Причины ослабления волн при распространении

Амплитуда и интенсивность упругих волн уменьшается по мере их распространения. Существуют следующие основные причины ослабления волн: расхождение лучей и затухание. Ослабление из-за расхождения лучей происходит потому, что часть лучей пучка не достигает приемника. Ослабление из-за расхождения лучей увеличивается с пройденным волной расстоянием. Уменьшение амплитуды сферических волн пропорционально 1/ Z, где Z – пройденное расстояние; цилиндрических – . В плоских волнах расхождения лучей нет. Ослабление амплитуды волн из-за затухания пропорционально е^- , где число е = 2,73, – коэффициент затухания. Коэффициент затухания складывается из коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния.

Поглощение – это преобразование энергии упругих волн в другие виды энергии, в первую очередь в тепло. Рассеяние связано процессами преломления, отражения волн на границах кристаллов, зерен или включений в неоднородных материалов, а также огибанием волнами этих внутренних неоднородностей. В табл. 2.3 представлены формулы для расчета амплитуды А(z) и мощности P(z) волны, прошедшей расстояние z. А₀ и Р₀ – начальные амплитуда и мощность.

Таблица 2.3

Формулы для расчета амплитуды и мощности волны

Тип волны	Плоская	Цилиндрическая	Сферическая
Aмплитуда	А(z)=A0e- Z	А(z)=	А(z)=
Мощность	P(z)=P0e-2 Z	P(z)=	P(z)=

Акустические свойства сред

Рассмотрим основные причины затухания упругих волн. Как было сказано в предыдущем разделе, коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния. В однородных жидкостях и газах рассеяние отсутствует, а коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В аморфных твердых телах (например, стекле) и монокристаллах рассеяние тоже отсутствует. В поликристаллических телах присутствует как поглощение, так и рассеяние.

Существует несколько причин поглощения упругих волн в твердых телах. Поглощение обусловлено теплопроводностью среды и внутренним трением. В большинстве поликристаллических твердых тел основную роль в затухании играет рассеяние. Среда содержит зерна или включения, плотность и акустический импеданс которых отличается от окружения. Так, в чугунах содержатся включения графита. В стали зерна сохраняют кристаллическое строение. Скорость УЗВ зависит от направления падающей волны по отношению к осям кристалла. Чем сильнее эта зависимость, то есть упругая анизотропия, тем сильнее влияние рассеяния. Так, анизотропия (и рассеяние) велика́ в медных сплавах (латуни), но она значительно меньше в алюминиевых. В сталях рассеяние сильно сказывается на распространении волн в нержавеющей аустенитной стали, в аустенитных сварных швах. При переходе луча из одного зерна в другое возникают отражение, преломление и трансформация волн (рис. 2.7).

Коэффициент затухания , вызванный рассеянием, зависит от соотношения между длиной волны и средним размером зерна D. Обычно выполняется условие >> D. Рассеяние в этой области называется рэлеевским. Зависимость коэффициента  от частоты f и от среднего размера зерна D показаны на рис. 2.8. 

Рис. 2.8. Зависимость коэффициента a_р
от частоты волны и среднего размера зерна

При этом в области рэлеевского рассеяния оно происходит на частицах, которые меньше длины волны. При << D влияние рассеяния возрастает с ростом частоты. В табл. 2.4 представлены основные акустические свойства сред.

Таблица 2.4