Основы ультразвуковой толщинометрии

(сборник плакатов)

Г.Н.Трофимова

Санкт-Петербург

УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

АКУСТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ – механические колебания частиц упругой среды

Частица

р - давление, оно пропорционально смещению (закон Гука);

Р -амплитуда давления;

t – время,

Т - период колебаний – время полного цикла колебаний, с.

f – частота колебаний – число полных колебаний в единицу времени.

f = 1/Т

Одно колебание в секунду - один Герц 1Гц = 1/с

1000 Гц = 10³ Гц = 1 кГц

1000000Гц = 10⁶ Гц = 1 МГц

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ – распространение в упругой среде механического возмущения (колебания)

Волна

 

r -расстояние по направлению движения волны (по лучу);

λ - длина волны – расстояние, на которое волна распространяется за один период колебаний частиц среды.

λ = С Т или λ = С/ f

С – скорость распространения волны, м/с (скорость звука)

С - скорость звука в изотропных твердых телах определяется модулями упругости вещества и их плотностью и не зависит от частоты и амплитуды колебаний.

2

Колебания и волны	Качественное определение	Диапазон частот
Инфразвук	Ниже диапазона слышимости	До 20 Гц (условно)
Звук	Диапазон слышимости	От 20 Гц до 16кГц
УЛЬТРАЗВУК	Выше диапазона слышимости	От 16 кГц до 1000МГц
Гиперзвук	Длина волны меньше длины свободного пробега молекул	Выше 109 Гц (выше 1000 МГц)

 

ТИПЫ ВОЛН

 

1. ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ (ℓ)

 

Продольной называется волна, в которой колебательное движение отдельных частиц происходит в том же направлении, в котором распространяется волна.

Сжатие – растяжение

 

Направление распространения волны

Направление колебания

частиц среды

 

 

Е (1 - ν)

Сℓ =

ρ (1 + ν) (1 - 2ν)

Е – модуль Юнга, ν -коэффициент Пуассона

ρ – плотность материала

Скорость продольной волны Сℓ зависит только от упругих параметров среды.

Продольная волна распространяется в любых средах, обладающих упругостью объема (твердых, жидких, газообразных). 4

2. СДВИГОВЫЕ ВОЛНЫ (t)

СДВИГОВЫЕ ВОЛНЫ – поперечные упругие волны, распространяющиеся только в твердых телах. Смещения частиц перпендикулярны направлению распространения волны

 

 

 

Направление распространения волны

 

Направление колебания

частиц среды

Е

С t =

2ρ (1 + ν)

Скорость поперечной волны Сt зависит только от упругих параметров среды

С t = 0,55 Сℓ

Акустические свойства некоторых сред

 

Среда	Скорость продольной волны Сl, м/c	Плотность ρ, 10³кг/м³	Волновое сопро- тивление Z, МПа с/м
Алюминий		2,7	17,2
Бериллий		1,8	23,3
Медь		8,9
Свинец	1960....2400	11,4	24,6
Сталь углеродистая	5900 - 5940	7,8	46,2 - 46,4
Сталь коррози- онностойкая (аустенитная)	5660 - 6140	8,03	45,5 – 49,3
Титан		4,5	27,5
Цинк		7,1	29,6
Чугун	3500-5600	7,2	25-40
Бетон	2100...5200	1,8 2,8	6,0...9,5
Кварц (монокристалл)	5600 (вдоль оси Х)
Кварц плавленый		2,2	13,1
Оргстекло		1,2	3,0
Глицерин		1,265	2,42
Масло трансф.		0,9	1,3
Вода		0,998	0,156
Воздух		0,0013	0,0004

* В воздухе акустические колебания ультразвуковых частот (МегаГерцового диапазона) из-за большого затухания практически не распространяются.