Акустические методы контроля

1.

Лекция 3
АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
Акустическими методами называются методы контроля, основанные на анализе параметров
упругих волн и колебаний, распространяющихся в контролируемом объекте.
Среди прочих методов НК акустические методы занимают одно из ведущих мест. Об этом
свидетельствует тот факт, что в мировой практике на их долю приходится около 60%
от всего объема неразрушающих испытаний, а на международных и всероссийских
конференциях по неразрушающему контролю и технической диагностике более
половины докладов и сообщений, как правило, посвящается акустическим методам.
Столь широкое распространение акустических методов объясняется несколькими
причинами, среди которых можно выделить:
Универсальность акустических методов – упругие волны способны распространяться
практически во всех материалах и конструкциях, используемых в современной
технике.
Средства возбуждения и регистрации акустических колебаний и волн просты и безопасны в
эксплуатации.
Простота схемной реализации основных функциональных узлов акустической аппаратуры
позволяет создавать простые, малогабаритные приборы с автономными источниками
питания, которые могут быть использованы как в лабораториях, так и в
производственных условиях.
Акустические методы могут быть использованы для исследования и контроля широкого
круга физических свойств материалов и изделий.
Пожалуй, трудно указать какие-либо характеристики материала, для определения которых
нельзя использовать акустические методы.
Свойства материалов, определяющих возбуждение и распространение механических волн,
тесно связаны с их прочностными характеристиками, которые в первую очередь
интересуют разработчиков технических систем.

2.

Классификация акустических методов контроля
1.
2.
Согласно принятой в настоящее время классификации акустические методы делятся на две большие группы:
Методы, использующие излучение и прием акустических колебаний и волн – их называют активные методы.
Методы, основанные только на приеме колебаний и волн – их называют пассивные методы.
В каждой из этих групп можно выделить методы, основанные на возникновении в объекте контроля:
бегущих волн или просто волн;
стоящих волн или колебаний.
Волны – изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в среде и несущее с собой энергию.
Наиболее часто встречающиеся в природы типы волн:
1.
2.
3.
упругие волны;
волны на поверхности жидкости;
электромагнитные волны.
Основное свойство волн, независимо от их природы, состоит в том, что волны осуществляют перенос энергии
без переноса вещества. Последнее может иметь место лишь как побочное явление.
Колебания – движение или процессы, обладающие той или иной степенью повторяемости во времени.
Колебания свойственны всем явлениям природы – это наиболее общий вид движения
материи. В окружающем нас мире можно найти бесчисленное число примеров
колебательного движения.
В физике выделяют следующие типы колебаний:
1.
механические;
2.
электромагнитные;
3.
их комбинации.
Мы ограничимся рассмотрением упругих волн и механических колебаний, их еще часто называют
акустическими.

3.

Классификация акустических методов контроля
1.
2.
Согласно принятой в настоящее время классификации акустические методы делятся на две большие группы:
Методы, использующие излучение и прием акустических колебаний и волн – их называют активные методы.
Методы, основанные только на приеме колебаний и волн – их называют пассивные методы.
В каждой из этих групп можно выделить методы, основанные на возникновении в объекте контроля:
бегущих волн или просто волн;
стоящих волн или колебаний.
Волны – изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в среде и несущее с собой энергию.
Наиболее часто встречающиеся в природы типы волн:
1.
2.
3.
упругие волны;
волны на поверхности жидкости;
электромагнитные волны.
Основное свойство волн, независимо от их природы, состоит в том, что волны осуществляют перенос энергии
без переноса вещества. Последнее может иметь место лишь как побочное явление.
Колебания – движение или процессы, обладающие той или иной степенью повторяемости во времени.
Колебания свойственны всем явлениям природы – это наиболее общий вид движения
материи. В окружающем нас мире можно найти бесчисленное число примеров
колебательного движения.
В физике выделяют следующие типы колебаний:
1.
механические;
2.
электромагнитные;
3.
их комбинации.
Мы ограничимся рассмотрением упругих волн и механических колебаний, их еще часто называют
акустическими.
1.
2.
Акустические колебания – это механические колебания частиц упругой среды.
Акустические волны – это распространение в упругой среде механического возмущения, при
котором в направлении его распространения передается энергия колебаний.

4.

Характеристики акустических волн
Для целей НК используется широкий
диапазон частот волн. Принята
следующая классификация волн
по частоте:
Скорость распространения
периодического возмущения или скорость, с
которой перемещается поверхность равной
фазы монохроматической волны, называется
фазовой скоростью или просто скоростью
звука в материале.
Монохроматическая волна
характеризуется следующими основными
параметрами:
Для целей НК и диагностики
используются, главным образом, акустические
волны и колебания звукового и ультразвукового
диапазона.
Пространство, в котором
распространяются упругие волны, называется
звуковым или акустическим полем.
Геометрическое место точек среды, в
которых в фиксированный момент времени
фаза волны имеет одной и то же значение
называется волновой поверхностью или
фронтом волны.
Если в среде распространяется
кратковременное возмущение (импульс), то
фронтом волны называют границу между
возмущенной и невозмущенной областями
среды.
Реальные акустические волны не
являются гармоническими. Однако, применив
для сигнала произвольной формы интегральное
преобразование Фурье, можно найти спектр
этого сигнала, т.е. представить его в виде
совокупности гармонических волн с разной
амплитудой, частотой и фазой. Короткий
акустический импульс можно представить в виде
совокупности гармонических волн, называемых
группой волн или волновым пакетом.

5.

В среде, обладающей дисперсией, то есть в среде имеет место зависимость скорости
распространения монохроматических волн от их частоты, происходит искажение формы
волнового пакета. Скорость переноса энергии группы волн или волновым пакетом называется
групповой скоростью, которая отличается от фазовой и связана с ней следующим
соотношением:
Классификация волн по форме волнового фронта
В зависимости от формы волнового фронта различают следующие виды волн:
1.
плоские;
2.
сферические;
3.
цилиндрические.

6.

Сферические волны возбуждаются точечным источником или сферой, колеблющейся в
радиальном направлении. Волновые поверхности – концентрические сферы.
Цилиндрические волны – возбуждаются цилиндрическим излучателем, точки поверхности
которого колеблются синфазно, причем длина излучения значительно больше его
диаметра. Волновые поверхности – концентрические цилиндры.
Волновые поверхности, распространяясь в среде, могут менять свою форму. В частности,
на больших расстояниях от источника на небольшом участке сферические и
цилиндрические волновые поверхности можно рассматривать как плоские.
Поскольку плоские волны имеют важное значение, рассмотрим физические величины
акустических волн на примере плоских волн.
Процесс колебаний или распространения волны сопровождается периодическими
смещениями частиц из положения равновесия, изменением плотности и давления в
среде, а также скоростью передачи возмущения. Может изменяться также и
температуры среды. Таким образом, результирующие величины, характеризующие
состояние среды можно представить в виде суммы стационарной и переменной
составляющих:

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Если пренебречь
изменением температуры
среды при
распространении
акустической волны, то: