Затухания ультразвука

Результат сложения собственных и вынужденных колебаний представляет собой колебания с амплитудой, нарастающей до значения X по закону 1 — e'at (рис. 395). Если мы за время установления примем время, в течение которого амплитуда вынужденных колебаний достигает, например, 0,99 X (собственные колебания затухают до 0,01Х), то для времени установления вынужденных колебаний мы получим то же значение т — 4,6.778, которое получили выше для времени затухания собственных колебаний (§ 137). В хорошем резонаторе с б порядка 0,01 должно пройти несколько сот периодов, пока колебания успеют установиться.

Если внешняя частота со несколько отличается от частоты резонатора сос, то картина установления усложняется: поскольку со =? со0, собственные и вынужденные колебания дают биения; амплитуда колебаний системы в этом случае нарастает не монотонно, а проходя через ряд минимумов и максимумов. Однако по-прежнему начальная амплитуда собственных колебаний равна амплитуде вынужденных и нарастание амплитуды начинается с нуля. Далее вследствие затухания собственных колебаний глубина биений уменьшается, и биения постепенно исчезают. Чем меньше о> — со0, тем больше период биений. При очень малом со — со0 собственные колебания успевают затухнуть еще в течение первого полупериода биений. Картина установления постепенно переходит в ту, которую мы получили для случая совпадения СО И С00.

Решение этого уравнения для установившихся вынужденных колебаний, т. е. после затухания собственных колебаний, согласно формуле (12.25) получаем в виде

Аналитические зависимости (29) — (32) декремента внутреннего трения от времени (числа циклов) нагружения были сопоставлены с экспериментальными результатами работ [10, 17]. В работе [17] приведено исследование изменения декремента внутреннего трения в стали, содержащей 0,22% С, подвергнутой циклическому нагру-жению изгибом с частотой 3100 цикл/мин при амплитуде напряжения 24 кгс/мм2. Через различные промежутки времени нагружение прерывалось и проводилось измерение декремента внутреннего трения в килогерцевой области частот методом затухания собственных колебаний.

Вибрационный метод. Данный метод нашел широкое распространение при определении динамических упругих характеристик в образцах различных материалов [22, 23]. Он основан на определении частоты и декремента затухания собственных свободных или вынужденных колебаний. Основным выражением вибрационного метода является зависимость [24]

Характеристикой рассеяния энергии колебаний может служить логарифмический декремент. На основании подавляющего большинства исследований можно сделать заключение, что для амплитуд напряжений и частот колебаний, характерных для рабочих лопаток, декремент не зависит от частоты."Один из существенных факторов, от которого зависит рассматриваемая величина,— это амплитуда напряжений. Существуют различные способы определения декремента колебаний [59]. Наиболее широко распространенным является метод определения декремента по амплитудным кривым затухания собственных колебаний. Вместе с тем, до сих пор встречаются ошибки при -пользовании этим методом. Поэтому, несмотря на разбор этого вопроса ранее [26], представляется целесообразным вновь вернуться к нему.

Для сокращения времени затухания собственных колебаний плиты от случайных причин и уменьшения влияния динамической неуравновешенности на измерение статического дисбаланса

в которой о)о,- —1-я собственная частота, соответствующая той или иной форме колебаний, РО, - коэффициент затухания собственных колебаний на этой частоте.

Условие затухания собственных колебаний (94) зависит от амплитуды внешней периодической силы В случае, если внешнее возмущение, т е правая часть уравнения (89) не зависит явно от времени, получаем обычное условие самовозбуждения

Рис. 2.61. Схема процесса затухания собственных колебаний

При проектировании крановых мостов с балками коробчатого сечения в ряде случаев целесообразно проверять металлоконструкцию на время затухания собственных колебаний, вызывающих вибрацию, отрицательно влияющую на самочувствие крановщика [6]: ,

На рис. 1.34, а штриховая линия — график / в случае излучения коротких импульсов. Предполагается, что импульсы имеют колоколообразную форму, причем за период колебаний амплитуда уменьшается в 5 раз. Как видно из рисунка, в случае излучения коротких импульсов максимумы и минимумы заметно сглаживаются. Такой же эффект дает учет затухания ультразвука и множителя х, определяющего диаграмму направленности элементарных источников.

В приведенных формулах не учтено влияние затухания ультразвука в ОК на структуру акустического поля. Для его учета волновое число k рассматривают как комплексное: k' + уб, где ?'>б. В результате сглаживаются экстремумы в ближней зоне и минимумы между лепестками, вводится множитель е~вг для всех изменений амплитуды поля с расстоянием.

