Акустические методы контроля материалов. Акустические волны

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ (звуковые волны), возмущения упругой материальной среды (газообразной, жидкой или твёрдой), распространяющиеся в пространстве. Возмущениями являются локальные отклонения плотности и давления в среде от равновесных значений, смещения частиц среды от положения равновесия. Эти изменения состояния среды, передающиеся от одних частиц вещества к другим, характеризуют звуковое поле. В акустических волнах осуществляется перенос энергии и количества движения без переноса самого вещества.

В газообразных и жидких средах, обладающих объёмной упругостью, могут распространяться только продольные акустические волны, в которых смещения частиц совпадают по направлению с распространением волны. Звуковое давление при этом является скалярной величиной. В неограниченных твёрдых средах, обладающих, помимо объёмной, также и сдвиговой упругостью, наряду с продольными могут распространяться и поперечные (сдвиговые) акустические волны; в них направления смещений частиц и распространения волны взаимно перпендикулярны. Аналогом звукового давления в твёрдых средах является тензор механического напряжения. При наличии границ в твёрдых телах возникают и другие типы акустических волн (смотри Упругие волны).

В соответствии с видом зависимости характеристик звукового поля от времени акустические волны могут иметь разную форму. Особое значение имеют гармонические акустические волны, в которых характеристики звукового поля изменяются во времени и в пространстве по синусоидальному закону (смотри Волны). Акустические волны любой формы можно представить в виде суммы (в предельном случае - интеграла) гармонических волн разных частот. В результате разложения волны на простые гармонические составляющие (смотри Звука анализ) получается спектр звука.

Диапазон частот акустических волн снизу практически не ограничен - в природе встречаются акустические волны с частотой, равной сотым и тысячным долям герца. Верхняя граница диапазона акустических волн обусловлена физической природой их взаимодействия с веществом: в газах длина волны должна быть больше длины свободного пробега молекул, а в жидкостях и твёрдых телах больше межмолекулярного или межатомного расстояния. На этом основании за верхнюю частотную границу в газах принята величина 10 9 Гц, в жидкостях 10 10 -10 11 Гц, в твёрдых телах 10 12 —10 13 Гц. В общем диапазоне акустические волны выделяют область собственно звука, воспринимаемого человеком на слух; условные границы этой области 16 Гц - 20 кГц (термин «звук» применяют часто к акустическим волнам во всём частотном диапазоне). Ниже лежит область инфразвука, выше - ультразвука (2·10 4 Гц - 10 9 Гц) и гиперзвука (10 9 Гц - 10 13 Гц). Гиперзвуковые волны в кристаллах иногда рассматривают с позиций квантовой теории, сопоставляя им фононы.

Распространение акустических волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. При определённых условиях наблюдается дисперсия звука - зависимость скорости акустических волн от частоты. По мере распространения происходит постепенное затухание звука, т. е. уменьшение интенсивности акустических волн. Оно обусловлено в значительной степени поглощением звука, связанным с необратимым переходом энергии акустической волны в теплоту. Распространение акустических волн рассматривается методами волновой акустики либо геометрической акустики. При большой интенсивности акустических волн наблюдаются искажение их формы и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная акустика).

Звуковые волны слышимого диапазона служат средством общения людей, а также самых разных представителей животного мира. Акустические волны используются для получения информации о свойствах и строении разных сред и о различных объектах. С их помощью изучаются естественные среды - атмосфера, земная кора, Мировой океан, выясняются особенности строения вещества на микроскопическом уровне. В практической деятельности человека акустические волны служат для обнаружения дефектов в изделиях, используются как один из методов медицинской диагностики, применяются для воздействия на вещество с целью изменения его свойств.

Лит.: Красильников В. А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. 3-е изд. М., 1960; Исакович М. А. Общая акустика. М., 1973; Скучик Е. Основы акустики: В 2 т. М., 1976. И. П. Голямина.

При взаимодействии объектов материального мира протекают физические процессы, сопровождающиеся различными физическими эффектами. Под физическим эффектом (ФЭ) понимается изменение какого-либо свойства или параметра вещества, физического тела, среды, поля или системы (физическое тело – среда – поле, физическое тело – физическое тело, физическое тело – среда и т. д.) под действием одной или двух величин .

Для однозначности толкования понятия ФЭ принято следующее его определение: физический эффект - это закономерность проявления результатов взаимодействия объектов материального мира, осуществляемого посредством физических полей. При этом закономерность проявления характеризуется последовательностью и повторяемостью при идентичности взаимодействия.

