RESEARCH COMMUNICATION ULTRASONIC VELOCITY WITH THE MECHANICAL PROPERTIES OF CAST STEEL

Alexandr Pavlov

candidate of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Department of Physics and the East Kazakhstan state university of technology it. S. Amanzholov, Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Alexandr Pavlov

master of Science, Head of Laboratory of technical diagnostics and control “Vostokmashzavod” JSC,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Almira Zhylkashynova

candidate of Physical and Mathematical Sciences , Head of the Laboratory of energy saving and alternative energy a national scientific laboratory for communities EKSU S. Amanzholov,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

Zarina Satbaeva

master of Science, Researcher of the East Kazakhstan State University, S. Amanzholov,

Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk

АННОТАЦИЯ

Настоящая научная работа посвящена исследованию связи скорости ультразвука с пластическими характеристиками и ударной вязкостью литой стали 20ГЛ, в структурно-неоднородном состоянии.

Одной из важнейших задач в физике твердого тела является поиск новых методов контроля и закономерностей в модели поведения физических характеристик металлов при внешнем энергетическом воздействии на них.

По результатам эксперимента выявлена математическая зависимость, позволяющая определить значение ударной вязкости по скорости ультразвука в металле и модулю упругости.

ABSTRACT

This scientific work is devoted to the study of communication ultrasound velocity with plastic properties and toughness cast steel 20GL in structurally inhomogeneous state.

One of the major problems in solid state physics is the search for new control methods and patterns in the behavior patterns of the physical characteristics of metals in the external radiation on them.

According to the results of the experiment revealed mathematical relationship, which allows to determine the toughness of the value of the speed of ultrasound in the metal and elastic modulus.

Ключевые слова: ударная вязкость, скорость ультразвука, модуль упругости, сталь 20ГЛ, неразрушающий контроль.

Keywords: toughness, speed of ultrasound, the modulus of elasticity, 20GL steel, non-destructive testing.

Введение.

Непрерывно возрастающий уровень требований к качеству деталей предполагает развитие новых, более точных методов неразрушающего контроля механических свойств сталей. Ударная вязкость при пониженной температуре, является определяющим параметром при оценке качества деталей эксплуатируемых при экстремальных температурных условиях и знакопеременных нагрузок.

Внутренние напряжения металла оказывают решающее влияние на механические свойства деталей, в частности на ударную вязкость, твёрдость, предел прочности и текучести. Зная комплекс физико-механических свойств, и внутренние напряжения, можно судить о поведении детали в конкретных условиях. При измерении ударной вязкости разрушающим способом можно лишь приближенно охарактеризовать склонность всего изделия к хрупкому разрушению, так как испытанию подвергается образец, вырезанный из конкретной части детали или треф пробы, которая в свою очередь не имеет отношения к самой детали. Неразрушающие испытания дают возможность провести измерения скорости ультразвуковой волны и тем самым значения ударной вязкости почти в любом месте изделия, что очень важно, например, для таких деталей как рама боковая и балка надрессорная.

Методы неразрушающего контроля ударной вязкости и упругости в настоящее время рассмотрены для конструкционных сталей перлитного класса в виде кованых заготовок и проката , для малоуглеродистых и низколегированных сталей после прокатки и термической обработки . В работе было проведено изучение корреляционных зависимостей между скоростью ультразвука, твердостью и ударной вязкостью в горячекатаной листовой стали 09Г2С. В отличие от вышеприведенных проката и кованых заготовок, неоднородность структуры литого металла снижает точность ультразвукового контроля указанных характеристик. Данная тематика частично рассмотрена в работе , где предлагается акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля внутренних дефектов литых деталей подвижного состава.

Методика проведения анализа.

Скорость распространения продольной ультразвуковой волны, генерируемой преобразователем с частотой 4 MHz, определяли на приборе УЗТ А 1209, используя режим калибровки на заданную толщину металла. Для чего, были изготовлены образцы с концентратором KCU и KCV, согласно ГОСТ 9454 с разных плавок стали марки 20ГЛ, в количестве 20 шт., затем, на образце замеряли скорость распространения продольной и поперечной ультразвуковой волны при комнатной и пониженной температуре. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре IMPACTP-300 с автоматической системой управления.

Статические испытания на растяжение цилиндрических образцов диаметром 10 мм проводили при комнатной температуре на машине одноосного статического нагружения “WAW-600C” с записью диаграмм растяжения в соответствии с ГОСТ 1497 , с измерением физического предела текучести, временного сопротивления, относительного равномерного удлинения и сужения.

Результаты исследований и их обсуждение.

Согласно проведенным исследованиям ударная вязкость KCU связана с работой упругопластической деформации до появления трещины и с работой расширения трещины на все сечение образца. Ударная вязкость KCV, примерно равна второй работе. Таким образом, формула для ударной вязкости:

где: , и – константы, определяемые из опыта. В предлагается похожая формула связи К CU и V :

Здесь – скорость поперечной волны.

