Особенности распространения ультразвуковых волн: параметры, виды волн, затухание и отражение

Содержание

параметры, виды волн, затухание и отражение

Дмитрий Левкин

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

,

  • где f – частота, Гц,
  • T – период, с

Рисунок 1 – Основные параметры ультразвуковой волны

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

,

  • где λ – длина волны, м,
  • с – скорость звука, м/с

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

,

  • где cl – скорость звука для продольных волн, м/c,
  • E – модуль упругости, Па,
  • μ – коэффициент Пуассона,
  • ρ – плотность, кг/м3

Для поперечных волн она определяется по формуле

,

  • где ct – скорость звука для поперечных волн, м/с,
  • G – модуль сдвига, Па

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].


Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

,

  • где р — амплитуда звукового давления, Па
  • v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
  • ρ — плотность среды, кг/м3
  • с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым

вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2. В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10-12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н.

средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Материал Плотность, кг/м3 Скорость продольной волны, м/c Скорость поперечной волны, м/c Акустический импеданс, 103 кг/(м2*с)
Акрил 1180 2670 - 3,15
Воздух 0,1 330 - 0,00033
Алюминий 2700 6320 3130 17,064
Латунь 8100 4430 2120 35,883
Медь 8900 4700
2260
41,830
Стекло 3600 4260 2560 15,336
Никель 8800 5630 2960 49,544
Полиамид (нейлон) 1100 2620 1080 2,882
Сталь (низколегированный сплав) 7850 5940 3250 46,629
Титан 4540 6230 3180 26,284
Вольфрам 19100 5460 2620 104,286
Вода (293К) 1000 1480 - 1,480

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

  • убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;
  • рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;
  • поглощение ультразвука, т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r2, амплитуда волны убывает пропорционально r -1, а для цилиндрической волны — пропорционально r -1/2.

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна e-δr, а интенсивность – e-2δr в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где δ – коэффициент затухания звука [2].

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

,

  • где
    α
    – коэффициент затухания с расстоянием, 1/м,
  • L – расстояние, м,
  • p(0), p(L) – амплитуда звукового давления в исходной точке и на расстояние L, Па

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

,

  • где β – коэффициент затухания от времени, 1/с,
  • T – время, с,
  • p(0), p(T) – амплитуда звукового давления в начале и через время T соответственно, Па

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

,

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

,

  • где A1 – амплитуда первого сигнала,
  • A2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

,

Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м-1. Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 - основание натуральных логарифмов или число непера).

1 Нп/м = 8,68 дБ/м

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

,

  • где Z – волновое сопротивление, кг/(м2с),
  • ρ – плотность, кг/м3,
  • с – скорость звука, м/с

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

,

  • где R – коэффициент отражения звукового давления [1],
  • Z1 – волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м2с),
  • Z2 – волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м2с)

,

  • где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z1>Z2, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

,

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

,

  • где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
  • r — расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м2.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].


Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

,

  • где N – длина ближней зоны, м,
  • D – диаметр излучателя, м,
  • λ – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

,


Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

    Библиографический список

  • Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
  • Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
  • General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
  • Под редакцией И.С.Григорьева, Е.3.Мейлихова. Справочник. Физические величины.-Москва.:1991.
  • Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология.-Москва.:Металлургия, 1974.
  • Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Применения ультразвука.-Москва.:Техносфера, 2006.

УЛЬТРАЗВУК • Большая российская энциклопедия

УЛЬТРАЗВУ́К, аку­сти­че­ские вол­ны с час­то­та­ми от 2·104 Гц до 109 Гц. Вы­де­ля­ют У. низ­ких (2·104–105 Гц), сред­них (105– 107 Гц) и вы­со­ких (107–109 Гц) час­тот. Ка­ж­дый из этих диа­па­зо­нов ха­рак­те­ри­зу­ет­ся спе­ци­фич. осо­бен­но­стя­ми ге­не­ра­ции, приё­ма, рас­про­стра­не­ния и при­ме­не­ния.

Свойства и особенности распространения

По фи­зич. при­ро­де У. пред­став­ля­ет со­бой уп­ру­гие вол­ны, и в этом он не от­ли­ча­ет­ся от зву­ка, по­это­му час­тот­ная гра­ни­ца ме­ж­ду зву­ко­вы­ми и УЗ-вол­на­ми ус­лов­на. Од­на­ко бла­го­да­ря бо­лее вы­со­ким час­то­там и, сле­до­ва­тель­но, ма­лым дли­нам волн (так, дли­ны волн У. вы­со­ких час­тот в воз­ду­хе со­став­ля­ют 3,4·10–3–3,4·10–7 м, в во­де 1,5·10–4– 1,5·10–6 м, в ста­ли 5·10–4–5·10–6 м) име­ет ме­сто ряд осо­бен­но­стей рас­про­стра­не­ния ульт­ра­зву­ка.

Вви­ду ма­лой дли­ны вол­ны У. ха­рак­тер его рас­про­стра­не­ния оп­ре­де­ля­ет­ся в пер­вую оче­редь мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­рой сре­ды, по­это­му, из­ме­ряя ско­рость и ко­эф. за­ту­ха­ния У., мож­но су­дить о мо­ле­ку­ляр­ных свой­ст­вах ве­ще­ст­ва (см. Мо­ле­ку­ляр­ная аку­сти­ка). Ха­рак­тер­ная осо­бен­ность рас­про­стра­не­ния У. в мно­го­атом­ных га­зах и во мно­гих жид­ко­стях – су­ще­ст­во­ва­ние об­лас­тей дис­пер­сии зву­ка, со­про­во­ж­даю­щей­ся силь­ным воз­рас­та­ни­ем его по­гло­ще­ния. У. в га­зах, и в ча­ст­но­сти в воз­ду­хе, рас­про­стра­ня­ет­ся с боль­шим за­ту­ха­ни­ем. Жид­ко­сти и твёр­дые те­ла (осо­бен­но мо­но­кри­стал­лы) пред­став­ля­ют со­бой, как пра­ви­ло, хо­ро­шие про­вод­ни­ки У., за­ту­ха­ние в них зна­чи­тель­но мень­ше. По­это­му об­лас­ти ис­поль­зо­ва­ния У. сред­них и вы­со­ких час­тот от­но­сят­ся поч­ти ис­клю­чи­тель­но к жид­ко­стям и твёр­дым те­лам, а в воз­ду­хе и га­зах при­ме­ня­ют толь­ко У. низ­ких час­тот.

Др. осо­бен­ность У. – воз­мож­ность по­лу­че­ния боль­шой ин­тен­сив­но­сти да­же при срав­ни­тель­но не­боль­ших ам­пли­ту­дах ко­ле­ба­ний, т. к. при дан­ной ам­пли­ту­де плот­ность по­то­ка энер­гии про­пор­цио­наль­на квад­ра­ту час­то­ты. УЗ-вол­ны боль­шой ин­тен­сив­но­сти со­про­во­ж­да­ют­ся ря­дом не­ли­ней­ных эф­фек­тов. Так, для ин­тен­сив­ных пло­ских УЗ-волн при ма­лом по­гло­ще­нии сре­ды си­ну­сои­даль­ная у из­лу­ча­те­ля вол­на пре­вра­ща­ет­ся по ме­ре рас­про­стра­не­ния в сла­бую пе­рио­дич. удар­ную вол­ну; по­гло­ще­ние та­ких волн ока­зы­ва­ет­ся зна­чи­тель­но боль­ше, чем волн ма­лой ам­пли­ту­ды. Рас­про­стра­не­нию УЗ-волн в га­зах и жид­ко­стях со­пут­ст­ву­ет дви­же­ние сре­ды (аку­сти­че­ское те­че­ние). К чис­лу важ­ных не­ли­ней­ных яв­ле­ний, воз­ни­каю­щих при рас­про­стра­не­нии ин­тен­сив­но­го У. в жид­ко­стях, от­но­сит­ся ка­ви­та­ция аку­сти­че­ская.

Генерация и приём

Для из­лу­че­ния У. ис­поль­зу­ют ме­ха­нич. и элек­тро­ме­ха­нич. уст­рой­ст­ва. Ме­ха­нич. из­лу­ча­те­ли У. (возд. и жид­ко­ст­ные сви­ст­ки и си­ре­ны) от­ли­ча­ют­ся про­сто­той уст­рой­ст­ва и экс­плуа­та­ции, не тре­бу­ют элек­трич. энер­гии вы­со­кой час­то­ты. Они при­ме­ня­ют­ся гл. обр. в пром. УЗ-тех­но­ло­гии и как сред­ст­ва сиг­на­ли­за­ции.

Элек­тро­ме­ха­нич. из­лу­ча­те­ли У. пре­об­ра­зу­ют элек­трич. ко­ле­ба­ния в ме­ха­ни­че­ские. В диа­па­зо­не У. низ­ких час­тот воз­мож­но ис­поль­зо­ва­ние элек­тро­ди­на­мич. и элек­тро­ста­тич. из­лу­ча­те­лей. В этом диа­па­зо­не час­тот ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли. Для из­лу­че­ния У. сред­них и вы­со­ких час­тот слу­жат гл. обр. пье­зо­элек­три­че­ские пре­об­ра­зо­ва­те­ли. Для уве­ли­че­ния ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний и из­лу­чае­мой в сре­ду мощ­но­сти, как пра­ви­ло, при­ме­ня­ют­ся ре­зо­нанс­ные ко­ле­ба­ния маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ных и пье­зо­элек­трич. эле­мен­тов на их собств. час­то­те. Для уве­ли­че­ния ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний твёр­дых тел в диа­па­зо­не У. низ­ких час­тот ис­поль­зу­ют стерж­не­вые УЗ-кон­цен­тра­то­ры (см. Кон­цен­тра­тор аку­сти­че­ский).

Маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ные и пье­зо­элек­трич. пре­об­ра­зо­ва­те­ли при­ме­ня­ют­ся и для приё­ма У. Для изу­че­ния УЗ-по­ля ис­поль­зу­ют­ся оп­тич. ме­то­ды (см. Аку­с­то­оп­ти­ка, Ви­зуа­ли­за­ция зву­ко­во­го по­ля, Ди­фрак­ция све­та на ульт­ра­зву­ке).

Применение

УЗ-ме­то­ды ис­поль­зу­ют­ся в фи­зи­ке твёр­до­го те­ла, в ча­ст­но­сти в фи­зи­ке по­лу­про­вод­ни­ков. У. иг­ра­ет боль­шую роль в изу­че­нии струк­ту­ры ве­ще­ст­ва. На­ря­ду с ме­то­да­ми мо­ле­ку­ляр­ной аку­сти­ки для жид­ко­стей и га­зов, из­ме­ре­ние ско­ро­сти и ко­эф. по­гло­ще­ния У. ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния мо­ду­лей уп­ру­го­сти и дис­си­па­тив­ных ха­рак­те­ри­стик твёр­дых тел.

У. ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в тех­ни­ке. По дан­ным из­ме­ре­ний ско­ро­сти и ко­эф. по­гло­ще­ния У. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся кон­троль за про­те­ка­ни­ем тех­но­ло­гич. про­цес­сов. У. срав­ни­тель­но ма­лой ин­тен­сив­но­сти при­ме­ня­ет­ся для не­раз­ру­шаю­ще­го кон­тро­ля из­де­лий из твёр­дых ма­те­риа­лов. При по­мо­щи У. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся зву­ко­ви­де­ние. Для по­лу­че­ния уве­ли­чен­ных изо­бра­же­ний пред­ме­та с по­мо­щью У. вы­со­кой час­то­ты соз­дан аку­стич. мик­ро­скоп (см. Мик­ро­ско­пия аку­сти­че­ская). Важ­ную роль У. иг­ра­ет в гид­ро­аку­сти­ке. На прин­ци­пе от­ра­же­ния УЗ-им­пуль­сов от пре­пят­ст­вий, воз­ни­каю­щих на пу­ти их рас­про­стра­не­ния, ос­но­ва­на ра­бо­та эхо­ло­та, гид­ро­ло­ка­то­ра и др.

У. боль­шой ин­тен­сив­но­сти (гл. обр. диа­па­зон низ­ких час­тот) ока­зы­ва­ет воз­дей­ст­вие на про­те­ка­ние тех­но­ло­гич. про­цес­сов. Так, при по­мо­щи мощ­но­го У. ус­ко­ря­ет­ся ряд про­цес­сов те­п­ло- и мас­со­об­ме­на в ме­тал­лур­гии. Воз­дей­ст­вие УЗ-ко­ле­ба­ний не­по­сред­ст­вен­но на рас­пла­вы по­зво­ля­ет по­лу­чить бо­лее мел­ко­кри­стал­лич. и од­но­род­ную струк­ту­ру ме­тал­ла. УЗ-ка­ви­та­ция ис­поль­зу­ет­ся для очи­ст­ки от за­гряз­не­ний мел­ких и круп­ных про­из­водств. де­та­лей.

При дей­ст­вии У. на био­ло­гич. объ­ек­ты про­ис­хо­дит по­гло­ще­ние и пре­об­ра­зо­ва­ние аку­стич. энер­гии в те­п­ло­вую. Ло­каль­ный на­грев тка­ней на до­ли и еди­ни­цы гра­ду­сов, как пра­ви­ло, спо­соб­ст­ву­ет жиз­не­дея­тель­но­сти био­ло­гич. объ­ек­тов, по­вы­шая ин­тен­сив­ность про­цес­сов об­ме­на ве­ществ. В ме­ди­ци­не У. ис­поль­зу­ет­ся для ди­аг­но­сти­ки, те­ра­пев­тич. и хи­рур­гич. ле­че­ния (см. Ульт­ра­зву­ко­вая диа­гно­сти­ка, Ульт­ра­зву­ко­вая те­ра­пия). О при­ме­не­нии У. в хи­мии см. в ст. Со­но­хи­мия.

