона дифракции Фраунгофера (рис. 4.11, б). В этой зоне звуковое давление монотонно убывает с увеличением расстояния от излучателя. В дальней зоне поле имеет вид лучей, выходящих из центра излучателя.

Если размеры пьезоэлемента искательной головки существенно больше длины волны излучаемого ими ультразвука, то ультразвуковые колебания в однородных металлах распространяются в виде направленного пучка (см. рис. 4.11, а). Вблизи от излучателя, на участке, называемом ближней зоной или зоной Френеля, ультразвуковая волна распространяется почти без расхождения. В ближней зоне амплитуда ультразвукового поля как вдоль оси пучка, так и по его сечению претерпевает осцилляции (см. рис. 4.11, б). В дальней зоне поля или зоне Фраунгофера, расположенной за ближней зоной, начинается постепенное расхождение волны. Поле волны приобретает форму усеченного конуса, половина угла расхождения которого где а — радиус пьезопластины (преобразователя).

При частоте продольных колебаний/= 2,5 МГц и диаметре преобразователя 2 а = 12 мм, широко используемых в дефектоскопии, протяженность ближней зоны в стали составляет г_б ~ 15 мм, а угол расхождения 2<�р_р = 28°. В связи с этим ультразвуковые колебания в контролируемом объекте распространяются в виде направленного пучка (луча).

Линия, соединяющая точки максимальной амплитуды волны в дальней зоне и ее продолжение в ближней зоне, называется акустической осью. В однородной среде луч, направленный вдоль акустической оси, называется центральным лучом.

Рис. 4.11. Структура распространения ультразвуковой волны в материале контролируемого объекта:

а — акустическое поле излучателя; б — распределение интенсивности по оси луча

По мере удаления волны от излучателя ее интенсивность падает. Уменьшение интенсивности сферической волны обусловливается ее расхождением и затуханием колебаний, а плоской — только затуханием.