щины ОК и коэффициента затухания ультразвука оптимальная частота понижается (см. задачу 2.4.1).

Структурные помехи от рассеяния импульса приходят позже, чем сквозной сигнал, поэтому, как правило, не мешают контролю. Однако мультипликативные помехи от неравномерного затухания ультразвука на различных участках изделия затрудняют выявление дефектов. Крупные дефекты, практически исключающие прохождение сквозного сигнала, при этом все же обнаруживаются. В этом заключается преимущество теневого перед эхометодом: крупные дефекты удается обнаружить даже при большом рассеянии.

Влияние изменения затухания ультразвука сильнее, чем для теневого метода. Структурные реверберации от крупного зерна могут помешать наблюдению донного сигнала. Очень мешает контролю зеркально-теневым методом случайное изменение отражающих свойств донной поверхности, связанное с ее неровностью, например, от коррозии. Неровности глубиной К/8 ослабляют донный сигнал приблизительно на 10%, а К/4 — на 20%. Второй донный сигнал уменьшается в квадрате по отношению к первому.

Более сложная проблема — контроль объектов с большой площадью поверхности. В этом случае определяют необходимое расстояние между ПЭП с учетом затухания ультразвука в выбранном частотном диапазоне, иногда — корректируют частоту. Преобразователи размещают на объекте так, чтобы обеспечить надежный контроль областей, где наиболее вероятно появление и развитие дефектов: сварных соединений, мест концентрации напряжений. При контроле сосудов давления ПЭП размещают на расстоянии 200... 5000 мм друг от друга. Их помещают вблизи особо напряженных сварных швов, радиусных переходов, патрубков (см. рис. 2.48, 2.50). Правильность расположения ПЭП и работоспособность каналов аппаратуры проверяют, используя имитаторы АЭ. Контролируют надежность регистрации сигналов, возникающих в различных участках конструкции и точность определения координат источников.

Поверхностные волны применяют для обнаружения дефектов, непосредственно выходящих на поверхность или залегающих на глубине не более длины поверхностной волны. Амплитуда поверхностной волны убывает с расстоянием в дальней зоне преобразователя пропорционально г~°-5 (если не учитывать затухания ультразвука и рассеяния на неровностях поверхности), а не г~1, как для объемных волн, поэтому поверхностные волны хорошо регистрируют дефекты на расстоянии 0,5 ... 1 м от точки ввода. Они следуют всем изгибам поверхности ОК. Затухание в материале — такого же порядка, как для объемных волн. Дополнительное затухание (рассеяние) возникает, если поверхность ввода ОК неровная, загрязненная.

Максимальная толщина ОК физическими причинами обычно не ограничена, кроме большого затухания ультразвука в некоторых материалах. В конкретных приборах ее определяет минимальная скорость развертки, используемой для преобразователя времени прихода эхосигналов в электрическое напряжение. Обычно максимальную толщину (для материалов с небольшим затуханием ультразвука) ограничивают размером 200... 1000 мм. Большие толщины измеряют импульсными дефектоскопами и механическими средствами.

Перспективный способ изучения структуры металла состоит в исследовании спектрального состава донного сигнала. Изменение спектра широкополосного импульса в результате разного затухания различных частотных составляющих дает значительно большую информацию о структуре, чем контроль на одной частоте. Предложен способ контроля средней величины зерна [7] по структурной реверберации, поскольку, как отмечено в § 1.2, рассеяние на зернах — основная причина затухания ультразвука в металлах.

с шаровидным графитом (3=0,053; а с пластинчатым — 0,076 с4/м3. Для точного измерения скорости и затухания ультразвука необходимо иметь два донных сигнала. Между тем большое затухание ультразвука в чугуне нередко затрудняет наблюдение второго донного сигнала. Было предложено измерение такой акустической величины, как отношение донный сигнал — структурная помеха. Для этого наблюдают уровень помех вблизи донного сигнала (в зоне протяженностью не более двух длин волн) и измеряют этот уровень по отношению к амплитуде донного сигнала. Важное достоинство этой величины состоит в том, что для ее измерения достаточно наблюдать один донный сигнал. Отношение донный сигнал— помеха в дальней зоне определяется формулой, приведенной в табл. 2.1:

Новые перспективы открывает расширение освоенного диапазона частот в высокочастотную область. Это позволит обнаружить более мелкие дефекты, повысить разрешающую способность, улучшить направленность излучения-приема. Повышению частот препятствуют увеличение затухания ультразвука в ОК и трудности возбуждения и приема высокочастотных колебаний (см. п. 3.5.2).