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.