Эффекты взаимодействия звуковых волн со средой

Степень взаимодействия упругих колебаний со средой определяется уровнем соответствия параметров внешнего воздействия с соответствующими характеристиками среды. Например, если геометрические размеры элементов среды будут сравнимы с длиной волны внешнего воздействия или частота колебаний частиц среды будет соответствовать частоте внешнего воздействия, то могут возникнуть различные эффекты взаимодействия звука со средой. При этом среда будет влиять не только на условия распространения упругих колебаний, но и определять параметры этих колебаний. Такое резонансное взаимодействие внешнего воздействия со средой широко используется в измерительной технике, а также при исследовании свойств веществ, находящихся в газообразном, жидком и твердом состоянии. Набор резонансных методов постоянно пополняется благодаря открытию новых эффектов взаимодействия звуковых колебаний с различными средами. Природа таких взаимодействий в каждом конкретном случае имеет свои особенности. Однако во всех случаях общая картина резонанса сохраняется: вблизи резонанса возрастают амплитуда колебаний и энергия, передаваемая колебательной системе извне. Это возрастание прекращается, когда потери энергии компенсируют ее прирост. Собственные частоты объектов могут иметь широкий диапазон, причем каждый объект имеет свой характерный только для него набор частот собственных колебаний (частотный или энергетический спектр). Этот набор частот является своебразной визитной карточкой вещества, изучая которую можно распознать химический состав, структуру, симметрию и другие характеристики вещества.

Резонансные методы измерения, основанные на взаимодействии звуковых колебаний различных частот со средой, относятся к наиболее чувствительным методам. С их помощью был получен большой объем информации о химическом составе, структуре, симметрии и внутренних взаимодействиях между структурными единицами вещества. Спектр упругих воздействий в общем случае может охватывать диапазон от инфразвуковых частот до гиперзвуковых.

Для согласования импедансов излучателей и приемников звуковых волн с измеряемой средой используют специальные волноводы различной формы (цилиндрической, экспоненциальной, конической), а также иммерсионные жидкости. Среда, в которой распространяется волна, характеризуется волновым сопротивлением (импедансом), в отсутствие потерь зависящим от параметров, которые описывают накопление энергии в среде. Акустический импеданс среды равен произведению плотности среды на фазовую скорость распространения волны в среде:

.                                          (2.31)

При наличии потерь в среде в данной формуле появятся мнимые члены.

На границе раздела сред происходит отражение волн. Для улучшения условий прохождения волн из одной среды в другую необходимо обеспечить согласование их импедансов, например, за счет использования дополнительного слоя согласующей среды толщиной, равной четверти длины волны, и импедансом ( ), равным среднему геометрическому импедансов согласуемых сред: 

.                                     (2.32)

Скорость распространения волн в среде зависит от степени соответствия временных и пространственных параметров волны пространственным и временным масштабам среды. Поэтому выделяют пространственную и временную дисперсию среды или объекта. Например, при совпадении размеров газовых пузырьков в жидкости с длиной волны, геометрических размеров объекта с длиной волны и т.п. происходит искажение скорости распространения колебаний в среде, резонансное поглощение энергии волны и другие явления.

Если среда содержит частицы не одинаковые по массе или отличающиеся величиной упругих связей с другими частицами, то есть существуют примеси в веществе или дислокации в структуре, то это обусловит появление аномалий в спектре поглощения акустических колебаний веществом.

Низкочастотная волна, длина которой много больше постоянной решетки кристалла, распространяется без искажения, а для высокочастотных волн имеет место пространственная дисперсия. Спектр частот дискретной кристаллической решетки с примесью из более массивных частиц, чем частицы среды будет состоять, как минимум, из двух ветвей: акустической и оптической. При этом низкие частоты колебаний образуют дебаевский спектр частот, а высокие частоты колебаний – борновский спектр.

Если некоторая область сплошной среды ограничена в одном или двух направлениях, в ней могут распространяться упругие волны как в виде плоской волны (такой же, как в неограниченных средах), так и в виде нормальных волн, образующихся в результате последовательных отражений от стенок. При этом реализуются условия волновода или волноводного распространения звука. Примерами волноводов служат слой или труба, заполненные жидкостью или газом, стержни или пластины; в последнем случае происходит совместное распространение продольных и поперечных (сдвиговых) волн.