Формулу (1) можно обосновать термодинамически. Первый закон термодинамики гласит, что изменение энергии системы равно работе внешних сил и полученному количеству теплоты:

Испытание на ударную вязкость осуществляется ударом. Следовательно, процесс разрушения образца можно считать адиабатическим. Тогда и . Энергия отличается от не только температурой, но и другим расположением точек равновесия атомов, и энергией остаточной деформации:

, (4)

где: и - средние значения остаточных напряжений и деформаций, а и – константы. Тогда, заменяя через (, где - модуль упругости), получаем:

где: и – постоянные, определяемые из опыта. Модуль упругости связан со скоростью звука известным соотношением:

где: – плотность стали.

Формула (5) получается и из диаграммы растяжения образца (рис. 1).

Рисунок 1. Типичная диаграмма растяжения стали 20ГЛ. Указаны координаты эллиптической функции отклика

Линейный участок диаграммы описывает упругую деформацию, которая растет согласно закону Гука . Деформация будет оставаться упругой до предела текучести . Следовательно, работа внешней силы на этом участке будет:

Участок АВ описывает упруго-пластическую деформацию. Как показано в этот участок диаграммы можно моделировать эллипсом с полуосями и .

Работа внешней силы на этом участке будет определяться площадью прямоугольника со сторонами – , и 0,25 площади эллипса (0,25):

Нисходящий участок диаграммы ВС, описывающий разрушение образца, тоже моделируется эллипсом с полуосями: и . Значит, работа внешних сил на этом участке будет:

Согласно определению ударной вязкости она равна отношению работы деформирования и разрушения к площади сечения образца. Полная работа деформирования равна

где: – объем тела. В нашем случае , где – длина образца, S – площадь поперечного сечения. Следовательно:

.

Сложив (7), (8) и (9) получим полную работу внешних сил:

Поскольку диаграммы получались при растяжении образца, а разрушение образца при определении ударной вязкости происходит при деформации изгибом, то в предыдущей формуле необходимо поставить коэффициент пропорциональности, т. е.

Используя (7), (8) и (9), для получаем:

Используя опытные данные для соответствующих значений и , приходим к следующей формуле, связывающей ударную вязкость и скорость звука

(11)

Здесь – предел текучести. Как показано в , этот предел можно определить серийным дефектоскопом.

В качестве доказательства работоспособности данной формулы было проанализировано около 50 образцов с разных плавок, методом сравнения показаний маятникового копра и значений, полученных расчетом по формуле (11). Установлено, что при значении ударной вязкости определенной на маятниковом копре в пределах 14–24 Дж/см 2 , погрешность измерения составляет около 15 %, что конечно недопустимо. Однако в пределах от 24 до 50 Дж/см 2 , выведенная формула достаточно точно отражает реальное значение ударной вязкости с погрешностью порядка 3 %.

Например: образец плавки № 311 имеет значение , , подстановка этих чисел в формулу (11) дает Дж/см 2 , значение определенное по маятниковому копру – 43,0 Дж/см 2 . Образец плавки № 238 , , , значение по маятниковому копру – 37,2 Дж/см 2 .

Так как при получении формулы (11) использовалась полная работа деформации и разрушения, следовательно, данную формулу можно использовать как для измерения KCV так и для KCU, с учетом изменения коэффициентов.

Выводы:

1. Полученная формула (11), в сочетании с указанной методикой замера скорости продольной ультразвуковой волны вполне могут быть использованы при оценке ударной вязкости стали 20ГЛ, в интервале значений от 24 до 50 Дж/см 2 .

2. Достаточно простая реализация данного метода, дает возможности разработки малогабаритной аппаратуры с последующим созданием методики контроля ударной вязкости по частотным и временным характеристикам, при пониженных температурах. Данный метод позволит избежать трудности с изготовлением образцов с V-образным надрезом, контролем геометрических размеров и тем самым повысить точность измерения значения ударной вязкости. Также положительными факторами будет экономия металла, трудовых и временных ресурсов для изготовления образцов.

Список литературы:

1. Бобров А.Л. Повышение достоверности неразрушающего контроля литых деталей подвижного состава: Дисс. канд. техн. наук: 05.02.11 / СГУПС. – Новосибирск, 2000. – 142 с.

2. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

3. ГОСТ 1497-87 Металлы. Методы испытаний на растяжение.

4. Зуев Л.Б., Полетика И.М., Ткаченко В.В., Громов В.Е. Ультразвуковой контроль механических свойств стали в структурно-неоднородном состоянии. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Вестник ТГУ, т. 5, вып. 2–3, Томск, 2000 г.

5. Куликова О.А. Разработка методики ультразвукового контроля ударной вязкости горячекатаной листовой стали: Дис. Канд. тех. наук: 05.16.01/ТГПУ. – Томск, 2000. – 109 с.

6. Павлов А.М., Павлов А.В. Особенности упругопластической деформации стали 20ГЛ. // Локомотивы. ХХI век: материалы III Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения д.т.н., профессора В.В. Стрекопытова, Санкт-Петербург, 17–19 ноября 2015 – С. 100–105.

7. Сухарев Е.М. Исследование связи скорости ультразвука с ударной вязкостью и разработка методики контроля качества конструкционных сталей: дисс. канд. техн. наук: 05.02.11 / НГТУ. – Новосибирск, 2000. – 132 с.

Измерение скорости распространения ультразвука и ультразвуковая аппаратура

Скорость распространения ультразвука в бетоне колеблется от 2800 до 4800 м/с в зависимости от его структуры и прочности (табл. 2.2.2).