Разнообразие процессов и явлений, которые происходят в природе, обусловлено четырьмя типами взаимодействий: всемирным тяготением, электромагнитными, ядерными и слабыми взаимодействиями. Каждому типу взаимодействия соответствуют определенные физические поля, которые имеют ряд модификаций, обусловливающих особенности взаимодействия материальных объектов. Например, электрическое поле может быть электростатическим, переменным, вихревым и т. д. .

Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект.

Результаты воздействия – это эффекты, проявляющиеся на объектах (или в окружающем их пространстве), на которые направлены определенные воздействия. К результатам воздействия относятся также изменения параметров объектов (размеров, формы, диэлектрической проницаемости и т. д.). При постоянстве условий взаимодействия и свойств объекта проявляются одни и те же результаты воздействия.

Обобщенная схема физического эффекта может быть представлена в виде, показанном на рис. 3.1. Модель физического эффекта характеризует зависимость результата эффекта от воздействия и должна отражать условия взаимосвязи физических эффектов друг с другом, давать количественную характеристику проявления физического эффекта, обеспечивать определение результатов воздействий при заданных воздействиях, значениях варьируемых параметров физического объекта, временных характеристик и др. .

В общем случае модель ФЭ имеет вид

где C i – параметрыi - го результата воздействия;А ОСН , А ДОП – параметры основного и дополнительного воздействий; {b 1 , b 2 , b n } – кортеж параметров физического объекта; t – время, характеризующее проявление физического эффекта.

Для многих физических объектов пока не известны строгие математические зависимости между воздействием и результатом воздействия. В этом случае используются эмпирические зависимости либо экспериментальные данные.

В зависимости от природы результата воздействия физические эффекты могут быть разделены на ФЭ: 1) с электрическими; 2) магнитными; 3) тепловыми; 4) механическими; 5) оптическими; 6) химическими; 7) радиоактивными; 8) пространственными; 9) временными результатами воздействия.

Рассмотрим некоторые физические эффекты, которые нашли широкое применение в различных областях техники, в частности при измерении и контроле различных физических величин и объектов.

Акустическая волна – это следствие физического явления под названием звук. Распространяется АВ в виде чистейших мехколебаний в различных физических условиях.

Магноны, как еще называют волны, считаются вибрациями, воспринимающимися нашими органами чувств. Способны воспринимать звуки, безусловно, и животные. Рассмотрим в статье более подробно природу акустических волн, их разновидности.

Соображения общего характера, связанные со звуком

Звук является магноном. Как любое материальное явление, он квалифицируется частотой движения и спектром частот. Мы с вами способны различать шумовые вибрации в интервале частот, варьирующихся в пределах от 16Гц до 20кГц.

Примечание. Интересно будет узнать, что звукоизлучения ниже интервала обычной человеческой слышимости принято называть инфразвуком, а те, что выше - ультразвуком или гиперзвуком. Различие ультразвука от гиперзвука зависит от ГГц. Первый подразумевает значение до 1 ГГц, второй – от 1 ГГц.

Нас интересуют музыкальные звуки, а по сути, звук бывает еще фонетическим, речевым и фонемным. Мелодичные звукоизлучения включают несколько различных тонов. Следственно, и шум в таких звукоизлучениях может варьироваться в широком диапазоне частот.

АВ – это яркий образец амплитудного процесса. А, как известно, любое изменение соединено с нарушением равновесия системы и формулируется в толерансе ее параметров. Одним словом, АВ – это переменные зоны сокращения и увеличения.

Посмотрим на это физическое явление иначе. Чередование в данном случае подразумевает смену давления, которое вначале передается на соседние частицы. Последние продолжают передачу колебаний на следующие частицы и так далее. Отметим, что за спектром высокого давления идет зона сниженного давления.

АВ, как и было сказано выше, распространяется в различной физической среде:

В эрлифтной (газ);
В жидкостной;
В твердой.

В первых 2-х средах АВ имеют колебания продольного характера, что объясняется отсутствием существенных вибраций, связанных с плотностью. Другими словами, в такой среде вибрации перекрещиваются с курсом волноперемещений.

Напротив, в твердой среде кроме продольных деформаций АВ наблюдаются также и сдвижные деформации, подразумевающие возбуждение поперечных или сдвиговых волн.