Гармонические волны, распространяющиеся в волноводе без изменения формы, называются нормальными волнами. Любое звуковое поле внутри волновода в области, где источники звука отсутствуют, может быть представлено в виде суперпозиции нормальных волн. По структуре звукового поля каждая нормальная волна представляет собой волну, бегущую вдоль волновода, и стоячую волну в поперечном направлении. Разные нормальные волны различаются числом и расположением узловых поверхностей давления в поперечном сечении волновода. В простейшем случае двумерного движения в волноводе, образованном плоским слоем жидкости или газа, который заключен между двумя звуконепроницаемыми стенками, узловые поверхности представляют собой плоскости, параллельные стенкам. Каждой нормальной волне приписывается номер (порядок), равный числу имеющихся у ней узловых плоскостей. Во всех волноводах для каждой нормальной волны (кроме волны нулевого порядка) существует критическая частота, ниже которой волна не распространяется, а превращается в колебание с амплитудой, меняющейся вдоль волновода по экспоненциальному закону. Все нормальные волны (также кроме волны нулевого порядка) имеют большую дисперсию скорости.

В отличие от упругих волн в неограниченных твердых средах, нормальные волны в пластинах и стержнях удовлетворяют не только уравнениям теории упругости, но граничным условиям на поверхности пластины или стержня. Поэтому характеристики нормальных волн, в частности их упругое поле - распределение напряжений и смещений по поперечному сечению пластины или стержня - существенно сложнее, чем у волн в неограниченных твердых средах. Вместе с тем, нормальные волны представляют собой такие же элементарные волны, как продольные и поперечные в неограниченной среде, в том смысле, что любое сложное волновое движение в пластинах и стержнях распадается на сумму нормальных волн, а поток упругой энергии равен сумме потоков всех нормальных волн.

Акустические волноводы широко применяются в акустоэлектронике. В них используются как объемные, так и поверхностные волны. Волноводы на объемных волнах представляют собой полоски, ленты или проволоку, в которых возбуждаются определенные нормальные волны. Такие волноводы могут служить в качестве линий задержки на большие времена или в качестве дисперсионных линий задержки. В случае поверхностных волн волноводы выполнены в виде металлических или диэлектрических полосок определенных размеров и сечения.

Для приема ультразвука также используют различные типы устройств. Например, при реализации оптических методов исследования ультразвуковых колебаний применяют отклоняющиеся звуковые  линзы (отклонение луча света происходит в результате изменения под действием механических напряжений коэффициента преломления материала).

Используют также дифракцию света на звуковой волне, эффект фотоупругости, в основе которого лежит воздействие на условия двойного лучепреломления в кристаллах.

Жидкие кристаллы также чувствительны к ультразвуку и пригодны для визуализации звуковых полей, так как их оптическая активность (вращение плоскости поляризации) чувствительна к звуковому давлению.

В измерительной технике достаточно широкое применении находят акустоэлектрический эффект, акустооптический эффект, оптико-акустический эффект и др.

Акустоэлектрический эффект – ультразвуковая волна генерирует и перемещает электроны в проводниках и полупроводниках, в результате чего в цепи возникает электрический ток.

Акустооптический эффект возникает в результате взаимодействия электромагнитной волны с акустическими волнами. При этом изменяется частота, фаза, спектр, амплитуда колебаний, возможно усиление слабых ультразвуковых волн.

Оптико-акустический эффект. При облучении газа, находящегося в замкнутом объеме, модулированным потоком инфракрасной радиации в газе возникают пульсации давления. Механизм данного явления довольно прост: при поглощении инфракрасного излучения происходит возбуждение молекул газа, а обратный их переход в нормальное состояние происходит безизлучательнным образом, т.е. энергия возбуждения молекул переходит в их кинетическую энергию, что и обуславливает изменение давления. Оптико-акустический эффект используется для определения влажности сред, для измерения потоков радиации.