Таблица 2.2.2

Материал	ρ, г/смЗ	v п p , м/с
Сталь	7.8
Дуралюминий	2.7
Медь	8.9
Оргстекло	1.18
Стекло	3.2
Воздух	1.29x10 -3
Вода	1.00
Масло трансф.	0.895
Парафин	0.9
Резина	0.9
Гранит	2.7
Мрамор	2.6
Бетон (более 30 суток)	2.3-2.45	2800-4800
Кирпич:
силикатный	1.6-2.5	1480-3000
глиняный	1.2-2.4	1320-2800
Раствор:
цементный	1.8-2.2	1930-3000
известковый	1.5-2.1	1870-2300

Измерение такой скорости на относительно малых участках (в среднем 0.1-1 м) является сравнительно сложной технической задачей, которая может быть решена только при высоком уровне развития радиоэлектроники. Из всех существующих методов измерения скорости распространения ультразвука, с точки зрения возможности их применения для испытания строительных материалов, можно выделить следующие:

Метод акустического интерферометра;

Резонансный метод;

Метод бегущей волны;

Импульсный метод.

Для измерения скорости ультразвука в бетоне наибольшее распространение получил импульсный метод. Он основан на многократной посылке в бетон коротких ультразвуковых импульсов с частотой следования 30-60 Гц и измерении времени распространения этих импульсов на определенном расстоянии, называемой базой прозвучивания, т.е.

Следовательно, чтобы определить скорость ультразвука необходимо измерить расстояние, пройденное импульсом (база прозвучивания), и время, за которое ультразвук распространяется от места излучения до приема. Базу прозвучивания можно измерить любым прибором с точностью до 0.1мм. Время распространения ультразвука в большинстве современных приборов измеряется путем заполнения высокочастотными (до 10 МГц) счетными импульсами электронных ворот, начало которых соответствует моменту излучения импульса, а конец - моменту прихода его в приемник. Упрощенная функциональная схема такого прибора приведена на рис. 2.2.49.

Схема работает следующим образом. Задающий генератор 1 вырабатывает электрические импульсы с частотой от 30 до 50 Гц в зависимости от конструкции прибора и запускает высоковольтный генератор 2, который вырабатывает короткие электрические импульсы с амплитудой 100 В. Эти импульсы поступают в излучатель, в котором, используя пьезоэффект, преобразуются в пачку (от 5 до 15 шт.) механических колебаний с частотой 60-100 кГц и вводятся через акустическую смазку в контролируемое изделие. В это же время открываются электронные ворота, которые заполняются счетными импульсами, и срабатывает блок развертки, начинается движение электронного луча по экрану электронно­лучевой трубки (ЭЛТ).

Рис. 2.2.49. Упрощенная функциональная схема ультразвукового прибора:

1 - задающий генератор; 2 - генератор высоковольтных электрических импульсов; 3 - излучатель ультразвуковых импульсов; 4 - контролируемое изделие; 5 - приемник; 6 - усилитель; 7 - генератор формирования ворот; 8 - генератор счетных импульсов; 9 - блок развертки; 10 - индикатор; 11 - процессор; 12 - блок ввода коффициентов; 13 - цифровой индикатор значений t,V,R

Головная волна пачки ультразвуковых механических колебаний, пройдя через контролируемое изделие длиной L, при этом затратив время t, попадает в приемник 5, в котором преобразуется в пачку электрических импульсов.

Пришедшая пачка импульсов усиливается в усилителе 6 и попадает в блок вертикальной развертки для визуального контроля на экране ЭЛТ, а первым импульсом этой пачки закрываются ворота, прекратив доступ счетных импульсов. Таким образом, электронные ворота были открыты для счетных импульсов с момента излучения ультразвуковых колебаний до момента прихода их в приемник, т.е. время t. Далее счетчик считает количество счетных импульсов, которые заполнили ворота, и результат выдается на индикатор 13.

В некоторых современных приборах, таких как «Пульсар-1.1», имеются процессор и блок ввода коэффициентов, с помощью которых решается аналитическое уравнение зависимости "скорость-прочность", а на табло цифровой индикации выдаются время t, скорость V и прочность бетона R.

Для измерения скорости распространения ультразвука в бетоне и других строительных материалах в 80-е годы серийно выпускались ультразвуковые приборы УКБ-1М, УК-10П, УК-10ПМ, УК-10ПМС, УК-12П, УФ-90ПЦ, Бетон-5, которые себя хорошо зарекомендовали.

На рис. 2.2.50 приведен общий вид прибора УК-10ПМС.

Рис. 2.2.50. Ультразвуковой прибор УК-10ПМС

Факторы, влияющие на скорость распространения ультразвука в бетоне

Все материалы в природе можно разделить на две большие группы», относительно однородные и с большой степенью неоднородности или гетерогенные. К относительно однородным можно отнести такие материалы, как стекло, дистиллированная вода и другие материалы с постоянной для нормальных условий плотностью и отсутствием воздушных включений. Для них скорость распространения ультразвука в нормальных условиях практически постоянна. В неоднородных материалах, к которым относится большая часть строительных материалов, в том числе и бетон, внутреннее строение, взаимодействие микрочастиц и крупных составляющих элементов непостоянно как по объему, так и по времени. В их структуру входят микро - и макропоры, трещины, которые могут быть сухими или наполнеными водой.