У. спо­соб­ны вос­при­ни­мать и ге­не­ри­ро­вать не­ко­то­рые ви­ды жи­вот­ных (ле­ту­чие мы­ши, дель­фи­ны, не­ко­то­рые ви­ды птиц и на­се­ко­мых и др.).

Распространение ультразвука | Рефераты KM.RU

 

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:

V = U sin (2ft + G),

где V - величина колебательной скорости;

U - амплитуда колебательной скорости;

f - частота ультразвука;

t - время;

G - разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением.

Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.

U = 2fA,

где А - амплитуда смещения частиц среды.

Скорость распространения ультразвуковых волн

Ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с некоторой конечной скоростью, которая определяется упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость звука в жидкостях и твердых средах значительно выше, чем в воздухе, где она приблизительно равна 330 м/с. Для воды она будет равна 1482 м/с при 20о С. Скорость распространения ультразвука в твердых средах, например, в костной ткани, составляет примерно 4000 м/с.

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определенной точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определенной точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определенного участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается.

Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и ее структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 37%). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и в конечном счете также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых лучей.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1 - 0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своем пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие ее ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Подготовила Дрейд А.И.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://gradusnik.ru/

Дата добавления: 22.04.2014

Распространение - ультразвуковая волна - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Распространение - ультразвуковая волна

Cтраница 3


С особенностями распространения ультразвуковых волн в газах и жидкостях мы познакомились в предыдущих главах и видели, какие разнообразные применения находит ультразвук в различных областях техники и научного эксперимента. Каковы особенности распространения ультразвука в твердых телах и какие наиболее важные и интересные применения имеет ультразвук в этой области.  [32]

И скорость распространения ультразвуковых волн, и их поглощение существенно зависят от свойств среды, в которой они распространяются. А так как эти величины сравнительно легко поддаются экспериментальному определению, то, измеряя их, можно судить о свойствах и состоянии среды. На рис. 32 показана простейшая схема установки для быстрого измерения скорости распространения и поглощения ультразвука. В сосуде, в котором находится или через который протекает интересующее нас вещество, расположены друг против друга излучатель и приемник ультразвуковых волн.  [33]

По мере распространения ультразвуковой волны интенсивность ее падает: для плоской волны за счет затухания, а для сферической волны - как за счет затухания, так и за счет расхождения волны.  [35]

На скорость распространения ультразвуковых волн в материале влияет ряд факторов, важнейшими из которых являются плотность материала и его влажность.  [36]

Зная скорость распространения ультразвуковых волн в различных материалах ( см. табл. 3 - 1), минимальную и максимальную толщину его, а также по техническим условиям минимальную величину дефектов, которые необходимо обнаруживать в изделиях, можно определить основные рабочие характеристики импульсного ультразвукового дефектоскопа, работающего ino методу отражения, а именно: частоту колебаний генератора, скорость раз-вертки, - продолжительность импульсов и пауз между ими.  [38]

По характеру распространения ультразвуковой волны от излучающего к приемному пьезоэлементам через контролируемую среду и промежуточные звукопровод-ные среды ( звукопроводы) каждая из указанных групп разделяется на два типа; без преломления и с преломлением волны на границах раздела сред.  [39]

Согласно экспериментальным данным распространение ультразвуковых волн в горных породах имеет ряд особенностей. Например, в слоистом шифере скорости продольной cL и поперечной ct волн имеют большее значение ( примерно на 1 % для Ci и на 3 % для ct) при распространении параллельно слоистости. Песчаники, взятые на разных глубинах имеют почти одинаковые плотности, но скорости ультразвука в них резко отличны, как отличны и модули их упругости.  [40]

Рассмотрим теперь условия распространения ультразвуковых волн в однородных слоях с точки зрения возможных частот и структуры поля. Для этого необходимо решить волновое уравнение (III.4) с соответствующими граничными условиями.  [41]

Внимательно изучив теорию распространения ультразвуковой волны в твердых телах [ I...  [43]

Так как скорость распространения ультразвуковой волны зависит от плотности материала, то при определениях влажности сыпучих материалов необходимо их предварительно уплотнять, что снижает точность этого метода.  [44]

Информация о скорости распространения ультразвуковых волн позволила по - известным соотношениям ( 2 ] рассчитать модули нормальной упругости ( Е), сдвига ( G) и сжимаемости ( х), температурные зависимости которых приведены на рисунке.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

Распространение ультразвуковой волны - Справочник химика 21

    Дисперсия. Скорость распространения ультразвуковой волны обычно не зависит от частоты ультразвуковых колебаний. Однако в некоторых случаях скорость ультразвука в небольшом частотном диапазоне имеет слабовыраженный частотный максимум или минимум. Это явление называется дисперсией скорости ультразвука. Дисперсия была обнаружена как в жидкостях, так и в твердых телах, причем в первых на частотах порядка мегагерц, а во вторых на повышенных частотах. [c.14]
    Образцы после замера в них скорости распространения ультразвуковых волн были подвергнуты механическим испытаниям на растяжение по ГОСТ 1497-84. [c.48]

    Чаще всего применяют эхо-, реже — теневой метод контроля. Особенно высокая чувствительность достигается при контроле эхометодом преобразователем типа дуэт. Для определения местоположения объекта, отражающего поверхностные волны, пальцем, смоченным в масле, нажимают на поверхность изделия по ходу распространения ультразвуковой волны. При этом на экране дефектоскопа появляется небольшой импульс, отраженный от пальца, а сигналы от отражателей, находящихся позади пальца, резко уменьшаются по амплитуде. Передвигая палец по поверхности изделия и наблюдая за амплитудами сигналов, легко найти местоположение отражателей и определить соответствие сигнала отражателю. [c.187]

    В Си после РКУ-прессования были также исследованы закономерности эволюции структуры при отжиге [81, 228, 232]. Для этого параллельно использовали методы измерения скорости распространения ультразвуковых волн и внутреннего трения. Полученные результаты укладываются в схему, описанную выше. Отжиг привел к формированию зерен, не содержащих контуров экстинкции и разделенных границами зерен, которые, как представляется, стали равновесными. Температура рекристаллизации, равная 448 К, как и ожидалось, оказалась выше в менее чистой Си (99,98 %) по сравнению с более чистой Си (99,997 %), где она равнялась 398 К. Эти изменения в структуре получили отражение в изменении измеренных свойств. При этом скорости распространения ультразвуковых волн, а следовательно, и упругие модули резко возросли. Рекристаллизованные зерна при более высоких температурах продолжали далее расти в размерах. При этом, однако, каких-либо значительных изменений в скорости распространения ультразвуковых волн не произошло. [c.130]

    Распространение ультразвуковой волны в твердой среде можно представить в виде упругой деформации отдельных участков среды. Вследствие внутреннего трения и теплопроводности эта деформация сопровождается потерей колебательной энергии, которая переходит в теплоту. Потери энергии в большей мере проявляются для продольных волн по сравнению с поперечными, так как распространение последних не связано с адиабатическими изменениями объема, при которых проявляются потери, обусловленные наличием теплопроводности. [c.74]

    По мнению авторов [106], зависимость скорости распространения ультразвуковых волн в растворах от концентрации растворенного вещества и температуры суммарно отражает изменения во внутри- и в межмолекулярных взаимодействиях, происходящих под влиянием этих параметров. [c.146]

    Распространение ультразвуковых волн в твердых телах, идкостях и газах. [c.829]


    Затухание ультразвука. При распространении ультразвуковых волн в среде они ослабляются — происходит затухание ультразвуковых колебаний. Причиной затухания является как поглощение энергии ультразвуковых колебаний в однородной среде из-за сопротивления трения (вязкости), теплопроводности и других эффек- [c.15]

    Скорости распространения ультразвуковых волн в твердых средах зависят от упругих постоянных среды. Большинство промышленных твердых сред (металлы, сплавы, пластмассы и др.) являются изотропными, упругие свойства которых определяются модулем упругости Е (модуль Юнга) и коэффициентом поперечного сжатия а (коэффициент Пуассона). Наряду с этими двумя постоянными в исследованиях часто используется модуль сдвига который связан с постоянными Е и а следующим соотношением  [c.26]

    Значительный теоретический и практический интерес представляют исследования скорости распространения ультразвуковых волн в веществах при их переходе в металлическое состояние под воздействием очень больших давлений. При сверхвысоких давлениях ряд полупроводниковых веществ, таких как теллур, йод и др., переходит в состояние металла, а при давлении, равном 2-10 ат, теория предсказывает переход твердого водорода в металлическое состояние. После снятия давления вещество обычно возвращается в исходное состояние к первоначальной своей структуре. Однако в некоторых случаях вещество остается в состоянии высокой плотности, при котором оно находилось под воздействием давления, и получается физически новое -ве-32 [c.32]

    Согласно экспериментальным данным распространение ультразвуковых волн в горных породах имеет ряд особенностей. Например, в слоистом шифере скорости продольной l и поперечной t волн имеют большее значение (примерно на 1% для l и на 3% для t) при распространении параллельно слоистости. Песчаники, взятые на разных глубинах имеют почти одинаковые плотности, но скорости ультразвука в них резко отличны, как отличны и модули их упругости. [c.34]

    При рассмотрении вопросов распространения ультразвуковых волн в жидкостях представляется целесообразным разбить их по чисто внешним признакам на группы чистые жидкости, растворы и взвеси. Под чистыми жидкостями здесь понимаются такие, которые состоят из атомов или молекул одного вида. В группу растворов включены водные бинарные и многокомпонентные растворы неорганических и органических веществ, смеси чистых жидкостей, смеси жидких металлов и смеси расплавленных солей. [c.40]

    Расплавы металлов, солей и твердых веществ. Распространение ультразвуковых волн в расплавах по сравнению с другими жидкими средами менее исследовано. За последние годы в связи с развитием атомной энергетики, где широкое применение нашли жидкометаллические теплоносители, ряд исследователей изучал скорость ультразвука в легкоплавких металлах. [c.46]

    Наибольшее распространение в последние годы получили приборы, основанные на методах измерения времени распространения. К числу используемых методов относятся импульсные и частотно-импульсные методы прямого измерения времени распространения ультразвуковой волны в исследуемой среде, а также имиульс-но-фазовый компенсационный метод косвенного (с помощью эталонной среды) измерения времени распространения ультразвука в исследуемой среде. [c.203]

    Метод акустического сопротивления Методы измерения длины ультразвуковой волны Методы прямого измерения времени распространения ультразвуковой волны Методы косвенного измерения времени распространения ультразвуковой волны [c.94]

    Вследствие этих причин, а также громоздкости конструктивного оформления оптических устройств в последнее время при разработке аппаратуры высокой точности исследователи и конструкторы берут на вооружение в основном интерферометрические методы и методы измерения времени распространения ультразвуковой волны. [c.115]

    Основным акустическим требованием при исследованиях по скорости распространения ультразвуковой волны является сведение к минимуму или полное устранение влияния реверберации. [c.178]

    Ноздрев В. Ф., Исследование распространения ультразвуковых волн в насыщенных парах органических жидкостей, Вестник МТУ, 1962, № 12, стр. 21. [c.244]

    Ноздрев В. Ф., Исследование распространения ультразвуковых волн в критической области системы жидкость— пар. Акустический журнал, 1955, т. 1, вьш. 3, стр. 236. [c.244]

    И. Г. М и X а й л о в, Распространение ультразвуковых волн в жидко-ст.ях, Гостехиздат, 1949. [c.92]

    В специальной литературе [17] отмечалось, что процесс распространения ультразвуковых волн в жидкой среде является адиабатическим, поскольку изменение давления и плотности в колеблющихся слоях происходит настолько быстро, что переход тепловой энергии из сжатой части газа или жидкости в окружающую среду невозможен. Развивающаяся температура зависит ог природы газа, растворенного в резонансно колеблющихся [c.220]


    Отмечается также, что при распространении ультразвуковых волн важную роль играет форма макромолекул. Это было доказано путем определения скорости гидратации исследуемого продукта, причем обработка ультразвуком проводилась в присутствии воздуха и водорода некоторые результаты приведены в табл. 41. [c.239]

    В данном случае при исследовании распространения ультразвуковых волн в критической области речь могла идти о трех методах электромеханическом (интерферометр Пирса), оптическом и импульсном. Предполагая в дальнейшем создание универсального автоклава, позволяющего на одном приборе пользоваться тремя методами, мы начали наши исследования с применения оптического метода, к этому времени уже хорошо опробованного нами при исследовании распространения ультразвука в жидкостях и газах в широком интервале температур и давлений. Метод интерферометра Пирса применялся неоднократно для этих целей другими авторами [1—4]. [c.56]

    При распространении ультразвуковых волн в растворах электролитов в результате больших ускорений возникает частичное разделение анионов и катионов, имеющих различные эффективные массы [8]. В растворе при этом возникает переменный потенциал, величина которого, помимо других факторов, зависит от кажущихся грамм-ионных масс катиона и аниона. Измерение переменного потенциала 19], по-видимому, также может быть использовано для определения гидратации ионов. Это направление изучения гидратации тормозится экспериментальными трудностями, с которыми связано измерение переменного потенциала, возникающего при распространении ультразвука. [c.72]