Акустокапиллярный эффект

При распространении акустических волн высокой частоты (ультразвук, гиперзвук) в средах проявляются разнообразные дополнительные эффекты. Акустокапиллярный (звукокаиллярный) эффект – это явление аномально глубокого проникновения жидкостей в капилляры, поры и узкие щели под действием ультразвука. Если в наполненную жидкостью ультразвуковую ванну погрузить капилляр, то при определенной интенсивности ультразвука, подъем жидкости существенно (иногда в несколько раз) возрастает. Установлено, что жидкость поднимается по капилляру под действием ультразвука только при условии, что кавитационная область, состоящая из пульсирующих и захлопывающихся кавитационных газовых пузырьков (каверн), находится непосредственно под капилляром. Эффект обуславливается суммарным воздействием единичных импульсов давления, которые возникают при захлопывании кавитационных пузырьков. Скорость и высота подъема жидкости в капилляре зависят от числа захлопывающихся пузырьков в единицу времени, величины возникающих при этом сил, от трения жидкости о стенки капилляра, от вязкости жидкости. Поэтому звукокапиллярный эффект оказывается различным для разных жидкостей и разных по размеру и форме капилляров; его проявление меняется с изменением интенсивности ультразвука и с течением времени усиливается с приложением статического давления или содержанием избыточного давления в жидкости с градиентом в сторону капилляров. Положение захлопывающихся пузырьков в основании капилляров неустойчиво из-за интенсивности акустических течений, т.е. вихревых течений жидкости, возникающих в ультразвуковом поле. Например, уровень воды в стеклянном капилляре сечением 0,35∙0,35 мм² при звуковом давлении 2∙ Па (около 2 атм) на частоте 18 кГц в результате звукокапиллярного эффекта превышает уровень, обусловленный силами поверхностного натяжения (т.е. в отсутствии ультразвука), более, чем в 10 раз.

Увеличение интенсивности ультразвука и развитие акустических течений снижают эффект, и при звуковом давлении в пределах 15∙ Па подъем воды в стеклянном капилляре указанных размеров под воздействием ультразвука не происходит. Нарушение локализации в окрестностях основания капилляра кавитационных пузырьков и уход их из сечения капилляра приводит к мгновенному опусканию жидкости до уровня, определяемого действием сил поверхностного натяжения. Поддержание уровня жидкости в капилляре требует меньших (в 5 - 10 раз) затрат энергии ультразвуковых колебаний, т.к. при этом нет необходимости преодолевать силы вязкого трения жидкости о стенки капилляра.

Звукокапиллярный эффект получил широкое применение для осуществления и интенсификации самых различных технологических процессов. В частности, позволяет ускорить в десятки и сотни раз пропитку пористо-капиллярных тел, увеличить скорость и глубину заполнения щелей при производстве различных конструкций. Например, при пайке сложных изделий, благодаря способности обеспечить проникновение горячего припоя одновременно во все зазоры, резко повышается качество соединений; имеет место, в частности, при бесфлюсовой пайке трубчатых теплообменников.

Большинство процессов ультразвуковой обработки твердых тел в жидкости с использованием кавитационных явлений сопровождается усиленным проникновением жидкости в капиллярные щели твердых тел и расклиниванием их. Это относится к процессам ультразвуковых очисток, травлений, сверлений, к процессам кристаллизации и рафинирования в металлургии.

Звукокапиллярный эффект позволяет значительно ускорять процессы диспергирования и гидроабразивного разрушения порошкообразных материалов, проводимый на ультразвуковых установках, работающих под статическим давлением.

 

Акустоэммисионный эффект

Акустоэммисионный эффект – излучение упругих волн, возникающее в процессе перестройки внутренней структуры твердых тел. Акустическая эмиссия проявляется при пластической деформации твердых материалов, при возникновении и развитии в них дефектов, например при образовании трещин, при фазовых превращениях связанных с изменением кристаллической решетки, а так же при резании твердых материалов. Физическим механизмом, объясняющим ряд особенностей акустической эмиссии, является движение в веществе дислокаций и их скоплений. Дислокационные процессы, связанные с отрывом дислокаций от точек закрепления, торможением их у препятствий, возникновением и уничтожением отдельных дислокаций имеют существенно неравномерный, и даже прерывистый, характер. Это является причиной, обуславливающей излучение волн напряжения, т.е. акустической эмиссии. Соответственно акустическая эмиссия имеет «взрывной», импульсный характер; длительность импульса может составлять … с, энергия отдельного импульса - от до Дж.