Непостоянным является и взаимное расположение крупных и мелких частиц. Все это приводит к тому, что плотность и скорость распространения в них ультразвука непостоянны и колеблются в больших пределах. В табл. 2.2.2 приведены значения плотности ρ и скорости распространения ультразвука V для некоторых материалов.

Далее рассмотрим, каким образом влияют изменения таких параметров бетона, как прочность, состав и вид крупного заполнителя, количество цемента, влажность, температура и наличие арматуры на скорость распространения ультразвука в бетоне. Эти знания необходимы для объективной оценки возможности контроля прочности бетона ультразвуковым методом, а также для исключения ряда погрешностей при контроле, связанных с изменением указанных факторов

Влияние прочности бетона

Экспериментальные исследования показывают, что с повышением прочности бетона скорость ультразвука увеличивается.

Это объясняется тем, что значение скорости, так же как и значение прочности, зависит от условия внутриструктурных связей.

Как видно из графика (рис. 2.2.51), зависимость "скорость-прочность" для бетонов различного состава непостоянная, из чего следует, что на данную зависимость, кроме прочности, влияют и другие факторы.

Рис. 2.2.51. Зависимость между скоростью ультразвука V и прочностью R c для бетонов различных составов

К сожалению, некоторые факторы влияют на скорость ультразвука в большей степени, чем прочность, что является одним из серьезных недостатков ультразвукового метода.

Если принять бетон постоянного состава, а прочность изменять путем принятия различного В/Ц, то влияние других факторов окажется постоянным, и скорость ультразвука будет изменяется только от прочности бетона. В данном случае зависимость "скорость-прочность" станет более определенной (рис. 2.2.52).

Рис. 2.2.52. Зависимость "скорость-прочность" для постоянного состава бетона, полученная на заводе ЖБИ №1 г.Самары

Влияние вида и марки цемента

Сравнивая результаты испытаний бетонов на обыкновенном портландцементе и на других цементах, можно сделать вывод, что минералогический состав мало влияет на зависимость "скорость-прочность". Основное влияние оказывает содержание трехкальциевого силиката и тонкость помола цемента. Более важным фактором, влияющим на зависимость "скорость-прочность", является расход цемента на 1 м 3 бетона, т.е. его дозировка. С увеличением количества цемента в бетоне скорость ультразвука возрастает медленнее, чем механическая прочность бетона.

Это объясняется тем, что ультразвук при прохождении через бетон распространяется как по крупному заполнителю, так и по растворной части, соединяющей гранулы заполнителя, и его скорость в большей степени зависит от скорости распространения в крупном заполнителе. Однако прочность бетона в основном зависит от прочности растворной составляющей. Влияние количества цемента на прочность бетона и скорость ультразвука приведено на рис. 2.2.53.

Рис. 2.2.53. Влияние дозировки цемента на зависимость

"скорость-прочность"

1- 400 кг/м 3 ; 2 - 350 кг/м 3 ; 3 - 300 кг/м 3 ; 4 - 250 кг/м 3 ; 5 - 200 кг/м 3

Влияние водоцементного отношения

С уменьшением В/Ц увеличиваются плотность и прочность бетона соответственно повышается скорость ультразвука. При увеличении В/Ц наблюдается обратная зависимость. Следовательно, изменение В/Ц не вносит существенных отклонений в установленную зависимость "скорость-прочность. Поэтому при построении градуировочных графиков для изменения прочности бетона рекомендуется применять различное В/Ц.

Влияние вида и количества крупного заполнителя

Вид и количество крупного заполнителя оказывают существенное влияние на изменение зависимости "скорость-прочность". Скорость ультразвука в заполнителе, особенно в таких как кварц, базальт, твердый известняк, гранит, значительно больше скорости распространения его в бетоне.

Вид и количество крупного заполнителя влияют и на прочность бетона. Обычно принято считать, что чем прочнее заполнитель, тем выше прочность бетона. Но иногда приходится сталкиваться с таким явлением, когда применение менее прочного щебня, но с шероховатой поверхностью позволяет получить бетон с более высоким значением Re, чем при использовании прочного гравия, но с гладкой поверхностью

При незначительном изменении расхода щебня прочность бетона изменяется незначительно. Вместе с тем такое изменение количества крупного заполнителя оказывает большое влияние на скорость ультразвука.

По мере насыщения бетона щебнем значение скорости ультразвука увеличивается. Вид и количество крупного заполнителя влияют на связь "скорость - прочность" больше, чем остальные факторы (рис. 2.2.54 – 2.2.56)

Рис. 2.2.54. Влияние наличия крупного заполнителя на зависимость "скорость-прочность":

1 - цементный камень; 2 - бетон с заполнителем крупностью до 30 мм

Рис. 2.2.55. Зависимость "скорость-прочность" для бетонов с различной крупностью заполнителей: 1-1 мм; 2-3 мм; 3-7 мм; 4-30 мм

Рис. 2.2.56. Зависимость "скорость- прочность" для бетонов с заполнителем из:

1-песчаника; 2-известняка; 3-гранита; 4-базальта

Из графиков видно, что увеличение количества щебня на единицу объема бетона или повышение скорости ультразвука в нем приводит к увеличению скорости ультразвука в бетоне более интенсивно, чем прочность.