    Скорость распространения ультразвуковой волны V можно замерить двумя приборами либо ультразвуковым импульсным интерферометром, разработанным Гипровостокнефть, либо ультразвуковым сигнализатором уровня типа УС-14 конструкции Грозненского филиала внииканефтегаз. [c.44]

    При распространении ультразвуковых волн в жидкости, если их интенсивность достаточно велика, может наступить явление кавитации. Упругие колебания в жидкости вызывают процессы сжатия и разрежения, повышения и понижения давления. При понижении давления сплошность среды нарушается, в ней появляются полости (пузырьки) при повышении давления пузырьки захлопываются, что вызывает появление мгновенных пиков давления, достигающих десятков мегапаскалей. В то же время на поверхности кавитационных пузырьков образуются электрические заряды и поля с напряженностью в сотни В/см. Это может вызвать пробои в пузырьках и ионизацию пропикшнх в нпх паров жидкости. При захлопывании пузырьков ионы попадают в жидкость. Эти процессы могут привести как к чисто механическому воздействию на помещенные в жидкость изделия, так и к ускорению химических реакций, в том [c.371]

    При распространении ультразвуковой волны в поликристал-лической среде она несет в направлении своего движения определенную энергию, которую излучил источник. По мере распространения волны в среде ее интенсивность снижается. Ослабление интенсивности волны обусловлено ее расхождением и затуханием. [c.9]

    Заметные отклонения величины поглощения от значений, предсказываемых формулой (2.20), возможны также, если при распространении ультразвуковой волны в среде происходят так называемые релаксационные явления. Последние связаны с тем, что некоторая часть энергии ультразвуковой волны Иоглощается молекулами многоатомной газообразной или жидкой среды, воз -буждая их колебательные и вращательные энергетические уровни. Передача энергии от внешних (поступательных) степеней свободы, возбуждаемых волной, к внутренним происходит в течение некоторого характерного времени т, называемого временем релаксации. В области частот колебаний ш 1/т будет происходить избыточное по сравнению с классическим поглощение ультразвука. Частотная зависимость релаксационного поглощения описывается законом [c.41]

    Один из таких приборов позволяет определить величину натяга шпилек (болтов) М18. .. М140 при отношении длины к диаметру не более семи максимальная длина в направлении прозвучивания до 800 мм, минимальная 30 мм. Возможная абсолютная погрешность определения напряжении 10. .. 50 МПа. Прибор позволяет осуществлять тензометрию изделий при времени распространения ультразвуковых волн в них более 10 мкс. [c.289]

    Влияние механических свойств железной руды на скорость распространения ультразвуковых волн исследовал также Голар [Л. 26]. [c.36]

    При наличии взвешенных частиц в жидкостях во время распространения ультразвуковой волны скорость колебательного движения частиц зависит от их массы и размеров, частоты ультразвука и вязкости жидкости и в общем случае не равна скорости элементов объема жидкости. Появление разности скоростей движения взвешенных частиц и элементов объема жидкостей, в которых размещены частицы, вызывает дополнительные потери ультразвуковой энергии Дополнительные потери вызывает также рассеяние энергии на частицах. Обозначив дополнительное затухание через Ивзв, вели-90 [c.90]

    Гидеманом Л. 219—221]. Схема установки для наблюдения ультразвуковых волн методом вторичной интерференции приведена на рис. 2-11. В отличие от установки, использующей обычный дифракционный метод (рис. 2-9), здесь линза Ог не дает изображение щели Р на экране 5, так как ее фокус наведен на плоскость в зоне распространения ультразвуковой волны в жидкости или вблизи этой зоны. Линза фокусируется на плоскость, в которой видны так называемые линии схождения Люка— Бикара. Эта система темных и светлых полос проектируется линзой О2 на экран 5. Изображение системы [c.114]

    Используемые при этом методе (за исключением импульсно-фазовых) схемы, принцип их действия и чувствительность в основном аналогичны схемам, используемым при методах, основанных на прямом измерении времени распространения ультразвуковой волны. Здесь мы рассмотрим лишь некоторые их отличия. Импульснофазовые методы будут рассмотрены подробнее. [c.133]

    По характеру распространения ультразвуковой волны от излучаюш,его к приемному пьезоэлементам через контролируемую среду и промежуточные звукопроводные среды (звукопроводы) каждая из указанных групп разделяется на два типа без преломления и с преломлением волны на границах раздела сред. [c.171]

    Воронов Ф. Ф., Верещагин Л. Ф., Муравьев В. И., Импульсная установка для измерения скорости распространения -ультразвуковых волн, Приборы и теяника эксперимента , Ю58, № 3, стр. 81. [c.237]

    УЗАС-7, определяли скорость распространения ультразвуковых волн в термостатированном растворе. Одновременно определяли плотность раствора, необходимую для расчета. Опыты проводили с хлоридами лития, калия, магния, кальция, железа и др. [c.28]

    ЛОЗЫ В воде (частота 7Ь Мгц) Вайслер отмечал уменьшение молекулярного веса до определенного предела, В дегазированной среде, в которой кавитация сильно ограничена, деполимеризации не наблюдалось. К аналогичным выводам принпи Праудхомм и Габер при исследовании толуольных растворов полистирола и водных растворов карбоксиметилцеллюлозы. Дальнейшие исследования показали, что кавитация зависит от природы растворенного газа [32, 33, 38]. Так, кавитационные пузырьки появляются относительно легко в присутствии азота, водорода, аргона или метана аммиак и двуокись углерода тормозят это явление, а ЗОг замедляет его даже при больших интенсивностях ультразвуковых волн. Берлин обратил внимание на то, что влияние природы газа нри ультразвуковой деструкции связано не с химическими свойствами, а со способностью газов растворяться в среде распространения ультразвуковых волн. [c.227]


Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твёрдых телах

Описание

Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1960 г., 560 стр.

В книге в доступной форме излагаются основные физические вопросы, связанные с распространением звуковых и ультразвуковых волн в воздухе, воде и твёрдых телах, и различные применения этих волн.

Большое место уделено ультразвуковым волнам и их применениям, а также распространению звука в атмосфере (атмосферная акустика), в море (гидроакустика) и земле (сейсмология). Рассматриваются вопросы распространения звуковых и ультразвуковых волн большой интенсивности в газах и особенно в жидкостях. Разбираются наиболее важные вопросы аэротермоакустики (шум струи, порождение звука турбулентностью). Рассмотрены вопросы распространения упругих волн в твёрдых телах (в особенности в металлах), а также основные применения ультразвука при излучении упругих свойств твёрдых тел. Основное внимание обращается на физический смысл того или иного явления.

Книга предназначена для лиц, имеющих среднее образование, и может быть полезна преподавателям средней школы, студентам, техникам, инженерам, морякам-гидроакустикам и лицам, работающим в смежных с акустикой областях.

Оглавление

Предисловие к третьему изданию

Из предисловия к первому изданию

Глава 1. Колебания и волны

Свободные колебания

Колебания маятника
Величины, определяющие колебательные движения
Колебания груза на пружине
Запись колебаний
Фаза колебаний. Сдвиг фаз
Затухающие колебания

Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания

Вынужденные колебания
Резонанс
Роль затухания
Резонансная кривая. Установление колебаний
Автоколебания

Волновое движение. Волны на воде

Волновое движение
Образование волн
Длина волны
Амплитуда волны
Скорость распространения волн

Распространение волн

Преломление
Капиллярные волны. Отражение
Интерференция
Принцип Гюйгенса
Дифракция
Лучи

Глава 2. Звуковые волны в воздухе

Образование звуковых волн в воздухе

Образование звуковых волн
Фотографирование звуковых волн
Длина волны, частота и скорость звука

Скорость звука

Измерение скорости звука
От чего зависит скорость звука
Дисперсия. Зависимость скорости звука от температуры

Распространение звука

Отражение звука
Дифракция
Наложение звуковых волн. Интерференция
Стоячие волны
Биения
Плоская волна

Сила звука. Давление звука

Сила звука
Измерение силы звука. Диск Рэлея
Давление звука. Радиометр
Децибелы

Ослабление звука с расстоянием

Ослабление звука для сферических волн
Поглощение звука. Влияние вязкости и теплопроводности среды
Коэффициент поглощения звука

Глава 3. Приёмники и излучатели звука. Осциллографы

Приёмники звука

Чувствительность уха
Микрофоны
Угольный микрофон
Электродинамический микрофон
Конденсаторный микрофон
Включение угольного микрофона

Шлейфовый и электронный осциллографы

Шлейфовый осциллограф
Электронный осциллограф

Источники звука

Труба и сирена. Голос
Излучение звука. Влияние размеров колеблющейся поверхности
Телефон
Электродинамический громкоговоритель (динамик)
Рупор
Термофон. Ионофон
Озвучение больших площадей
Направленность излучения звука
Пульсирующий шар (излучатель нулевого порядка)
Акустический диполь (излучатель первого порядка)
Квадруполь (излучатель второго порядка)

Глава 4. Некоторые опыты со звуком. Анализ звука

Некоторые опыты со звуком
Измерение скорости звука акустическим интерферометром

Акустический интерферометр с бегущими волнами
Радиоинтерферометр

Спектральное представление сложных колебаний
Анализ звука. Шум

Анализ звука
Резонаторы Гельмгольца
Современные методы анализа звука
Визуализация речи

Глава 5. Ультразвуковые волны в воздухе

Получение ультразвука. Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект
Кварцевые пластинки как излучатели и приёмники ультразвука
Излучатели и приёмники ультразвука из кристаллов сегнетовой соли
Применение в ультразвуковой технике кристаллов ADP и KDP и титаната бария

Магнитострикция. Магнитострикционные излучатели и приёмники ультразвука

Магнитосткрикция
Магнитострикционные излучатели и приёмники

Распространение ультразвука в воздухе и газах

Измерение скорости ультразвука и его поглощения
Коэффициент поглощения

Молекулярное поглощение и дисперсия ультразвука

Дисперсия и молекулярное поглощение ультразвука
Физический механизм молекулярного поглощения. Время релаксации
Дисперсия ультразвука в многоатомных газах
Аномальное поглощение звука во влажном воздухе

Глава 6. Распространение звука в помещениях и в свободной атмосфере

Заполнение помещения звуком. Реверберация

Заполнение помещения звуком
Время реверберации

Звукопоглотители

Звукопоглотители
Измерение коэффициента звукопоглащения материалов
Резонансные звукопоглатители
Звукомерные камеры

Распространение звука в атмосфере

Влияние ветра на ход звуковых лучей
Влияние температуры
Турбулентность атмосферы и её влияние на распространение звука
Рассеяние звука атмосферной турбулентностью

Звукоулавливатели. Звукометрия

Звукоулавливатели
Звукометрия

Аэротермоакустика

Вихревой звук
"Голос моря"
Псевдозвук
Порождение звука турбулентностью
Шум турбулентной струи
Аэротермоявления

Глава 7. Звуковые и ультразвуковые волны в жидкостях

Скорость звука в жидкости. Поглощение звука в воде

Скорость звука
Ультразвуковой интерферометр со стоячими волнами
Поглощение звука в пресной и морской воде

Отражение и преломление звука на границе раздела двух сред

Коэффициент отражения
Нормальное падение звука на границу раздела
Отражение и преломление плоской волны, падающей на границу раздела под косым углом

Ультразвуковые волны в жидкости

Фотографирование ультразвуковых волн
Дифракция света на ультразвуке
Поглощение и дисперсия ультразвука в жидкостях. Релаксационная теория
Гиперзвук. Рассеяние света на упругих тепловых волнах

"Звуковая оптика" (фокусирующие системы)

"Звуковая оптика"
Вогнутые зеркала (рефлекторы)
Акустические линзы
Зональные пластинки
Ультразвуковой "микроскоп"

Второй звук в жидком гелии
Распространение звука в море

Особенности распространения звука в море
Рефракция звуковых лучей
Слой скачка
Влияние пузырьков воздуха
Влияние температурных неоднородностей
Реверберация моря
Глубокий звуковой канал. Сверхдальнее распространение звука

Гидроакустика и гидролокация

Звуковое измерение глубин. Эхолоты
Горизонтальный эхолот. Гидролокатор
Шумопеленгование

Глава 8. Ультразвуковые волны большой интенсивности. Ударные волны

Мощные ультразвуковые волны

Ультразвуковые волны большой интенсивности
Получение мощного ультразвука
Крепления кварцевых пластинок. Связь кварцевого излучателя с генератором

Акустический "ветер"

Акустическое течение (акустический "ветер")
Измерение поглощения ультразвука по скорости акустического "ветра"

Искажение формы ультразвуковой волны

Искажение формы волны в газах и жидкостях
Эксперименты по наблюдению искажения формы ультразвуковой волны в жидкости
Непосредственное наблюдение пилообразной формы волны

Поглощение плоских ультразвуковых волн конечной амплитуды

Влияние искажения формы волны на поглощение
Методы измерения коэффициента поглощения
Эксперименты по измерению поглощения волн конечной амплитуды

Кавитация

Ультразвуковая кавитация

Ударные волны

Образование ударной волны
Уравнение Гюгонио (ударная адиабата)
Скорость ударной волны
Скорость спутного движения
Ударные волны при обтекании тел сверхзвуковым потоком
Волны в свободных газовых струях
Газоструйный генератор ультразвука
Ударные волны в воде. Гидравлический удар

Глава 9. Звуковые и ультразвуковые волны в твёрдых телах

Упругие свойства твёрдых тел

Типы деформаций
Закон Гука. Деформации растяжения и сжатия. Модуль Юнга
Коэффициент Пуассона
Деформация сдвига. Модуль сдвига

Типы упругих волн. Измерение модулей упругости твёрдых тел акустическими методами

Продольные волны
Измерение модуля Юнга акустическим (динамическим) методом
Скорость продольных волн в сплошной среде
Поперечные волны или волны сдвига
Дисперсия продольных ультразвуковых волн в стержне
Групповая скорость. Скорость фронта. Скорость сигнала
Применение акустического метода к исследованию ферромагнитных металлов
Поверхностные волны
Отклонения от закона Гука. Пластические волны. Волны конечной амплитуды

Распространение упругих волн. Ультразвук в твёрдых телах.