В качестве источника акустической эмиссии можно рассматривать расположенный в глубине образца твердого тела элемент объема, испытывающий изменение напряженного состояния. Сигналы акустической эмиссии проявляются в виде колебаний поверхности образца, смещение при которых составляет … м; иногда эти сигналы достаточно сильны и могут восприниматься на слух (например, «крик олова» при пластическом деформировании этого материала).

Сигнал эмиссии, распространяясь от источника к поверхности образца, претерпевает существенное искажение вследствие дисперсии скорости звука, трансформации типа и формы волны при отражении, затухании звука. Если время затухания сигнала и время переходных процессов в образце меньше промежутка времени между излучаемыми импульсами, то эмиссия воспринимается в виде последовательности импульсов и называется дискретной или импульсной. Если же интервал между отдельными актами излучения меньше времени затухания, эмиссия имеет характер непрерывного излучения, в подавляющем большинстве случаев нестационарного, и называется непрерывной или сплошной. Дискретная эмиссия имеет место, например, при образовании трещин, непрерывная - в процессе резания. Частотный спектр акустических эмиссий весьма широк - он простирается от области слышимых частот до десятков и сотен МГц.

К основным параметрам, характеризующим акустическую эмиссию, относятся:

· общее число импульсов дискретной эмиссии за исследуемый промежуток времени;

· так называемая суммарная (или интегральная) эмиссия - число превышений сигналом эмиссии установленного уровня за исследуемый промежуток времени;

· интенсивность эмиссии - число превышений сигналом эмиссии установленного уровня в единицу времени;

· амплитуда эмиссии - максимальное значение сигнала эмиссии в течение заданного промежутка времени;

· уровень сигналов эмиссии - среднее квадратичное сигнала за рассматриваемый промежуток времени.

Корреляцию этих параметров с развитием дефектов устанавливают при лабораторных испытаниях образцов, в процессе которых регистрируют в функции времени параметры акустической эмиссии и действующую внешнюю силу или деформацию образца.

Рисунок. 2.19 Зависимость интенсивности акустической эмиссии (N) и ее амплитуды (A) на выходе преобразователя от времени при возрастании приложенной к образцу растягивающей силы (P)

Если акустическая эмиссия имеет квазистационарный характер, параметром эмиссии, дающим информацию о состоянии материала и о происходящих в нем процессах, может служить ее частотный спектр.

Для регистрации параметров акустической эмиссии, а также для записи формы сигналов и их длительности применяют специальную аппаратуру, которая обеспечивает прием слабых сигналов эмиссии на фоне шумов, обладает необходимым быстродействием (интенсивность эмиссии меняется в пределах от 0 до импульсов в секунду) и малыми собственными шумами. В качестве приемников колебаний в большинстве случаев используются пьезокерамические преобразователи; оптические интерференционные методы измерения колебаний с применением лазерного излучения. Сигналы с датчиков колебаний усиливают и подвергают дальнейшей обработке с помощью электронной аппаратуры.

Эффект акустической эмиссии широко используется:

· в информационно-измерительных системах раннего распознавания трещин,

· при испытаниях материалов на ползучесть,

· для выявления скрытых дефектов на стадии их зарождения,

· для исследования коррозии металлов под напряжением,

· для определения дефектов в металлических и неметаллических композиционных материалах,

· для локации дефектов и изучения кинетики развития трещин в сварных швах и др.

По параметрам эмиссии судят о процессах в кристаллических телах, происходящих при их нагревании и охлаждении. Например, регистрируют в металлических материалах фазовые превращения мартенситного типа. Акустическая эмиссия используется также при выборе режимов резания металлов. В производственных условиях методы акустической эмиссии применяются для локализации и определения параметров дефектов и наблюдения за их развитием при испытаниях сосудов высокого давления, элементов конструкции различного типа.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: