Динамические свойства фронта волны

Затухание

При прохождении в объект организованный фронт волны, генерированный ультразвуковым преобразователем, начинает ослабевать из-за неполной передачи энергии в микроструктуре материала. Организованные механические вибрации (звуковые волны) переходят в хаотичные механические вибрации (тепло) до тех пор, пока колебания не затухнут. Этот процесс называется затуханием звука.

Математическая теория затухания и рассеяния звука достаточно сложная. Потеря амплитуды из-за затухания на определенном пути УЗ будет суммой эффектов поглощения, усиливающихся линейно с частотой, и эффектов рассеяния, варьирующихся во всех трех зонах в зависимости от соотношения межзеренных границ или других рассеивающих элементов. В любом случае, эффекты рассеяния возрастают с повышением частоты.

Чем больше частота, тем больше затухание ультразвуковых волн, при этом наиболее сильно затухает поперечная волна по сравнению с продольной (примерно в семь раз затухание поперечной волны больше чем продольной).

Коэффициент затухания зависит от материала, температуры контроля, частоты; и обычно выражается в неперах на сантиметр (Нп/см).

На практике в НК коэффициенты затухания обычно измеряются, а не рассчитываются. Сигналы на более высоких частотах будут затухать быстрее, чем сигналы на низких частотах вне зависимости от среды контроля. Поэтому при контроле материалов с высоким коэффициентом затухания (например, пластик пониженной плотности или резина) обычно используются более низкие частоты.

Отражение ультразвука от границы раздела сред

Если на пути волны при ее прохождении через материал оказывается граница иной по составу среды, лежащая перпендикулярно направлению волны, часть энергии волны отразится, а часть продолжит свое движение в прежнем направлении. Соотношение отразившейся и передаваемой далее энергии связано со значениями акустического импеданса обоих сред.

Акустический импеданс - это плотность материала, помноженная на скорость звука:

Z = ρC,

 где Z - волновое сопротивление, кг/м², ρ - плотность, кг/м³, C - скорость звука, м/с.

Коэффициент отражения на перпендикулярной плоскости, т.е. количество отражаемой звуковой энергии, рассчитывается следующим образом:

,

где R - коэффициент отражения звукового давления, Z₁ - волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м²с), Z₂ - волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м²с).

Из этой формулы видно, что чем ближе друг к другу значения акустического импеданса обоих сред, тем ниже коэффициент отражения, и наоборот – чем больше различие между акустическими импедансами, тем выше коэффициент отражения. Теоретически, коэффициент отражения от границы между двумя средами с одинаковым акустическим импедансом равен нулю. Если акустический импеданс между двумя средами различается слишком сильно (например, сталь и воздух), то коэффициент равен 100%.