Отражение и преломление волн на границе раздела
Измерение скорости и поглощения ультразвука
Поглощение упругих волн в твёрдых телах
Распространение упругих волн в гранулированной среде
Фотографирование ультразвуковых волн. Дифракция света
Тепловые механические колебания (флюктуации) пьезоэлектрических кристаллов
Ультразвуковая дефектоскопия металлов и сплавов
Ультразвуковые линии задержки
Воздействие ультразвука на твёрдые тела
Отражение звука упругими оболочками и пластинками. Явление аномального (незеркального) отражения и прохождения звука

Глава 10. Распространение упругих волн в земной коре

Землетрясения как источник упругих волн в земле
Обнаружение и запись сейсмических волн. Сейсмографы
Сейсмограммы землетрясений. Строение земного шара
Сейсмические методы разведки полезных ископаемых

Методы преломлённых волн
Методы отражённых волн

Техника сейсмической разведки

Литература

1.3. Распространение ультразвука

Пространство, в котором распространяются УЗ-волны, называют ультразвуковым полем. УЗ-волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое УЗ-волной за 1 с через 1 см2 площади, перпендикулярной к направле­нию распространения, называется интенсивностью ультразвука I. Для плоской волны при амплитуде смещения А

Произведение скорости С ультразвука на плотность среды называется удельным акустическим сопротивлением.

1.4. Свойства ультразвука

УЗ-колебания от генерато­ра-излучателя ИП распространяются в материале изде­лия. При наличии дефекта Д образуется отраженное поле. За дефектом при его значительных размерах имеется акустическая тень. Регистрируя с помощью приемника-преобразователяП ослабление УЗ-волны или с помощью преобразователя П2 (или ИП) эхо, т. е. отра­женную УЗ-волну, можно судить о наличии дефектов в материале. Это является основой двух наиболее распро­страненных методов УЗ-контроля: теневого и эхо-метода.

Рис. 1.1. Структура ультразвукового поля излучателя:

а — акустическое поле; б — изменение интенсивности вдоль луча; в — диаграмма направленности.

Рассмотрим наиболее важные дефектоскопические свойства УЗК: направленность УЗК, ближняя и дальняя зоны преобразователей, отражение УЗК от несплошностей, затухание, трансформация УЗК.

Направленность УЗК. При излучении пьезоэлементом (рис. 1.1, а) импульса УЗК в среде возникает УЗ-поле, которое имеет вполне определенные пространственные границы. Угол расхождения зависит от соот­ношения длины волны и диаметра излучателя2а:

Для малых углов . Как видно из выражения (1.5), направленность УЗ-поля тем выше (уголмень­ше), чем больше произведениеaf.

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности (рис. 1.1, в). Диаграмма характеризует угловую зависимость амплитуды поля в дальней зоне. Полярный уголотсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через цилиндрическую функцию Бесселя (пер­вого рода и первого порядка):

Анализ этого выражения показывает, что с увеличе­нием . илиaf направленность поля возрастает. При >0,6 в диаграмме, кроме основного, возникают боко­вые лепестки. Однако в них обычно сосредоточена малая часть (до 20 %) излучаемой энергии.

Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше фор­мула (1.5) показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближ­ней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси (рис. 1.1, б) , так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распростра­няется почти без расхождения.

Протяженность ближней зоны для цилиндрического излучателя

Из формулы (1.7) видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.

Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут тако­го же типа, что и падающая. Коэффициент отраже­ния R как отношение интенсивностей отраженной и па­дающей волн зависит от соотношения удельных акусти­ческих сопротивлений первой и вто­рой сред:

Из формулы (1.11) видно, что R не зависит от направ­ления УЗК через границу раздела сред

Коэффициент прохождения волны D=1-R. Чем боль­ше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.

Раскрытие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины раскрытием мм отражают около 90 % падаю­щей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служат несплошности раскрытием

Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.

Свойство отражения УЗ-волн служит основой для вы­явления несплошностей в металлах, поскольку акустиче­ские свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непровары, существенно отличаются от свойств основного ме­талла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия бо­лее 10-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R= 0,35 — 0,65 в зависимости от мар­ки флюса.

Оксидные плены, особенно в сварных швах алюмини­евых сплавов или при контактной сварке, выявляются плохо, несмотря на их достаточно большое раскрытие и протяженность. Причиной этого является близость акус­тических свойств дефекта и металла.

Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно вы­являть несплошности площадью S>1 мм2. При увеличе­нии частоты УЗК можно выявлять несплошности и с мень­шей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем ко­эффициент затухания различен для различных материа­лов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния

Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но ухо­дит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) зату­хание определяется главным образом поглощением уль­тразвука: Причемпропорционально либоf (стекло), либо f (пластмассы).

В металлах рассеяние преобладает над поглощением: брп, причем бп пропорционально f, а бр пропорциональ­но Р или р. Коэффициент рассеяния в металлах зависит от соотношения средней величины зерен D и длины 

УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом

Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажа­ло результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь >(10...100)D. Если это условие выполняется по верхнему пределу (>100D), то можно обычно контроли­ровать металл на глубину вплоть до 8 — 10 м и даже более.

При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебаний, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностей, ограничивающих контроли­руемое изделие) и структурной (из-за многократного от­ражения и рассеяния колебаний границами зерен ме­талла).

Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристал­ла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзеренная анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих ма­териалов.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области =(4-10)D.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Зату­хание 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е=2,718 — основание натуральных логарифмов, или число Непера). Эти единицы связаны соотношением 1 Нп/м = 8, 68 дБ/м.

В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см-1.

Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех из­делиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

С ростом частоты коэффициент затухания увеличива­ется, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.

Трансформация УЗК. Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их па­дению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразова­тели с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклон­но под углом Р к границе двух твердых сред происходит

Рис. 1.2. Отражение и преломление продольной волны на гра­нице раздела двух твердых сред.

трансформация (расщепление) этой волны (рис. 2.6, а). Возникают две преломленные волны (продольная и поперечная ) и две отраженные и . Углы прелом­ления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют зако­ном Снеллиуса. Записанный только для преломле­ния волн этот закон имеет вид

При увеличении угла падения , который соответст­вует углу плексигласовой призмы в наклонных преобра­зователях, углы ввода УЗК в металли также ме­няются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0 (рис. 1.2, б, в). При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом ме­талле луча , а потом — луча. Углы , соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению отвечает угол , а значениюугол

При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих слу­чаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразовате­лей выбирают обычно в интервале между двумя найден­ными выше критическими значениями:

Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащи­щенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.

Акустический тракт. Процессы преобразования энер­гии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электри­ческом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колеба­ния преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

Электрический тракт, определяющий амплиту­ду зондирующего импульса и коэффициент усиления, со­стоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультра­звука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задача мето­дики УЗ-контроля — расчет акустического тракта, т. е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала в зависимос­ти от акустических и геометрических параметров тракта.

УЗИ. Теория распространения ультразвуковых волн

Дмитрий Левкин

Ультразвук - механические колебания, превышающие диапазон частот, слышимый человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания распространяются по форме волны, подобной распространению света. Однако, в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругой среды, такой как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны и период.Количество циклов, выполняемых за одну секунду, называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Время, необходимое для завершения полного цикла, называется периодом и измеряется в секундах. Связь между частотой и периодом волны задается формулой:

,

  • где f - частота, Гц,
  • T - период, с

Рисунок 1 - Основные параметры ультразвуковой волны

Скорость звука в идеальном эластичном материале при данной температуре и давлении постоянна.Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

,

  • где λ - длина волны, м,
  • с - скорость звука, м / с

В твердых телах для продольных волн скорость звука [1]

,

  • где c l - скорость звука для продольных волн, м / с,
  • E - Модуль Юнга, Па,
  • μ - коэффициент Пуассона,
  • ρ - плотность, кг / м 3

Для поперечных волн скорость определяется по формуле

,

  • где c t - скорость звука для поперечных волн, м / с,
  • G - Модуль сдвига, Па

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты.Разброс скорости звука может быть обусловлен как физическими свойствами среды, так и наличием в ней посторонних включений, а также наличием границ тела, в котором распространяется звуковая волна.

В большинстве ультразвуковых методов используются продольные или поперечные волны. Существуют также другие формы распространения звука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны - волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещения и скоростями частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны - волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой лежат направления смещения и скорости частиц тела, так же, как и поперечные волны [2].


Рисунок 2 - Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость составляет примерно 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющаяся в твердой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Волны Лэмба - один из типов нормальных волн в упругом волноводе - пластине со свободными границами. Картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твердых телах, потому что эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины.

Интенсивность звука - это средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны, за единицу времени. Для периодического звука усреднение выполняется либо за период времени, превышающий период, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука - это величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для синусоидальной бегущей плоской волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

,

  • где р - амплитуда звукового давления, Па
  • v - амплитуда виброскорости частиц, м / с
  • ρ - плотность, кг / м 3
  • с - скорость звука, м / с

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.В стоячей волне I = 0, то есть в среднем нет потока звуковой энергии. Интенсивность ультразвука в плоской гармонической бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуется так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т.е. вектор, перпендикулярный волновому фронту.Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн разных частот, то аддитивность составляющих имеет место для вектора средней плотности потока звуковой энергии.

Для излучателей, которые создают плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , имея в виду удельную мощность излучателя , то есть излучаемую звуковую мощность на единицу площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в единицах СИ в Вт / м 2 .В ультразвуковой технике диапазон изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт / м 2 до сотен кВт / м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Звуковая мощность - энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность за единицу времени. Различайте мгновенное значение мощности ультразвука и среднее значение за период или за долгое время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука на единицу площади, так называемая средняя удельная мощность звука или интенсивность звука [2].

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Материал Плотность, кг / м 3 Скорость продольной волны, м / с Скорость поперечной волны, м / с Акустическое сопротивление, 10 3 кг / (м 2 * с)
Акрил 1180 2670 3,15
Воздух 0,1 330 0,00033
Алюминий 2700 6320 3130 17064
Латунь 8100 4430 2120 35 883
Медь 8900 4700 2260 41830
Стекло 3600 4260 2560 15,336
Никель 8800 5630 2960 49 544
Полиамид (нейлон) 1100 2620 1080 2 882
Сталь (низколегированная) 7850 5940 3250 46 629
Титан 4540 6230 3180 26 284
Вольфрам 19100 5460 2620 104 286
Вода (293К) 1000 1480 1,480

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание.Затухание ультразвука - это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит по ряду причин. Основные из них:

  • уменьшение амплитуды волны с удалением от источника из-за формы и размеров волны источника;
  • рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего поток энергии в начальном направлении распространения уменьшается;
  • поглощение ультразвука, т.е.е. необратимый перенос энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что при распространении волны от точечного или сферического источника излучаемая источником энергия распределяется по увеличивающейся поверхности волнового фронта и, соответственно, поток энергии через единицу поверхности. уменьшается, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растет с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны уменьшается пропорционально r -1 , а для цилиндрической волны - пропорционально r -1/2. .

Рассеяние ультразвука происходит за счет резкого изменения свойств среды - ее плотности и модулей упругости - на границе неоднородностей, размеры которых сопоставимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, капли жидкости, в водной среде - пузырьки воздуха, в твердых телах - различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. Д. Особый интерес представляет рассеяние на неоднородностях, хаотично распределенных в пространстве.

Поглощение ультразвука может быть связано с различными механизмами. Важную роль играют вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решетки и т. Д.

Затухание звука из-за рассеяния и поглощения описывается экспоненциальным законом уменьшения амплитуды с расстоянием, т. Е. Амплитуда пропорциональна e -δr , а интенсивность пропорциональна e -2δr , в отличие от степенной закон убывания амплитуды при расхождении волны, где δ - коэффициент затухания звука [2].

Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дБ / м), либо в неперах на метр (Нп / м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

,

  • где α - коэффициент затухания с расстоянием, 1 / м или Нп / м,
  • L - расстояние, м,
  • p (0) , p (L) - амплитуда звукового давления в начальной точке и на расстоянии L, Па

Определяется обратная постоянная времени (коэффициент затухания в зависимости от времени) [5]

,

  • где β - обратная постоянная времени, 1 / с или Np / s,
  • T - время, с,
  • p (0) , p (T) - амплитуда звукового давления в начале и после времени T соответственно, Па

Для измерения коэффициента также используется единица дБ / м, в данном случае

,

Децибел (дБ) - логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

,

  • где A 1 - амплитуда первого сигнала,
  • A 2 - амплитуда второго сигнала

Тогда соотношение между единицами измерения (дБ / м) и (1 / м) будет:

,

Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дБ / м), либо в неперах на метр (Нп / м) или эквивалентно м. -1 . Затухание 1 Нп / м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в e раз (e = 2.71 - основание натурального логарифма или числа Эйлера).

1 Нп / м = 8,68 дБ / м

Когда звуковая волна ударяется о границу раздела сред, часть энергии отражается в первой среде, а остальная энергия переходит во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, поступающей во вторую среду, определяется акустическим импедансом первой и второй сред. При отсутствии дисперсии скорости звука акустический импеданс не зависит от формы волны и выражается формулой:

,

  • где Z - акустическое сопротивление, кг / (м 2 с),
  • ρ - плотность, кг / м 3 ,
  • с - скорость звука, м / с

Коэффициенты отражения и передачи будут определяться следующим образом

,

  • где R - коэффициент отражения звукового давления [1],
  • Z 1 - акустическое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг / (м 2 с),
  • Z 2 - акустическое сопротивление второго вещества, в которое проходит звуковая волна, кг / (м 2 с)

,

  • где D - коэффициент передачи звукового давления

Следует также отметить, что если вторая среда акустически более мягкая, т.е.е. Z 1 > Z 2 , то при отражении фаза волны меняется на 180 ° [1].

Коэффициент передачи энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, переходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

,

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения фаз волн, складываемых в той или иной точке пространства.Когда добавляются гармонические волны одной и той же частоты, результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух мешающих волн этот рисунок на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и затухания амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы являются прямолинейными с амплитудой, которая изменяется по полосам в соответствии с изменением разности фаз.Важным частным случаем интерференции является сложение плоской волны с ее отражением от плоской границы; в этом случае образуется стоячая волна, плоскости узлов и пучностей которой расположены параллельно границе.

Дифракция звука - это отклонение поведения звука от геометрической акустики из-за волновой природы звука. Результатом дифракции звука является расхождение ультразвуковых лучей при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, изгиб звуковых волн в область тени за большими по сравнению с длиной волны препятствиями, отсутствие тени за препятствиями, которые малы по сравнению с длиной волны, и т. д.Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещенных в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями.

Излучатели ультразвука - это устройства, используемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют энергию другого вида в энергию звукового поля.

Наиболее широко используемыми ультразвуковыми излучателями являются электроакустические преобразователи .В подавляющем большинстве ультразвуковых излучателей этого типа, а именно в пьезопреобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластины, стержня, диафрагма и т. д.), которая излучает акустические волны в окружающую среду. Все эти преобразователи, как правило, линейные, поэтому колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; только при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхнего предела динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникать нелинейные искажения.

В преобразователе, предназначенном для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которой настроен генератор, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не имеющие твердотельной излучающей системы, относительно редко используются в качестве излучателей ультразвука; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

Вам нужно рассчитать параметры пьезоэлектрического преобразователя?
Свяжитесь с нами по электронной почте [email protected] или [email protected]!

Основными характеристиками ультразвуковых излучателей являются их частотный спектр , излучаемая звуковая мощность , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются уменьшением излучаемой мощности вдвое по сравнению с ее значением на частота максимального излучения.Для резонансных электроакустических преобразователей рабочая частота - это собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустической эффективностью и собственным электрическим сопротивлением.

Чувствительность излучателя ультразвука - это отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определенном расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нем или к току течет в нем.Эта характеристика применима к ультразвуковым излучателям, используемым в звуковых сигналах тревоги, сонарах и других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, используемых, например, при ультразвуковой очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основным параметром является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, ультразвуковые излучатели характеризуются удельной мощностью (поверхностная плотность мощности) , то есть средней мощностью на единицу площади излучающей поверхности или средней интенсивностью излучения в ближнем поле, оцененной Вт / м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в среду зондирования, характеризуется величиной их электроакустической эффективности , которая представляет собой отношение излучаемой акустической мощности к потребляемой электрической мощности. В акустоэлектронике для оценки эффективности ультразвуковых излучателей используется так называемый коэффициент электрических потерь, который равен отношению (в дБ) электрической мощности к акустической мощности. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и т.п., характеризуется так называемым коэффициентом полезного действия, который представляет собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности. потребляется преобразователем.Иногда эффективный коэффициент электромеханической связи используется для характеристики преобразования энергии в ультразвуковых излучателях.

Звуковое поле преобразователя разделено на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона - это область непосредственно перед преобразователем, где амплитуда эхо-сигнала проходит через серию максимумов и минимумов. Ближайшая зона заканчивается последним максимумом, который находится на расстоянии N от преобразователя. Известно, что место последнего максимума является естественным фокусом преобразователя.Дальняя зона - это область за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].


Рисунок 3 - Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси, в свою очередь, зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

,

  • где N - длина ближнего поля, м,
  • D - диаметр излучателя, м,
  • λ - длина волны, м

Однако, поскольку D обычно намного больше, чем λ, уравнение можно упростить и привести к виду

,


Рисунок 4 - Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя.

Различные области применения ультразвука, в которых используются его различные возможности, можно условно разделить на три направления. Первый связан с получением информации с помощью ультразвуковых волн, второй - с активным воздействием на вещество, а третий - с обработкой и передачей сигналов (направления указаны в порядке их исторического формирования). Для каждого конкретного применения используется ультразвук определенного частотного диапазона.

Получение информации ультразвуковыми методами .Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и структуры веществ, для выяснения происходящих в них процессов на макро- и микроуровне. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и процессов, происходящих в них.

Действие ультразвука на вещество . Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нем, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющие на их течение, в большинстве случаев обусловлено нелинейными эффектами в звуковом поле.Этот эффект широко используется в промышленной технике; При этом задачи, решаемые с помощью ультразвуковой техники, как и сам механизм ультразвукового воздействия, различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов . Ультразвуковые устройства используются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных областях радиоэлектроники, например, в радарах, связи, вычислительной технике, а также для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике.В устройствах управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: низкая скорость распространения по сравнению с электромагнитными волнами; низкое поглощение в кристаллах и, соответственно, высокая добротность резонаторов [2].

    Список литературы

  • J. Krautkrämer, H. Krautkrämer. Ультразвуковой контроль материалов. - М .: 1991.
  • .
  • Голямина И.П. Ультразвук.-Москва .: Советская энциклопедия, 1979,
  • .
  • General Electric Sensing.Технические примечания к ультразвуковым преобразователям - Panametrics, ltd
  • Под редакцией И.С. Григорьев, Э. Мейлихов. Справочник физических величин.-М .: 1991.
  • .
  • Б.А. Агранат, В.И. Башкиров, Ю.И. Китайгородский, Н. Гавский. Ультразвуковая техника. -М .: Металлургия, 1974.
  • .
  • Балдев Радж, В. Раджендран, П. Паланиками. Применение ультразвука.-М .: Техносфера, 2006.
  • .

УЗИ | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите акустический импеданс и коэффициент отражения по интенсивности.
  • Описать медицинское и другое применение ультразвуковой техники.
  • Рассчитайте акустический импеданс, используя значения плотности и скорости ультразвука.
  • Рассчитайте скорость движущегося объекта с помощью ультразвука с доплеровским смещением.

Рис. 1. Ультразвук используется в медицине для безболезненного и неинвазивного мониторинга здоровья пациента и диагностики широкого спектра заболеваний. (Источник: abbybatchelder, Flickr)

Любой звук с частотой выше 20 000 Гц (или 20 кГц), то есть выше самой высокой слышимой частоты, определяется как ультразвук.На практике можно создавать ультразвуковые частоты до гигагерца. (Трудно создать более высокие частоты; кроме того, они плохо распространяются, потому что очень сильно поглощаются.) Ультразвук имеет огромное количество применений, которые варьируются от охранной сигнализации до использования для очистки деликатных предметов до систем наведения летучих мышей. Мы начнем обсуждение ультразвука с некоторых его применений в медицине, где он широко используется как для диагностики, так и для терапии.

Характеристики ультразвука

Характеристики ультразвука, такие как частота и интенсивность, являются волновыми свойствами, общими для всех типов волн. У ультразвука также есть длина волны, которая ограничивает детальность, которую он может обнаружить. Эта характеристика верна для всех волн. Мы никогда не сможем наблюдать детали, значительно меньшие, чем длина волны нашего зонда; например, мы никогда не увидим отдельные атомы в видимом свете, потому что атомы настолько малы по сравнению с длиной волны света.

Ультразвук в лечебной терапии

Ультразвук, как и любая волна, несет энергию, которая может быть поглощена несущей его средой, создавая эффекты, которые зависят от интенсивности. При фокусировке с интенсивностью от 10 3 до 10 5 Вт / м 2 , ультразвук можно использовать для дробления желчных камней или измельчения раковой ткани в хирургических процедурах. (См. Рис. 2.) Такая большая интенсивность может повредить отдельные клетки, по-разному заставляя протоплазма течь внутри них, изменяя их проницаемость или разрушая их стенки посредством кавитации .Кавитация - это создание паровых полостей в жидкости - продольные колебания в ультразвуке попеременно сжимают и расширяют среду, а при достаточных амплитудах расширение разделяет молекулы. Большинство кавитационных повреждений происходит, когда полости разрушаются, вызывая еще большее ударное давление.

Рис. 2. Наконечник этого маленького зонда колеблется на частоте 23 кГц с такой большой амплитудой, что при контакте измельчает ткань. Затем мусор отсасывается. Скорость наконечника может превышать скорость звука в ткани, создавая, таким образом, ударные волны и кавитацию, а не гладкую простую гармоническую волну типа осциллятора.

Большая часть энергии, переносимой ультразвуком высокой интенсивности в ткани, преобразуется в тепловую энергию. Фактически, интенсивности от 10 3 до 10 4 Вт / м 2 обычно используются для глубокой термической обработки, называемой ультразвуковой диатермией. Типичные частоты от 0,8 до 1 МГц. И в легкой атлетике, и в физиотерапии ультразвуковая диатермия чаще всего применяется к травмированным или перегруженным мышцам, чтобы облегчить боль и улучшить гибкость. Терапевту необходимы навыки, чтобы избежать «ожогов костей» и других повреждений тканей, вызванных перегревом и кавитацией, которые иногда усугубляются отражением и фокусировкой ультразвука суставной и костной тканью.

В некоторых случаях вы можете встретить другую шкалу децибел, называемую уровнем давления звука , , когда ультразвук распространяется в воде или в человеческих и других биологических тканях. Мы не будем использовать здесь шкалу, но следует отметить, что числа для уровней звукового давления находятся в диапазоне от 60 до 70 дБ выше, чем вы указываете для β , уровня интенсивности звука, используемого в этом тексте. Если вы столкнетесь с уровнем звукового давления 220 децибел, значит, это не астрономически высокая интенсивность, а примерно 155 дБ - достаточно высокий уровень, чтобы разрушить ткань, но не такой необоснованно высокий, как может показаться на первый взгляд.

Ультразвук в медицинской диагностике

При использовании для визуализации ультразвуковые волны излучаются преобразователем, кристаллом, демонстрирующим пьезоэлектрический эффект (расширение и сжатие вещества при приложении к нему напряжения, вызывающее вибрацию кристалла). Эти высокочастотные колебания передаются на любую ткань, соприкасающуюся с датчиком. Точно так же, если к кристаллу приложить давление (в форме волны, отраженной от слоев ткани), создается напряжение, которое может быть записано.Таким образом, кристалл действует как передатчик и приемник звука. Ультразвук также частично поглощается тканью на своем пути, как на пути от датчика, так и на обратном пути. С момента, когда исходный сигнал отправлен, и когда получены отражения от различных границ между средами (а также мера потери интенсивности сигнала), природа и положение каждой границы между тканями и органами могут изменяться. сделал вывод.

Отражения на границах между двумя разными средами возникают из-за различий в характеристике, известной как акустический импеданс Z каждого вещества.Импеданс определяется как Z = ρv , где ρ - плотность среды (в кг / м 3 ), а v - скорость звука в среде (в м / с). Таким образом, единицы измерения для Z - кг / (м 2 · с).

Таблица 1 показывает плотность и скорость звука через различные среды (включая различные мягкие ткани) и соответствующие акустические импедансы. Обратите внимание, что акустические импедансы мягких тканей не сильно различаются, но существует большая разница между акустическим импедансом мягких тканей и воздуха, а также между мягкими тканями и костью.

Таблица 1. Ультразвуковые свойства различных сред, включая мягкие ткани, обнаруженные в теле
Средний Плотность (кг / м 3 ) Скорость ультразвука (м / с) Акустический импеданс (кг / (м 2 · с))
Воздух 1,3 330 429
Вода 1000 1500 1,5 × 10 6
Кровь 1060 1570 1.66 × 10 6
жир 925 1450 1,34 × 10 6
Мышцы (в среднем) 1075 1590 1,70 × 10 6
Кость (варьируется) 1400–1900 4080 5,7 × 10 от 6 до 7,8 × 10 6
Титанат бария (материал преобразователя) 5600 5500 30.8 × 10 6

На границе между средами с разным акустическим импедансом часть энергии волны отражается, а часть передается. Чем больше разница в акустическом импедансе между двумя средами, тем больше отражение и меньше пропускание.

Коэффициент отражения интенсивности a определяется как отношение интенсивности отраженной волны к падающей (прошедшей) волне.2} \\ [/ latex], где Z 1 и Z 2 - акустические импедансы двух сред, образующих границу. Нулевой коэффициент отражения (соответствующий полному пропусканию и отсутствию отражения) возникает, когда акустические импедансы двух сред одинаковы. Согласование импеданса (отсутствие отражения) обеспечивает эффективную передачу звуковой энергии от одной среды к другой. Изображение, сформированное с помощью ультразвука, создается путем отслеживания отражений (как показано на рисунке 3) и отображения интенсивности отраженных звуковых волн в двухмерной плоскости.