Влияние влажности и температуры

Влажность бетона неоднозначно влияет на его прочность и скорость ультразвука. С повышением влажности бетона, предел прочности при сжатии уменьшается за счет изменения межкристаллических связей, но скорость ультразвука возрастает, поскольку воздушные поры и микротрещины заполняются водой, а скорость в воде больше, чем в воздухе.

Температура бетона в диапазоне 5-40° С практически не влияет на прочность и скорость, но повышение температуры затвердевшего бетона за пределы указанного диапазона приводит к уменьшению его прочности и скорости вследствие увеличения внутренних микротрещин.

При отрицательной температуре скорость ультразвука повышается за счет превращения несвязанной воды в лед. Поэтому определять прочность бетона ультразвуковым методом при отрицательной температуре не рекомендуется.

Распространение ультразвука в бетоне

Бетон по своей структуре является гетерогенным материалом, в состав которого входят растворная часть и крупный заполнитель. Растворная часть, в свою очередь, представляет собой затвердевший цементный камень с включением частиц кварцевого песка.

В зависимости от назначения бетона и его прочностных характеристик соотношение между цементом, песком, щебнем и водой бывает различным. Кроме обеспечения прочности, состав бетона зависит от технологии изготовления железобетонных изделий. Например, при кассетной технологии производства необходима большая пластичность бетонной смеси, что достигается повышенным расходом цемента и воды. В этом случае увеличивается растворная часть бетона.

В случае стендовой технологии, особенно при немедленной распалубке, используются жесткие смеси с пониженным расходом цемента.

Относительный объем крупного заполнителя в этом случае увеличивается. Следовательно, при одних и тех же прочностных характеристиках бетона его состав может изменяться в больших пределах. На структурообразование бетона влияет технология изготовления изделий: качество перемешивания бетонной смеси, ее транспортировка, уплотнение, термовлажностная обработка во время твердения. Из этого следует, что на свойство затвердевшего бетона оказывает влияние большое количество факторов, причем влияние неоднозначное и носит случайный характер. Этим объясняется высокая степень неоднородности бетона как по составу, так и по его свойствам. Неоднородность и различные свойства бетона отражаются и на его акустических характеристиках.

В настоящее время, несмотря на многочисленные попытки, еще не разработана единая схема и теория распространения ультразвука через бетон, что объясняется) в первую очередь, наличием указанных выше многочисленных факторов, которые по-разному влияют на прочностные и акустические свойства бетона. Такое положение усугубляется и тем, что еще не разработана общая теория распространения ультразвуковых колебаний через материал с высокой степенью неоднородности. Только поэтому скорость ультразвука в бетоне определяется как для однородного материала по формуле

где L - путь, пройденный ультразвуком, м (база);

t - время, затраченное на прохождение данного пути, мкс.

Рассмотрим более подробно схему распространения импульсного ультразвука через бетон как через неоднородный материал. Но вначале ограничим область, в которой будут справедливы наши рассуждения, тем, что рассмотрим наиболее распространенный на заводах ЖБИ и стройках состав бетонной смеси, состоящей из цемента, речного песка, крупного заполнителя и воды. При этом будем считать, что прочность крупного заполнителя выше, чем прочность бетона. Это справедливо при использовании в качестве крупного заполнителя известняка, мрамора, гранита, доломита и других пород с прочностью порядка 40 МПа. Условно примем, что затвердевший бетон состоит из двух компонентов: относительно однородной растворной части с плотностью ρ и скоростью V и крупного заполнителя с ρ и V .

С учетом отмеченных допущений и ограничений затвердевший бетон можно рассматривать как твердую среду с акустическим импедансом:

Рассмотрим схему распространения головной ультразвуковой волны от излучателя 1 к приемнику 2 через затвердевший бетон толщиной L (рис. 2.2.57).

Рис. 2.2.57. Схема распространения головной ультразвуковой волны

в бетоне:

1 - излучатель; 2 - приемник; 3 - контактный слой; 4 - распространение волны в гранулах; 5 - распространение волны в растворной части

Головная ультразвуковая волна от излучателя 1 в первую очередь попадает в контактный слой 3, расположенный между излучающей поверхностью и бетоном. Для прохождения через контактный слой ультразвуковой волны он должен быть заполнен проводящей жидкостью или смазкой, в качестве которой чаще всего используется технический вазелин. Пройдя через контактный слой (за время t 0), ультразвуковая волна частично отражается в обратном направлении, а остальная часть войдет в бетон. Чем тоньше контактный слой по сравнению с длиной волны, тем меньшая часть волны отразится.

Войдя в толщу бетона, головная волна начнет распространяться в растворной части бетона на площади, соответствующей диаметру излучателя. Пройдя определенное расстояние Δl 1 , через время Δt 1 головная волна на определенной площади встретит одну или несколько гранул крупного заполнителя, частично от них отразится, а большая часть войдет в гранулы и начнет в них распространяться. Между гранулами волна будет продолжать распространяться по растворной части.

