2.4. Взаимодействие акустического поля с веществом

Взаимодействие акустического поля (акустических волн) с веществом лежит в основе различных методов неразрушающего контроля, например теневого метода, эхометода и других, а также измерений различных физических величин, например толщины изделий и покрытий.

2.4.1. Общие сведения об акустических волнах

Акустическим полем называют область пространства, упругие колебания в точках которого определяются их положением относительно объекта, порождающего это поле: излучателя отражателя, границы раздела сред и т. д. [18].

Упругие колебания– это колебания механических систем, упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения.

Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газо­образной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распро­страняться в среде от частицы к частице с некоторой скоро­стью υ. Процесс распространения колебаний в пространстве на­зывается волной. Частным случаемупругихилиакустическихволн является человеческий звук.

Колебательный процесс частиц может быть описан уравнением

, (2.40)

где – отклонение колеблющейся частицы от положения своего равновесия;– максимальная амплитуда смещения частицы;– начальная фаза колебаний.

В зависимости от частоты упругие колебания и волны разделяют на инфразвуковые (до 16 Гц),звуковые, слышимые ухом человека (от 16 Гц до 20 кГц),ультразвуковые(более 20 кГц),гиперзвуковые(более 10⁹Гц).

Упругие колебания и акустические волны, особенно ультразвукового диапазона, широко используются в технике. Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовле­каются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В попереч­ной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендику­лярных к направлению распространения волны. Упругие попереч­ные волны могут возникнуть лишь в среде, обладающей сопротивле­нием сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно возникновение только продольных волн. В твердой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн. Продольные волны иначе называютсяволнами сжатия-растяжения (l–волны).Поперечные волны иначе называютсяволнами сдвига (t–волны).

В зависимости от вида поляризации сдвиговые волны разделяются на плоскополяризованные и волны с элептической и круговой поляризацией. Кроме объемных продольных и поперечных волн в упругой среде могут также распространяться поверхностные волны (s–волны) – упругие волны, распространяющиеся вдоль поверхностной, слабо напряженной границы твердого тела.

Разновидностью поверхностных волн являются волны Рэлея (R–волны), которые распространяются на границе «твердая среда – газ». Поверхностные волны Рэлея являются комбинацией продольных и поперечных волн. При этом частицы их совершают колебания в приповерхностном слое по эллиптическим орбитам. Волны Рэлея чувствительны к состоянию поверхности (шероховатости, покрытиям, загрязнениям поверхности и др.) и затухают на глубине (1 … 1,5)λ.