Рис. 3. (a) Ультразвуковой динамик служит микрофоном. Передаются короткие звуковые сигналы, а эхо записывается с разной глубины. (б) График зависимости интенсивности эхо-сигнала от времени. Время возврата эхо-сигналов прямо пропорционально расстоянию до отражателя, что позволяет неинвазивно получать эту информацию.

Пример 1. Расчет акустического импеданса и коэффициента отражения интенсивности: ультразвук и жировая ткань

  1. Используя значения плотности и скорости ультразвука, приведенные в таблице 1, покажите, что акустический импеданс жировой ткани действительно равен 1.34 × 10 6 кг / (м 2 · с).
  2. Рассчитайте коэффициент отражения ультразвука по интенсивности при переходе от жира к мышечной ткани.
Стратегия для части 1

Акустический импеданс можно рассчитать, используя Z = ρv и значения для ρ и v , приведенные в таблице 1.

Решение для Части 1

Заменить известные значения из таблицы 1 на Z = ρv : Z = ρv = (925 кг / м 3 ) (1450 м / с)

Рассчитайте, чтобы найти акустический импеданс жировой ткани: 1.2} = 0,014 \ [/ латекс]

Обсуждение

Этот результат означает, что только 1,4% падающей интенсивности отражается, а оставшаяся часть передается.

Применение ультразвука в медицинской диагностике принесло неописуемые преимущества при неизвестных рисках. Интенсивность диагностики слишком низкая (около 10 −2 Вт / м 2 ), чтобы вызвать тепловое повреждение. Что еще более важно, ультразвук используется в течение нескольких десятилетий, и подробные последующие исследования не показывают доказательств побочных эффектов, в отличие от рентгеновских лучей.

Наиболее распространенные ультразвуковые приложения создают изображение, подобное изображенному на рисунке 4. Динамик-микрофон передает направленный луч, охватывающий интересующую область. Это достигается за счет наличия нескольких источников ультразвука в головке зонда, которые синхронизированы для конструктивного взаимодействия в заданном регулируемом направлении. Эхо измеряется в зависимости от положения и глубины. Компьютер создает изображение, которое показывает форму и плотность внутренних структур.

Рис. 4. (a) Ультразвуковое изображение создается путем движения ультразвукового луча по интересующей области, в данном случае живота женщины. Данные записываются и анализируются на компьютере, обеспечивая двухмерное изображение. (б) Ультразвуковое изображение 12-недельного плода. (Источник: Маргарет В. Каррутерс, Flickr)

Какую детализацию может выявить ультразвуковое исследование? Изображение на Рисунке 4 типично для недорогих систем, но изображение на Рисунке 5 показывает замечательные детали, которые возможны в более продвинутых системах, включая 3D-изображения.Сегодня ультразвук широко используется в дородовой помощи. Такое изображение можно использовать, чтобы увидеть, развивается ли плод нормальными темпами, и помочь в определении серьезных проблем на ранних сроках беременности. Ультразвук также широко используется для визуализации камер сердца и кровотока в бьющемся сердце с использованием эффекта Доплера (эхокардиология).

Рис. 5. Трехмерное ультразвуковое изображение плода. Помимо выявления каких-либо отклонений, такое сканирование также оказалось полезным для усиления эмоциональной связи между родителями и их будущим ребенком.6 \ text {Hz}} = 0,22 \ text {мм} \\ [/ latex]. На практике достижима детализация в 1 мм, чего достаточно для многих целей. Ультразвук с более высокой частотой позволяет получить более подробную информацию, но он не проникает так же хорошо, как более низкие частоты. Общепринятое эмпирическое правило заключается в том, что вы можете эффективно сканировать ткани на глубину примерно 500 λ . Для 7 МГц этот предел проникновения составляет 500 × 0,22 мм, что составляет 0,11 м. Более высокие частоты могут использоваться в меньших органах, таких как глаз, но не подходят для глубокого изучения тела.

В дополнение к информации о форме ультразвуковое сканирование может дать информацию о плотности, превосходящую ту, что обнаруживается в рентгеновских лучах, потому что интенсивность отраженного звука связана с изменениями плотности. Звук наиболее сильно отражается в местах, где изменение плотности наиболее велико.

Рис. 6. На этом ультразвуковом изображении частично закупоренной артерии с доплеровским смещением используется цвет для обозначения скорости. Самые высокие скорости отмечены красным цветом, а самые низкие - синим. Кровь должна проходить через сужение быстрее, чтобы нести тот же поток.(Источник: Arning C, Grzyska U, Wikimedia Commons)

Еще одно важное применение ультразвука в медицинской диагностике - обнаружение движения и определение скорости посредством доплеровского сдвига эхо-сигнала, известного как ультразвук с доплеровским сдвигом . Этот метод используется, например, для мониторинга сердцебиения плода, измерения скорости кровотока и обнаружения окклюзий в кровеносных сосудах. (См. Рис. 6.) Величина доплеровского сдвига в эхо прямо пропорциональна скорости всего, что отражает звук.Поскольку задействовано эхо, на самом деле происходит двойной сдвиг. Первое происходит потому, что рефлектор (скажем, сердце плода) является движущимся наблюдателем и принимает частоту с доплеровским смещением. Затем отражатель действует как движущийся источник, вызывая второй доплеровский сдвиг.

Для измерения доплеровского сдвига эхо-сигнала используется хитроумный метод. Частота отраженного звука накладывается на частоту вещания, создавая биения. Частота биений F B = | f 1 - f 2 |, поэтому он прямо пропорционален доплеровскому сдвигу ( f 1 - f 2 ) и, следовательно, скорости рефлектора.Преимущество этого метода заключается в том, что доплеровский сдвиг невелик (поскольку скорость отражателя мала), поэтому для непосредственного измерения сдвига потребуется большая точность. Но измерить частоту биений легко, и на нее не повлияет небольшое изменение частоты вещания. Кроме того, частота биений находится в слышимом диапазоне и может быть усилена для звуковой обратной связи с медицинским наблюдателем.

Применение для радара с доплеровским сдвигом

Радиолокационные эхосигналы с доплеровским смещением используются для измерения скорости ветра во время шторма, а также скорости самолетов и автомобилей.Принцип такой же, как и для ультразвука с допплеровским сдвигом. Есть свидетельства того, что летучие мыши и дельфины также могут ощущать скорость объекта (например, добычи), отражая их ультразвуковые сигналы, наблюдая его доплеровский сдвиг.

Пример 2. Расчет скорости кровотока: ультразвук с допплеровским сдвигом

Рис. 7. Ультразвук частично отражается кровяными тельцами и плазмой обратно в сторону динамика-микрофона. Поскольку клетки движутся, возникают два доплеровских сдвига - один для крови как движущегося наблюдателя, а другой для отраженного звука, исходящего от движущегося источника.Величина сдвига прямо пропорциональна скорости кровотока.

Ультразвук с частотой 2,50 МГц направляется к крови в артерии, которая движется к источнику со скоростью 20,0 см / с, как показано на рисунке 7. Используйте скорость звука в ткани человека как 1540 м / с. (Предположим, что частота 2,50 МГц имеет точность до семи значащих цифр.)

  1. С какой частотой поступает кровь?
  2. Какая частота возвращается к источнику?
  3. Какая частота биений получается при смешивании исходной и обратной частот?
Стратегия

На первые два вопроса можно ответить, используя

[латекс] f _ {\ text {obs}} = f _ {\ text {s}} \ left (\ frac {v _ {\ text {w}}}} {v _ {\ text {w}} \ pm {v} _ {\ text {s}}} \ right) \\ [/ latex] и [latex] f _ {\ text {obs}} = f _ {\ text {s}} \ left (\ frac {v _ {\ text { w}} \ pm {v} _ {\ text {obs}}} {v _ {\ text {w}}} \ right) \\ [/ latex]

для доплеровского сдвига.Последний вопрос касается частоты биений, которая представляет собой разницу между исходной и возвращаемой частотами.

Решение для Части 1

Определить известных:

  • Кровь - движущийся наблюдатель, поэтому частота, которую она принимает, дается

[латекс] f _ {\ text {obs}} = f _ {\ text {s}} \ left (\ frac {v _ {\ text {w}} \ pm {v} _ {\ text {obs}}} {v _ {\ text {w}}} \ right) \\ [/ latex].

  • v b - это скорость кровотока (здесь v obs ), а знак плюс выбран, потому что движение направлено к источнику.

Введите указанные значения в уравнение.

[латекс] f _ {\ text {obs}} = \ left (2,500,000 \ text {Hz} \ right) \ left (\ frac {1540 \ text {m / s} +0.2 \ text {m / s}} { 1540 \ text {m / s}} \ right) \\ [/ latex]

Рассчитайте, чтобы найти частоту: 20 500 325 Гц.

Решение для Части 2

Определить известных:

  • Кровь действует как движущийся источник.
  • Микрофон действует как неподвижный наблюдатель.
  • Частота на выходе из крови составляет 2 500 325 Гц, но она сдвинута вверх, как указано [latex] f _ {\ text {obs}} = f _ {\ text {s}} \ left (\ frac {v _ {\ text {w }}} {v _ {\ text {w}} - v _ {\ text {b}}} \ right) \\ [/ latex]. f obs - частота, принимаемая динамиком-микрофоном.
  • Скорость источника v b .
  • Знак минус используется, потому что движение направлено к наблюдателю.

Знак минус используется, потому что движение направлено к наблюдателю.

Введите указанные значения в уравнение:

[латекс] \ displaystyle {f} _ {\ text {obs}} = \ left (2,500,325 \ text {Hz} \ right) \ left (\ frac {1540 \ text {m / s}} {1540 \ text { м / с} -0.200 \ text {m / s}} \ right) \\ [/ latex]

Рассчитайте, чтобы найти частоту, возвращающуюся к источнику: 2 500 649 Гц.

Решение для части 3

Определить известных. Частота биений - это просто абсолютное значение разницы между f s и f obs , как указано в:

f B = | f obs - f s |.

Заменить известные значения:

| 2 500 649 Гц - 2 500 000 Гц |

Рассчитайте, чтобы найти частоту биений: 649 Гц.

Обсуждение

Доплеровские сдвиги довольно малы по сравнению с исходной частотой 2,50 МГц. Намного легче измерить частоту биений, чем частоту эхо-сигнала с точностью, достаточной для того, чтобы увидеть сдвиги в несколько сотен герц из пары мегагерц. Кроме того, изменения частоты источника не сильно влияют на частоту биений, потому что и f s и f obs будут увеличиваться или уменьшаться.Эти изменения вычитаются из f B = | f obs - f s |.

Промышленное и другое применение ультразвука

Ультразвук широко используется в промышленности, розничной торговле и исследованиях. Некоторые из них обсуждаются здесь. У ультразвуковых очистителей есть много применений. Ювелирные изделия, обработанные детали и другие предметы, имеющие необычную форму и щели, погружаются в очищающую жидкость, которая перемешивается ультразвуком, как правило, с частотой около 40 кГц.Интенсивность достаточно велика, чтобы вызвать кавитацию, которая отвечает за большую часть очищающего действия. Поскольку создаваемые кавитацией ударные давления велики и хорошо передаются в жидкости, они достигают небольших щелей, куда не может проникнуть даже чистящая жидкость с низким поверхностным натяжением.

Sonar - это знакомое приложение ультразвука. Сонар обычно использует ультразвуковые частоты в диапазоне от 30,0 до 100 кГц. Летучие мыши, дельфины, подводные лодки и даже некоторые птицы используют ультразвуковой сонар.Отголоски анализируются, чтобы дать информацию о расстоянии и размере как для направления, так и для поиска добычи. В большинстве сонаров звук отражается достаточно хорошо, потому что интересующие объекты имеют значительно отличающуюся плотность от среды, в которой они перемещаются. Когда наблюдается доплеровский сдвиг, также можно получить информацию о скорости. Для получения такой информации можно использовать подводный гидролокатор, и есть свидетельства того, что некоторые летучие мыши также чувствуют скорость по своим эхо-сигналам.

Точно так же существует ряд относительно недорогих устройств, которые измеряют расстояние по времени ультразвуковых эхо-сигналов.Например, многие камеры используют такую ​​информацию для автоматической фокусировки. Некоторые двери открываются, когда их ультразвуковые дальномеры обнаруживают близлежащий объект, а некоторые огни домашней безопасности включаются, когда их ультразвуковые рейнджеры наблюдают за движением. Ультразвуковые «измерительные ленты» также существуют для измерения таких вещей, как размеры помещения. Раковины в общественных туалетах иногда автоматизируются с помощью ультразвуковых устройств, которые включают и выключают смесители, когда люди моют руки. Эти устройства уменьшают распространение микробов и могут экономить воду.

Ультразвук используется для неразрушающего контроля в промышленности и в армии. Поскольку ультразвук хорошо отражает любое большое изменение плотности, он может выявить трещины и пустоты в твердых телах, таких как крылья самолета, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью рентгеновских лучей. По тем же причинам ультразвук также хорошо подходит для измерения толщины покрытий, особенно там, где задействовано несколько слоев.

В фундаментальных исследованиях физики твердого тела используется ультразвук. Его затухание связано с рядом физических характеристик, что делает его полезным пробником.Среди этих характеристик - структурные изменения, например, обнаруженные в жидких кристаллах, переход материала в сверхпроводящую фазу, а также плотность и другие свойства.