Учитывая принятое условие, что скорость ультразвука в материале крупного заполнителя больше, чем в растворной части, расстояние d, равное усредненному значению диаметра щебня, первой пройдет волна, которая распространялась через гранулы со скоростью V 2 , а волна, прошедшая через растворную часть, будет запаздывать.

Пройдя через первые гранулы крупного заполнителя, волна подойдет к границе раздела с растворной частью, частично отразится, а частично войдет в нее. При этом гранулы, через которые прошла головная волна, в дальнейшем можно рассматривать как элементарные сферические источники излучения ультразвуковой волны в растворную часть бетона, к которой можно применить принцип Гюйгенса.

Пройдя по раствору минимальное расстояние между соседними гранулами, головная волна войдет в них и начнет по ним распространяться, превращая их в очередные элементарные источники. Таким образом, через время t, пройдя всю толщу бетона L и второй контактный слой 3, головная волна попадет в приемник 2, где преобразуется в электрический сигнал.

Из рассмотренной схемы следует, что головная волна от излучателя 1 к приемнику 2 распространяется по пути, проходящему через гранулы крупного заполнителя и растворную часть, соединяющую эти гранулы, причем этот путь определяется из условия минимума затраченного времени t.

Отсюда время t равно

где - время, затраченное на прохождение растворной части, соединяющей гранулы;

- время, затраченное на прохождение через гранулы. Пройденный ультразвуком путь L равен

где: - общий путь, пройденный головной волной через растворную часть;

Общий путь, пройденный головной волной через гранулы.

Полное расстояние L, которое пройдет головная волна, может быть больше геометрического расстояния между излучателем и приемником, поскольку волна распространяется по пути максимальной скорости, а не по минимальному геометрическому расстоянию.

Время, затраченное ультразвуком на прохождение через контактные слои, необходимо вычитать из общего измеренного времени.

Волны, которые следуют за головной, также распространяются по пути максимальной скорости, но при своем движении будут встречать отраженные волны от границ раздела гранул крупного заполнителя и растворной части. Если диаметр гранул окажется равным длине волны или ее половине, то может возникнуть внутри гранулы акустический резонанс. Эффект интерференции и резонанса можно наблюдать при спектральном анализе пачки ультразвуковых волн, прошедших через бетон с различной крупностью заполнителя.

Рассмотренная выше схема распространения головной волны импульсного ультразвука справедлива только для бетонов с указанными в начале раздела свойствами, т.е. механическая прочность и скорость распространения ультразвука в материале, из которого получены гранулы крупного заполнителя, превышают прочность и скорость в растворной части бетона. Такими свойствами обладает большинство бетонов, применяемых на заводах ЖБИ и строительных площадках, в которых используется щебень из известняка, мрамора, гранита. Для керамзитобетона, пенобетона, бетона с туфовым заполнителем схема распространения ультразвука может быть другой.

Справедливость рассмотренной схемы подтверждается экспериментами. Так, из рис. 2.2.54 видно, что при добавлении к цементной части определенного количества щебня скорость ультразвука повышается при незначительном увеличении (а иногда и уменьшении) прочности бетона.

На рис. 2.2.56 заметно, что с повышением скорости ультразвука в материале крупного заполнителя скорость его в бетоне возраcтает.

Увеличение скорости в бетоне с более крупным заполнителем (рис. 2.2.55) также объясняется данной схемой, поскольку с увеличением диаметра удлиняется путь прохождения ультразвука через материал заполнителя.

Предложенная схема распространения ультразвука позволит объективно оценить возможности ультразвукового метода при дефектоскопии и контроле прочности бетона.

Монография. — Новосибирск: Наука. 1996. — 184 с.: ил. — ISBN 5-02-031211-8.В монографии изложены оригинальные результаты экспериментальных исследований изменения скорости распространения ультразвуковых объемных и поверхностных волн в сталях и алюминиевых сплавах после различных термических и механических обработок, а также в процессе эксплуатации деталей. Найдены основные закономерности влияния структурных факторов на скорость звука. Приведены рекомендации по использованию метода изменения скорости ультразвука для неразрушающего контроля промышленных изделий, в том числе ответственных железнодорожных объектов. Рассмотрены методы и средства измерений скорости звука в металлах.
Книга предназначена для металловедов, металлофизиков, инженеров по качеству, и специалистов по неразрушающему контролю, а также может быть полезна преподавателям и студентам вузов.Предисловие.
Скорость ультразвука в алюминиевых сплавах
Физические основы связи скорости ультразвука в сплавах с их структурным состоянием.
Пересыщенный твердый раствор.
Изменение скорости ультразвука при распаде пересыщенного твердого раствора.
Зонное старение.
Фазовое старение.
Возврат при старении и гомогенизационный отжиг.
Закалочные напряжения и коробление.
Легирование и химический состав.
Взаимосвязь скорости ультразвука и структуры сталей
Влияние термической обработки на скорость ультразвука в сталях.
Скорость ультразвука при закалке углеродистых сталей.
Изменение скорости ультразвука при отпуске углеродистых и легированных сталей.
Скорость ультразвука после гомогенизационного отжига и нормализации.
Влияние карбидообразования на скорость ультразвука в шарикоподшипниковых сталях.
Скорость ультразвука при деформировании и накоплении дефектности
Усталостные микроповреждения.
Внутренние напряжения и деформация.
Структурные неоднородности.
Дефекты термической обработки.
Скорость звука в сталях при отпускной хрупкости.
Аппаратурное и методическое обеспечение измерений скорости ультразвука
Приборы и методы контроля состояния металлов.
Резонансный метод исследований структуры.
Импульсный метод.
Фазовый измеритель скорости ультразвука.
Метод автоциркуляции импульсов.
Ультразвуковой индикатор структурных превращений ИСП-12
Прибор ИСП-21 для испытаний механических свойств и структуры металла.
Пьезоэлектрические преобразователи.
Погрешности измерений скорости ультразвука
Точность резонансного метода.
Колебания химического состава.
Точность метода автоциркуляции импульсов.
Механическая обработка и наклеп.
Шероховатость поверхности.
Области применения метода измерения скорости ультразвука
Неразрушающий контроль деталей вагонов.
Акустический контроль твердости упрочненных рельсов.
Определение глубины поверхностно упрочненного слоя рельсов.
Контроль структуры и прочностных характеристик металла труб паропроводов.
Комплексный контроль термической обработки алюминиевых сплавов.
Контроль механических свойств и трещиностойкости сталей и сплавов.
Заключение
Список литературы