Знания о звуковолнах

Полезно будет знать, что звукоизлучения или волны являются разновидностью всех типов волн, находящихся в нашей повседневной жизни. Те магноны, которые мы обнаруживаем в музыке, и принято называть звуковыми.

Волна, как таковая, не имеет ни цвета, ни других привычных физических свойств, а представляет собой, скорее, некое состояние, возможное описать физико-математическим языком.

Про волны также следует знать следующее:

Они обладают свойствами, способными передавать энергию из одной точки в другую, как и любой перемещающийся предмет.

Примечание. Сила волны акустической хорошо заметна на примере динамика, на который ставится что-то очень чувствительное. Это может быть, к примеру, лист бумаги с насыпанным на него морским или речным песком. Чем громче звук, тем сильнее вибрация и, соответственно, энергия волны. Она может даже создать на бумажном листе загадочные узоры, перемешивая подпрыгивающие песчинки.

Линейность – это еще один параметр магнона, проявляющийся в способности вибраций одной волны не оказывать влияния на колебания другой. Идеальная линейность или linearity всегда подразумевает параллельность;
Очень важная закономерность звуковолны отражается в грамотной установке акустики. Так, монтажнику специалисту следует знать о том, что скорость распространения звука определяется не столько частотой, сколько средой окружения.

Примечание. Именно по этой самой причине столь важно проводить шумовиброизоляцию кузова автомобиля, правильно направлять динамики, чтобы звук отражался верно.

Для лучшего восприятия звуковолны существует такое понятие, как интенсивность или попросту громкость. Как правило, оптимальным для слуха является диапазон в пределах 1000-4000Нz.

Стандартные параметры АВ

Рассмотрим самые распространенные параметры звука:

Скорость колебаний, которая измеряется в м/с или см/с;
Коэфф. затухания, отражающий быстроту убывания скорости со временем или S;
Декремент логарифмический или D, характеризующий уменьшение скорости движения за один цикл;
Добротность или Q, определяющая добротность элементов цепей, по которым протекает звук;
Акустическая реактанация Z или возможность перемещать звуковую энергию, в том числе и гиперзвуковую;
Давление звука или величина, представляющая собой разность между точечным давлением и статическим. Акустическое давление можно назвать также переменным давлением в среде, обусловленным звуковыми колебаниями. Измеряется в Па;
Скорость перемещения в окружающей среде. Как правило, она бывает меньшей в газообразной среде, больше в твердой;
Громкость или восприятие силы звука, воспринимаемое каждым человеком индивидуально. Данный параметр зависит от звукового давления, скорости и частоты акустических колебаний.

Разновидности АВ

Акустические волны бывают поверхностными Surface и упругими Elastic.

Рассмотрим вначале подробно поверхностные акустические волны:

В первую очередь они представляют собой упругие волны , распространяющиеся вдоль поверхности твердого тела;
Поверхностные АВ делятся, в свою очередь, на 2 типа: вертикальный и горизонтальный (волны Лява).

Поверхностные АВ, кроме этого, могут встречаться в следующих частных случаях:

Когда они распространяются вдоль границ упругого вакуумного полупространства;
Когда наблюдается затухание волн на границе двух типов физических сред – жидкостной и твердой;
Когда наблюдается незатухающая волна, имеющая вертикальную поляризацию;
Устремляющаяся по пологой границе твердообразных зон волна, названная Stoneley;
Поверхностная АВ с горизонтальной поляризацией, способная распространяться в упругом пространстве.

Что касается упругих волн, то они распространяются также в 3-х известных физических средах, но меньше связаны с акустикой, как таковой.

Музыка всегда занимала в жизни человека большое значение. Гармония звучания, мелодичность воспринимается как нечто идеальное, не подразумевающее раздражитель слуха или обычный шум.

Полезно будет знать, что еще в конце 18 века известный немецкий ученый Е. Hlandi предложил гениальный метод измерения звуковолн. В частности, на примере того же листа с песком, физик доказал, что песчинки образуют различные узоры за счет интерференции колебаний. После этого ему удалось вывести особые формулы для вычисления параметров звука, сегодня используемые профессионалами.

Что касается первой записи звука, то это удалось осуществить великому Эдисону, проводящему опыты с фонографом в конце 19 века. Его гениальная система работала на основе давления звуковолн, двигающих иголку вверх/вниз. Острый кусок металла выцарапывал углубления на фольгистом материале, намотанном на вращающийся цилиндр.

Cтраница 1

Распространение акустических волн (или поверхностей слабого разрыва) характеризуется постоянством скорости звука во всех точках среды, малостью изменения плотности по сравнению с плотностью невозмущенной среды ро, а также малостью скоростей частиц V по сравнению со скоростью звука CQ. Давление р, действующее на преграду, можно представить в виде РР1 Р2 РЗ, где / 1 - давление в падающей волне; р2 - давление в волне, отраженной от жесткой и неподвижной преграды; р - давление излученных волн, связанное с деформированием преграды и движением ее как твердого тела.

Распространение акустических волн через периодические доменные структуры в электро - и магнитоупорядоченных веществах отличается от распространения оптических волн по ряду характеристик. Во-первых, акустические волны непосредственно взаимодействуют с доменными структурами, поскольку пьезоэлектрические и магнитоупругие коэффициенты доменов с антипараллельной ориентацией будут отличаться знаками. Во-вторых, если для распространения оптических волн, как правило, выполняется условие АОПт D, то для акустических волн, наоборот, в большинстве случаев справедливо условие Аак D. Вследствие первого обстоятельства очевидно, что наиболее интересные аспекты распространения могут возникать в первую очередь в пьезоэлектриках или магнетиках.

Обнаруженное распространение нелинейных акустических волн над пятнами в хромосфере и переходной зоне может быть обобщено и для случая колебаний над активными областями.

Рассмотрим распространение акустических волн малой амплитуды в невязком газе.

Скорости распространения акустических волн и ионно-акустических волн определяются температурой нейтрального газа и электронной температурой соответствен-но. При интерпретации величины измеренной скорости акустических волн необходимо также знать отношение удельных теплоем-жостей данного газа; это вызывает определенные затруднения, когда 4 состав плазмы входят сложные газовые молекулы. На частотах, близких к частоте ион-атомных столкновений, связь между ионно-акустическими и акустическими волнами сильно возрастает , затрудняя интерпретацию результатов измерений.

Механизм распространения акустических волн в горных породах описывается уравнениями динамической теории упругости для скалярного и векторного потенциалов. При этом основными акустическими характеристиками горных пород являются скорости распространения продольных vp и поперечных vs волн, их коэффициенты затухания ар и aS) а также преобладающие частоты в спектре регистрируемых импульсов. Чтобы получить кривую изменения указанных параметров по разрезу, производится измерение разности времени At коррелируемых вступлений р - и s - волн на двух регистрирующих каналах. Отношение интервального времени At к базе измерения А / является величиной, обратной скорости распространения волны, и обычно используется при дальнейших расчетах коллекторских свойств пластов.

Характер деформаций, соответствующий.

Скорость распространения акустической волны зависит от тина волны и физических свойств среды; от колеблющейся массы и упругости среды.

Скорость распространения акустических волн зависит от температуры. Эту зависимость характеризуют изменением скорости на один градус температуры. Для воды зависимость аномальная.

При распространении акустической волны, вследствие различных тепловых свойств дисперсионной среды и дисперсной фазы, между ними происходит теплообмен, который приводит к дополнительному поглощению акустической энергии ост. При распространении звука в гомогенных жидкостях изменение температуры происходит адиабатически. Изотермические сжатия и разрежения могут быть заметны лишь на высоких частотах (порядка 106 МГц), при которых температурная волна (Кт) соизмерима с Я. В эмульсиях же при г А, температура дисперсной фазы и дисперсионной среды при адиабатических сжатиях и разрежениях меняется по-разному. Это должно приводить к теплообмену между фазами и соответственно к дополнительному затуханию - термическому поглощению.

При распространении акустической волны от источника с увеличением расстояния, на которое она распространяется, происходит ее ослабление.

Рассмотрим теперь распространение акустической волны той же моды, определяемой значением OQ 0.7, на участке канала с монотонно растущим по длине числом Маха от MI 0.1 до М % 0.9. В этом случае помимо рассмотренной уже точки поворота М - 0.27, как следует из рис. 1, есть еще одна точка поворота М - 0.72. Отрезок оси ReM между точками поворота отвечает участку канала, где частота ниже частоты отсечки. Указанные точки поворота расположены достаточно далеко друг от друга и их взаимное влияние пренебрежимо мало. Однако если распространяющаяся волна характеризуется несколько большим OQ. Такая задача аналогична задаче о плотном потенциальном барьере в теории ВКБ-приближения.