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

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

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

• где A 1 – амплитуда первого сигнала,
• A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Ультразву́к - упругие колебания в среде с частотой за пределом слышимости человека. Обычно под ультразвуком понимают частоты от 20 000 Герц до нескольких миллионов Герц.

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

Область частот упругих волн от 10 до 10 12 -10 13 Гц принято называтьгиперзвуком.По частоте У. удобно подразделять на 3 диапазона: У. низких частот (1,5·10 4 -10 5 Гц), У. средних частот (10 5 -10 7 Гц), область высоких частот У. (10 7 - 10 9 Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфич. особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц)

Генерация ультразвука . Для излучения У. служат разнообразные устройства, к-рые могут быть разделены на 2 группы-механические и эл--механические. Механич. излучатели У. (воздушные и жидкостные свистки и сирены) отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрич. энергии высокой частоты. Их недостатки-широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет использовать их для контрольно-измерит. целей; они применяются гл. обр. в промышленной УЗ-технологии и частично как средства сигнализации.

Осн. излучателями У. являются эл--механические, преобразующие электрич. колебания в механические. В диапазоне У. низких частот возможно использование эл--динамич. и эл--статич. излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли магнитострикционные преобразователи , основанные на эффекте магнитострикции . Для излучения У. средних и высоких частот служат гл. обр. пьезоэлектрич. преобразователи, использующие явление пьезоэлектричества. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания магнитострикционных и пьезоэлектрич. элементов на их собств. частоте.

Предельная интенсивность излучения У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации У. в области ср. частот чрезвычайно широк; интенсивности от 10 -14 -10 -15 Вт/см 2 до 0,1 Вт/см 2 считаются малыми. Для достижения больших интенсивностей, к-рые могут быть получены с поверхности излучателя, пользуются фокусировкой У. (см. Фокусировка звука ).Так, в фокусе параболоида, внутр. стенки к-рого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики, на частоте 0,5 МГц удаётся получать в воде интенсивности У. > 10 5 Вт/см 2 . Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне У. низких частот часто пользуются стержневыми УЗ-концентраторами (см. Концентратор а к у с т и ч е с к и й), позволяющими получать амплитуды смещения 10 -4 см.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.

Свойства ультразвука и особенности его распространения . По физ. природе У. представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн (так, длины волн У. высоких частот в воздухе составляют 3,4·10 -3 -3,4·10 -5 см, в воде-1,5·10 -2 -1,5·10 -4 см, в стали - 5·10 -2 - 5·10 -4 см) имеет место ряд особенностей распространения У.

Гидролокация . В конце Первой мировой войны появилась одна из первых практических ультразвуковых систем, предназначенная для обнаружения подводных лодок. Пучок ультразвукового излучения может быть сделан остронаправленным, и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) можно определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. К настоящему времени система, именуемая гидролокатором, или сонаром, стала неотъемлемым средством мореплавания.

Если направить импульсное ультразвуковое излучение в сторону дна и измерить время между посылом импульса и его возвратом, можно определить расстояние между излучателем и приемником, т.е. глубину. Основанные на этом сложные системы автоматической регистрации применяются для составления карт дна морей и океанов, а также русел рек. Соответствующие навигационные системы атомных подводных лодок позволяют им совершать безопасные переходы даже под полярными льдами.

Дефектоскопия . Зондирование ультразвуковыми импульсами применяется и для исследований свойств различных материалов и изделий из них. Проникая в твердые тела, такие импульсы отражаются от их границ, а также от различных инородных образований в толще исследуемой среды, таких, как полости, трещины и др., указывая на их расположение. Ультразвук «проверяет» материал, не вызывая в нем разрушений. Такими неразрушающими методами контроля проверяют качество массивных стальных поковок, алюминиевых блоков, железнодорожных рельсов, сварных швов машин.

Ультразвуковой расходомер . Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается из скорости распространения ультразвука в среде и скорости потока, то эти величины вычитаются. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость (расход). Этот измеритель не вносит изменений в поток жидкости и может применяться как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований кровотока в аорте или системы охлаждения атомного реактора, так и к открытому потоку, например реки.

Химическая технология . Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств среды (см . КАВИТАЦИ). Многочисленные методы ультразвукового воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую ультразвуковой химией. В ней исследуются и стимулируются такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций.

Ультразвуковая пайка . Кавитация, обусловленная мощными ультразвуковыми волнами в металлических расплавах и разрушающая окисную пленку алюминия, позволяет проводить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

Ультразвуковая механическая обработка . Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей. Наконечник из малоуглеродистой стали, выполненный в соответствии с формой поперечного сечения желаемого отверстия (или полости), крепится твердым припоем к концу усеченного металлического конуса, на который воздействует ультразвуковой генератор (при этом амплитуда вибраций составляет до 0,025 мм). В зазор между стальным наконечником и обрабатываемой деталью подается жидкая суспензия абразива (карбида бора). Поскольку в таком методе режущим элементом выступает абразив, а не стальной резец, он позволяет обрабатывать очень твердые и хрупкие материалы – стекло, керамику, алнико (Fe–Ni–Co–Al-сплав), карбид вольфрама, закаленную сталь; кроме того, ультразвуком можно обрабатывать отверстия и полости сложной формы, так как относительное движение детали и режущего инструмента может быть не только вращательным.

Ультразвуковая очистка . Важной технологической проблемой является очистка поверхности металла или стекла от мельчайших посторонних частиц, жировых пленок и других видов загрязнения. Там, где слишком трудоемка ручная очистка или необходима особая степень чистоты поверхности, применяется ультразвук. В кавитирующую омывающую жидкость вводится мощное ультразвуковое излучение (создающее переменные ускорения с частотой до 10 6 Гц), и схлопывающиеся кавитационные пузырьки срывают с обрабатываемой поверхности нежелательные частицы. В промышленности используется много различного ультразвукового оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенец с малогабаритных деталей; применяется оно и на конвейерных линиях.

Применение в биологии и медицине . То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет. Ультразвуковые стерилизаторы хирургических инструментов применяются в больницах и клиниках. Электронная аппаратура со сканирующим ультразвуковым лучом служит целям обнаружения опухолей в мозгу и постановки диагноза, используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком. Но наиболее широко ультразвук применяется в терапии – при лечении люмбаго, миалгии и контузий, хотя до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме воздействия ультразвука на больные органы. Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый, возможно, микромассажем.

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;

рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;

поглощение ультразвука , т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально.

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости - на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде - пузырьки воздуха, в твёрдых телах - различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна , а интенсивность –в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где– коэффициент затухания звука.

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

Историческая справка. Первые работы по У. были сделаны ещё в 19 в. Французский учёный Ф. Савар (1830) пытался установить верхний предел по частоте слышимости уха человека; изучением У. занимались английский учёный Ф. Гальтон (1883), немецкий физик В. Вин (1903), русский физик П. Н. Лебедев и его ученики (1905). Существенный вклад был сделан французским физиком П. Ланжевеном (1916), который впервые использовал пьезоэлектрические свойства кварца для излучения и приёма У. при обнаружении подводных лодок и измерениях глубин моря. Г. В. Пирс в США (1925) создал прибор для измерения с большой точностью скорости и поглощения У. в газах и жидкостях (так называемый интерферометр Пирса). Р. Вуд (США) (1927) добился рекордных для своего времени интенсивностей У. в жидкости, наблюдал ультразвуковой фонтан и исследовал влияние У. на живые организмы. Советский учёный С. Я. Соколов в 1928 положил начало ультразвуковой дефектоскопии металлических изделий, предложив использовать У. для обнаружения трещин, раковин и др. дефектов в твёрдых телах.

В 1932 Р. Люка и П. Бикар во Франции, П. Дебай и Ф. В. Сирс в Германии обнаружили явление дифракции света на ультразвуковых волнах, которое далее начинает играть большую роль в изучении структуры жидких и твёрдых тел, а также в ряде технических приложений. В начале 30-х гг. Х. О. Кнезером в Германии было открыто аномальное поглощение и дисперсия У. в многоатомных газах; далее это явление было также обнаружено в ряде сложных (например, органических) жидкостей. Правильное теоретическое объяснение этим релаксационным явлениям было дано в общей форме советскими учёными Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Релаксационная теория явилась впоследствии основой молекулярной акустики.

В 50-60-х гг. широкое развитие получают различные промышленные технологические применения У., в разработку физических основ которых в СССР был сделан большой вклад Л. Д. Розенбергом и его сотрудниками. Получение всё больших интенсивностей У. обусловило изучение особенностей распространения мощных волн У. в газах, жидкостях, твёрдых телах; быстро развивается нелинейная акустика, в становлении которой большую роль сыграли работы советских учёных Н. Н. Андреева, В. А. Красильникова, Р. В. Хохлова и др., а также американских и английских учёных.

В 70-х гг., в особенности после работы Хадсона, Мак-Фи и Уайта (США) (1961), обнаруживших явление усиления и генерации У. в пьезополупроводниках, быстро развивается акустоэлектроника.

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	Акустический импеданс , 10 3 кг/(м 2 *с)
Алюминий
Полиамид (нейлон)
Сталь (низколегированный сплав)
Вольфрам
Вода (293К)