Эти примеры использования ультразвука призваны разжечь аппетиты любопытных, а также проиллюстрировать физику, лежащую в основе ультразвука. Есть еще много других приложений, в которых вы легко можете убедиться сами.

Проверьте свое понимание

Почему можно использовать ультразвук как для наблюдения за плодом в утробе матери, так и для уничтожения раковых опухолей в организме?

Решение

Ультразвук можно использовать в медицине с различной интенсивностью.Более низкие интенсивности не вызывают повреждений и используются для медицинской визуализации. Более высокая интенсивность может распылять и разрушать целевые вещества в организме, такие как опухоли.

Сводка раздела

  • Акустический импеданс определяется как Z = ρv , ρ - это плотность среды, через которую распространяется звук, а v - это скорость звука в этой среде.
  • Интенсивный коэффициент отражения a , мера отношения интенсивности волны, отраженной от границы между двумя средами, по отношению к интенсивности падающей волны, определяется как

[латекс] a = \ frac {{\ left ({Z} _ {2} - {Z} _ {1} \ right)} ^ {2}} {{\ left ({Z} _ {1} + {Z} _ {2} \ right)} ^ {2}} \\ [/ latex].

  • Коэффициент отражения по интенсивности является безразмерной величиной.

Концептуальные вопросы

  1. Если слышимый звук следует эмпирическому правилу, аналогичному правилу для ультразвука, с точки зрения его поглощения, ожидаете ли вы, что высокие или низкие частоты из стереосистемы вашего соседа проникнут в ваш дом? Как это ожидание соотносится с вашим опытом?
  2. Известно, что слоны и киты используют инфразвук для связи на очень больших расстояниях.В чем преимущества инфразвука для междугородной связи?
  3. У людей с избыточным весом получить ультразвуковое изображение с высоким разрешением в области живота труднее, чем у людей с небольшим телосложением. Объясните, почему это утверждение верно.
  4. Предположим, вы читаете, что ультразвук 210 дБ используется для измельчения раковых опухолей. Вы рассчитываете интенсивность в ваттах на квадратный сантиметр и обнаруживаете, что она необоснованно высока (10 5 Вт / см 2 ).Какое возможное объяснение?

Задачи и упражнения

Если не указано иное, для задач в этом разделе предполагается, что скорость звука через ткани человека составляет 1540 м / с.

  1. Каков уровень интенсивности звука в децибелах у ультразвука с интенсивностью 10 5 Вт / м 2 , используемого для измельчения тканей во время операции?
  2. Используется ли ультразвук 155 дБ в диапазоне интенсивности для глубокого нагрева? Рассчитайте интенсивность этого ультразвука и сравните ее со значениями, указанными в тексте.
  3. Найдите уровень интенсивности звука в децибелах 2,00 × 10 −2 Вт / м 2 Ультразвук, используемый в медицинской диагностике.
  4. Временная задержка между передачей и приходом отраженной волны сигнала с использованием ультразвука, проходящего через кусок жировой ткани, составляла 0,13 мс. На какой глубине произошло это отражение?
  5. При клиническом использовании ультразвука датчики всегда прикрепляются к коже тонким слоем геля или масла, заменяя воздух, который в противном случае существовал бы между датчиком и кожей.(a) Используя значения акустического импеданса, приведенные в таблице 1, рассчитайте коэффициент отражения по интенсивности между материалом преобразователя и воздухом. (b) Рассчитайте коэффициент отражения по интенсивности между материалом преобразователя и гелем (предполагая для этой задачи, что его акустический импеданс идентичен акустическому импедансу воды). (c) Основываясь на результатах ваших расчетов, объясните, почему используется гель.
  6. (a) Вычислите минимальную частоту ультразвука, которая позволит вам видеть детали размером до 0.250 мм в тканях человека. б) На какой эффективной глубине этот звук эффективен в качестве диагностического зонда?
  7. (a) Найдите размер мельчайших деталей, наблюдаемых в человеческих тканях с помощью ультразвука 20,0 МГц. (b) Достаточно ли велика его эффективная глубина проникновения, чтобы исследовать весь глаз (требуется около 3,00 см)? (c) Какова длина волны такого ультразвука в воздухе при 0ºC?
  8. (a) Время эхо измеряется диагностическими ультразвуковыми сканерами для определения расстояний до отражающих поверхностей пациента.Какая разница во времени эха для тканей, которые находятся на 3,50 и 3,60 см ниже поверхности? (Эта разница представляет собой минимальное время разрешения, при котором сканер может видеть детали размером от 0,100 см или 1,00 мм. Чтобы увидеть более мелкие детали, необходимо различать меньшие разницы во времени.) (B) Обсудите, является ли период T этого УЗИ должно быть меньше минимального разрешения по времени. Если да, то какова минимальная частота ультразвукового исследования и выходит ли она за пределы нормального диапазона диагностического ультразвука?
  9. (a) Насколько далеко друг от друга находятся два слоя ткани, которые производят эхосигналы, время прохождения которых туда и обратно (используется для измерения расстояний) отличается на 0.750 мкс? б) Какая минимальная частота должна быть у ультразвука, чтобы увидеть такие маленькие детали?
  10. (a) Летучая мышь использует ультразвук, чтобы найти путь среди деревьев. Если эта летучая мышь может обнаруживать эхо-сигналы с интервалом 1,00 мс, какое минимальное расстояние между объектами она может обнаруживать? б) Может ли такое расстояние объяснить трудности, с которыми летучие мыши находят открытую дверь, когда они случайно попадают в дом?
  11. Дельфин может сказать в темноте, что ультразвуковые эхо, полученные от двух акул, исходят от двух разных объектов, только если акулы разделены на 3 точки.50 м, причем один из них намного дальше, чем другой. (а) Если ультразвук имеет частоту 100 кГц, покажите, что эта способность не ограничена его длиной волны. (b) Если эта способность обусловлена ​​способностью дельфина обнаруживать время прихода эхо-сигналов, какова минимальная разница во времени, которую дельфин может воспринимать?
  12. Диагностическое ультразвуковое эхо отражается от движущейся крови и возвращается с частотой на 500 Гц выше исходной 2,00 МГц. Какова скорость кровотока? (Предположим, что частота 2.00 МГц соответствует семи значащим цифрам, а 500 Гц - трем значащим цифрам.)
  13. Ультразвук, отраженный от встречного кровотока, движущегося со скоростью 30,0 см / с, смешивается с исходной частотой 2,50 МГц для получения биений. Какая частота биений? (Предположим, что частота 2,50 МГц имеет точность до семи значащих цифр.)

Глоссарий

акустический импеданс: свойство среды, затрудняющее распространение звуковых волн

коэффициент отражения интенсивности: мера отношения интенсивности волны, отраженной от границы между двумя средами, по отношению к интенсивности падающей волны

Ультразвук с доплеровским сдвигом: медицинский метод обнаружения движения и определения скорости посредством доплеровского сдвига эхо-сигнала

Избранные решения проблем и упражнения

1. {3} \ text {Hz}} = 0.0154 \ text {m} <3.50 \ text {m} \\ [/ latex]. Поскольку длина волны намного короче рассматриваемого расстояния, длина волны не является ограничивающим фактором; (б) 4,55 мс

13.974 Гц (Примечание: дополнительные цифры были сохранены, чтобы показать разницу.)

Ультразвуковая волна - обзор

4.2 Упругие постоянные в кубической аустенитной фазе

В длинноволновом пределе твердое тело ведет себя упруго, и динамика его решетки количественно определяется упругими константами.Для кубической симметрии существует только три независимых упругих константы, и они могут быть получены из скоростей ультразвуковых волн, распространяющихся вдоль направлений симметрии. Наиболее часто используемый метод измерения скорости ультразвука - это эхо-импульсный метод. Упругие постоянные C L = ( C 11 + C 12 + 2 C 44 ) / 2 для продольных волн и C 44 и C ′ = ( C 11 - C 12 ) / 2 для поперечных волн, поляризованных, соответственно, вдоль направлений [001] и [11¯0], можно вычислить из измерений вдоль направления [110].В сплавах с магнитной памятью формы на основе Ni – Mn наблюдается сильное затухание в режимах медленного сдвига, и во многих случаях отсутствие надежных эхо-сигналов препятствует прямому определению C '. В этом случае C 11 получается из продольных измерений вдоль направлений [100], а C ′ вычисляется как C ′ = C 11 + C 44 - С Л . Следует учитывать, что относительная погрешность этой процедуры может быть большой.

В таблице 4.1 мы собрали значения комнатной температуры для C 11 , C L , C 44 и C ′ для Ni – Mn – Ga (Mañosa et al., 1997; Stipcich et al., 2004; Worgull et al., 1996), кристаллы Ni – Mn – Al (Moya et al., 2006c) и Ni – Mn – In (Moya et al., 2009). Данные сравниваются со значениями, вычисленными по наклону соответствующих ветвей дисперсии фононов в центре зоны Бриллюэна из обоих экспериментов по рассеянию нейтронов (Moya et al., 2006b, 2009; Zheludev et al., 1996) и ab initio расчетов (Büsgen et al., 2004; Zayak et al., 2003, 2005). В пределах ошибок наблюдается хорошее согласие значений, полученных разными методами. Также не наблюдается значительных различий в значениях между несколькими системами сплавов.

Таблица 4.1. Упругие постоянные, определенные с помощью ультразвука (us), фононов (phon) и расчетов ab initio (ab-in) (ссылки см. В тексте)

11 253 6 102 9018

Значения для C ′ заслуживают особого внимания.Данные также включены в Таблицу 4.1. В этом случае из-за низкого значения этой упругой постоянной и большей относительной погрешности расхождения между значениями, полученными разными методами, больше. Также необходимо принять во внимание, что, хотя не ожидается, что все другие упругие постоянные будут очень чувствительны к составу, C ', вероятно, будет сильно зависеть от состава. Обратите внимание, что для системы Ni – Mn – Ga заявленные значения C ' находятся в диапазоне от 4 до 22 ГПа (Stipcich et al., 2004; Stenger, Trivisonno, 1998). Несмотря на больший разброс, для всех систем эта упругая постоянная намного ниже остальных постоянных, что свидетельствует о низком сопротивлении кубических структур упругим сдвигам плоскостей {110}. Кроме того, ab initio расчеты предсказали уменьшение C ' с увеличением концентрации валентных электронов e / a (Hu et al., 2009a).

Температурные зависимости упругих постоянных показаны на рис.4.19, где показаны постоянная упругости при сдвиге C ′ и модуль объемной упругости B = (2 C 11 + C 12 ) / 3 в зависимости от температуры. Хотя модуль объемной упругости демонстрирует ожидаемое поведение увеличения при охлаждении, для всех образцов наблюдается значительное размягчение на ° C ' при понижении температуры. Такое поведение отражает усиление нестабильности решетки по мере приближения образца к температуре мартенситного перехода.Несмотря на большую ошибку в абсолютном значении C ′ , ошибка, связанная с его температурной зависимостью, намного меньше.

Рисунок 4.19. Температурная зависимость модулей упругости некоторых мартенситных сплавов Гейслера на основе Ni – Mn. Данные Moya et al. (2009, 2006c) и Stipcich et al. (2004).

Для Ni 54 Mn 23 Al 23 температурная зависимость всех упругих постоянных меняет свое поведение, когда образец проходит через температуру Нееля (Moya et al., 2006c). Однако для сплавов FM Ni 48,8 Mn 34 In 17,2 и Ni 49,5 Mn 25,4 Ga 25,1 не было обнаружено заметного изменения температурной зависимости C ′ (Moya et al. al., 2009; Stipcich et al., 2004) в отличие от усиленного смягчения аномального фонона, наблюдаемого в экспериментах по рассеянию нейтронов. Однако измерения, выполненные методом непрерывной волны (на частотах ниже, чем метод ультразвукового эхо-импульса), приводят к небольшому изгибу кривой в точке Кюри в Ni 49.0 Mn 23,5 Ga 27,5 (Zhao et al., 2007).

Зависимость фононных частот и упругих постоянных от магнитного поля ясно свидетельствует о магнитоупругой связи. Хотя, как упоминалось ранее, для диапазона доступных полей частоты фононов не проявляют никакой зависимости от поля, ультразвуковые методы очень чувствительны к небольшим изменениям скорости ультразвука. Результаты для Ni 49,5 Mn 25,4 Ga 25,1 (Gonzàlez-Comas et al., 1999), Ni 54 Mn 23 Al 23 (Moya et al., 2006c) и Ni 48,8 Mn 34 In 17,2 (Moya et al., 2009) показаны на рис. 4.20. Для всех систем наблюдается четкая зависимость от магнитного поля. Поведение FM Ni 49,5 Mn 25,4 Ga 25,1 и Ni 48,8 Mn 34 In 17,2 аналогично: все упругие постоянные увеличиваются с увеличением поля до достижения насыщения. Поведение антиферромагнетика (AF) Ni 54 Mn 23 Al 23 оказывается более сложным.В этом случае магнитоупругая связь заметно анизотропна из-за магнитной структуры этого сплава, который, как сообщается, имеет наклонную форму AF (Ziebeck and Webster, 1975).

Рисунок 4.20. Зависимость упругих постоянных мартенситных сплавов Гейслера на основе Ni – Mn от магнитного поля при комнатной температуре. Треугольники, квадраты и кружки соответствуют магнитному полю, приложенному вдоль направлений [001], [11¯0] и [110], соответственно (Gonzàlez-Comas et al., 1999; Moya et al., 2006c, 2009).

Ультразвук | физика | Британника

Полная статья

Ультразвук , колебания с частотами, превышающими верхний предел слышимого для человека диапазона, то есть более 20 килогерц. Термин sonic применяется к ультразвуковым волнам очень высоких амплитуд. Гиперзвук, иногда называемый претерзвуком или микрозвук, представляет собой звуковые волны с частотами выше 10 13 герц. На таких высоких частотах звуковой волне очень трудно эффективно распространяться; действительно, выше частоты около 1.25 × 10 13 Гц продольные волны вообще не могут распространяться, даже в жидкости или твердом теле, потому что молекулы материала, в котором распространяются волны, не могут передавать вибрацию достаточно быстро.

Многие животные обладают способностью слышать звуки в диапазоне ультразвуковых частот человека. Предполагаемая чувствительность тараканов и грызунов к частотам в диапазоне 40 килогерц привела к производству «контроллеров вредителей», которые издают громкие звуки в этом частотном диапазоне, чтобы отогнать вредителей, но они, похоже, не работают так, как рекламируется.

Британская викторина

Викторина "Все о физике"

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

Некоторые диапазоны слуха млекопитающих и насекомых сравниваются с диапазоном слуха человека в таблице.

Ni – Mn – Ga Ni – Mn – Al Ni – Mn – In
us phon ab-in us phon ab-in us phon ab-in
157 145 139 164 172 193 132 190 121
C 7 259 263 210 260 207
C 44 107 100 91 111 90 90 101
C ′ 12 8 8 22 16 32 12
Частотный диапазон слуха человека и других избранных животных
животное частота (герц)
низкий высокий
люди 20 20 000
кошки 100 32 000
собаки 40 46 000
лошади 31 год 40 000
слоны 16 12 000
крупный рогатый скот 16 40 000
летучие мыши 1,000 150 000
кузнечики и саранча 100 50 000
грызуны 1,000 100 000
киты и дельфины 70 150 000
тюлени и морские львы 200 55 000

Преобразователи

Ультразвуковой преобразователь - это устройство, используемое для преобразования некоторого другого типа энергии в ультразвуковые колебания.Существует несколько основных типов, классифицируемых по источнику энергии и среде, в которой генерируются волны. Механические устройства включают в себя газовые или пневматические преобразователи, такие как свистки, а также преобразователи с жидкостным приводом, такие как гидродинамические осцилляторы и вибрирующие лопасти. Эти устройства, ограниченные низкими ультразвуковыми частотами, имеют ряд промышленных применений, включая сушку, ультразвуковую очистку и впрыск мазута в горелки. Электромеханические преобразователи гораздо более универсальны и включают пьезоэлектрические и магнитострикционные устройства.Магнитострикционный преобразователь использует тип магнитного материала, в котором приложенное колеблющееся магнитное поле сжимает атомы материала вместе, создавая периодическое изменение длины материала и, таким образом, создавая высокочастотную механическую вибрацию. Магнитострикционные преобразователи используются в основном в нижних частотных диапазонах и широко используются в ультразвуковых очистителях и ультразвуковой обработке.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Самым популярным и универсальным типом ультразвукового преобразователя является пьезоэлектрический кристалл, который преобразует колеблющееся электрическое поле, приложенное к кристаллу, в механическую вибрацию. Пьезоэлектрические кристаллы включают кварц, соль Рошеля и некоторые виды керамики. Пьезоэлектрические преобразователи легко использовать во всем диапазоне частот и на всех уровнях выходного сигнала. Определенные формы могут быть выбраны для конкретных приложений. Например, форма диска создает плоскую ультразвуковую волну, в то время как изгиб излучающей поверхности в форме слегка вогнутой или чашеобразной формы создает ультразвуковую волну, которая фокусируется в определенной точке.

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи также используются в качестве ультразвуковых приемников, улавливающих ультразвуковые колебания и преобразующих их в электрические колебания.

Приложения в исследованиях

Одной из важных областей научных исследований, в которых ультразвук оказал огромное влияние, является кавитация. Когда вода закипает, на дне емкости образуются пузырьки, которые поднимаются в воде, а затем схлопываются, что приводит к звуку кипящей воды. Процесс кипения и возникающие в результате звуки заинтриговали людей с тех пор, как они были впервые обнаружены, и они были объектом значительных исследований и расчетов британских физиков Осборна Рейнольдса и лорда Рэлея, которые применили термин кавитация к процессу образования пузырей. .Поскольку ультразвуковую волну можно осторожно использовать для контроля кавитации, ультразвук стал полезным инструментом для исследования этого процесса. Изучение кавитации также дало важную информацию о межмолекулярных силах.

Исследования проводятся по аспектам процесса кавитации и его применению. Современный объект исследований включает излучение света при схлопывании полости, создаваемой ультразвуковой волной высокой интенсивности. Этот эффект, называемый сонолюминесценцией, может мгновенно создавать температуру выше, чем поверхность Солнца.

Скорость распространения ультразвуковой волны сильно зависит от вязкости среды. Это свойство может быть полезным инструментом при исследовании вязкости материалов. Поскольку различные части живой клетки отличаются разной вязкостью, акустическая микроскопия может использовать это свойство клеток «видеть» живые клетки, как будет обсуждаться ниже в разделе «Медицинские приложения».

[Характеристики распространения ультразвуковых волн в губчатой ​​кости]

Ультразвуковые измерения состояния кости или плотности костной массы обычно выполняются с использованием ультразвуковых параметров, состоящих из крутизны частотно-зависимого затухания (или затухания широкополосного ультразвука: BUA) и скорости звука (SOS).Многие результаты лабораторных измерений in vitro и клинических испытаний in vivo показали, что ультразвуковые параметры, BUA и SOS значительно коррелируют с плотностью костной массы, измеренной рентгеновским методом. Однако существует некоторая проблема, присущая ультразвуковому методу, касающаяся воспроизводимости и неопределенности измеренных ультразвуковых параметров. Ультразвуковые свойства губчатого вещества кости были экспериментально и теоретически изучены авторской группой, чтобы выявить проблемы, присущие ультразвуковому методу.Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям четко наблюдаются две продольные волны, быстрая волна и медленная волна. Скорость распространения быстрой волны увеличивается с плотностью кости, а скорость распространения медленной волны очень незначительно уменьшается с плотностью кости. В то время как константа затухания быстрой волны намного выше, чем у медленной волны, и почти не зависит от плотности кости, но, напротив, константа затухания медленной волны значительно увеличивается с плотностью кости.Экспериментальные результаты по ультразвуковой волне, прошедшей через губчатую кость, показывают, что амплитуда медленной волны уменьшается с плотностью кости, а амплитуда быстрой волны, наоборот, увеличивается с плотностью кости. Эта зависимость амплитуды быстрой волны от плотности кости не может быть объяснена константой затухания. Путь распространения ультразвуковой волны через губчатое вещество кости моделируется, чтобы прояснить явление распространения и указать причинно-следственную связь между параметрами ультразвуковой волны и плотностью кости.Плотность кости количественно формулируется на основе моделирования как функция амплитуды и скорости распространения быстрой волны.

границ | Использование ультразвуковых волн для определения микроструктуры снега

Введение

В 1950-х годах Морис Био опубликовал исчерпывающую математическую теорию распространения волн в пористых материалах (Biot, 1956). Теория предсказывала, что две волны сжатия и одна волна сдвига будут распространяться в объемных средах.В то время как движение всех трех волн связано с движением как твердого каркаса, так и жидкости в порах, первая волна сжатия (P1) распространялась в основном в твердом корпусе, а вторая (P2) в основном в поровой жидкости. Первые экспериментальные измерения, подтверждающие существование двух волн сжатия, были опубликованы в 1980 году (Plona, ​​1980; Smeulders, 2005), и с тех пор в теорию было внесено множество изменений (например, Allard and Atalla, 2009). Возможно, самым ранним применением теории Био к снегу был Джонсон (1982), за которым последовали многие другие исследования, в которых эта теория использовалась (Альберт и др., 2009; Maysenhölder et al., 2012; Sidler, 2015) за прогнозы и анализ измерений снега.

Свойства конкретных пористых материалов можно определить по отраженным или прошедшим акустическим волнам, используя классический математический подход обратной задачи рассеяния (Хорошенков, 2017). Например, взаимодействие звуковой энергии с землей является важным эффектом для понимания распространения звука в естественных условиях и частично определяется пористыми свойствами материалов поверхности (Аттенборо и др., 2011). Предыдущие экспериментальные работы по определению почвы и грунтовых условий обычно выполнялись в диапазоне звуковых частот 100–10 000 Гц с длинами волн 3 м – 3 см (например, Nagy et al., 1990; Hickey and Sabatier, 1997; Iversen et al. ., 2001; Аттенборо и др., 2011, 2014). Непрерывные волны передаются через громкоговоритель и записываются микрофонами, расположенными на расстоянии нескольких метров, для определения импеданса заземления как функции частоты. Другими свойствами грунта, которые можно определить с помощью этого метода, являются эффективное сопротивление потоку, проницаемость, пористость и глубина мелкого слоя.Импульсы, производимые огнестрельным оружием или взрывчатыми веществами, могут использоваться для увеличения площади поверхности, отобранной до десятков или сотен метров (Cramond and Don, 1984; Don and Cramond, 1987; Albert M. R., et al., 2008).

Стандартные методы акустического анализа часто зависят от жестко-пористой теоретической обработки грунта для интерпретации результатов и получения параметров пористой среды из акустических измерений. В случае пористых материалов, заполненных воздухом, теория значительно упрощается, если предположить, что твердая рама является жесткой (то есть не имеет движения), подход, используемый для многих приложений, включая влияние земли на распространение звука вне помещения (например.г., Альберт, 2001; Аллард и Аталла, 2009; Аттенборо и др., 2011; Хорошенков, 2017). Эти анализы не включают эффекты вибрации и сейсмических волн.

В ультразвуковом диапазоне поровые волны становятся недисперсионными, и существуют простые отношения между коэффициентами отражения и свойствами пористого материала, включая извилистость и проницаемость (Fellah et al., 2003a, b; Allard and Atalla, 2009). Предыдущие исследования (например, Fellah et al., 2003a, b, 2006; Allard and Atalla, 2009) применяли высокочастотную, жесткую пористую теорию к когезионным пористым материалам, включая спеченные стеклянные шарики, пористые металлы и плавленую промышленную пену.Большинство измерений проводилось при нормальном падении, но также сообщалось о наклонных высокочастотных (200 кГц) измерениях (Fellah et al., 2003b). В этих исследованиях сначала моделируется физический процесс рассеяния, что приводит к синтетическому отклику для первоначально заданных параметров. Затем эти параметры корректируются так, чтобы смоделированные выходные данные хорошо согласовывались с наблюдаемыми данными измерений. Два важных параметра, которые поэтому обычно оцениваются и часто появляются при исследованиях распространения звука в пористых материалах (например,g., Fellah et al., 2003a) - это пористость (мера объема порового пространства по отношению к объему твердого материала каркаса) и извилистость (отношение кратчайшего расстояния через поровое пространство к расстоянию по прямой линии).

Свежий натуральный снег - материал, который сложно охарактеризовать даже с помощью специальных методов (Shimizu, 1970), так как любое механическое взаимодействие может повредить хрупкие поры и связи между зернами. Поскольку акустические волны чувствительны к микроструктурным свойствам пористых материалов, их можно использовать для измерения свойств снега неразрушающим способом.Акустические свойства снега изучались в прошлом для множества применений, включая понимание затухания на заснеженной земле (Oura, 1952; Ishida, 1965; Yamada et al., 1974), понимание акустической реакции снега на взрывчатые вещества. используется для смягчения последствий схода лавин (Gubler, 1977), прогнозирования устойчивости естественного снежного покрова (Sommerfeld and Gubler, 1983), мониторинга местоположения сходов лавин (Suriñach et al., 2001; Van Herwijnen and Schweizer, 2011; Lacroix et al., 2012) и оценка водного эквивалента снега (SWE) (Kinar and Pomeroy, 2009). Низкочастотные акустические волны можно использовать для определения высоты снежного покрова и эффективного сопротивления потока (воздухопроницаемости) на расстояниях в десятки метров (Albert, 2001; Albert D. G., et al., 2008).

Было опубликовано ограниченное количество ультразвуковых или высокочастотных измерений реальных геологических материалов, включая снег. Сообщалось об измерениях пропускания с воздушной связью через тонкие (1–2 мм) шарики из спеченного стекла и образцы песчаника на высоких частотах (100–500 кГц) при нормальном падении (Nagy et al., 1990). В прошлых работах по акустическому отклику снега в ультразвуковом диапазоне использовались контактные датчики, закопанные в образцах снега и естественных снежных покровах, с использованием ряда волноводов и соединительных материалов (Kapil et al., 2014; Reiweger et al., 2015; Capelli et al. , 2016) или на кернах льда в лаборатории (Bennet, 1972; Kohnen, Gow, 1979; Herron et al., 1985).

Метод in situ для определения характеристик чрезвычайно хрупких пористых материалов был бы очень полезен для исследования хрупких природных снежных покровов.С этой целью мы исследуем потенциал ультразвуковых отражений и избегаем использования методов передачи волн, подходящих для более прочных материалов (Умнова и др., 2005). Недавно разработанная испытательная установка была использована для проведения измерений отражения ультразвука в холодном помещении с целью определения пористости и извилистости различных образцов снега. Ультразвуковые измерения были подтверждены путем сравнения со стандартными лабораторными методами (которые могут повредить образец), с параметрами, полученными при сканировании с помощью рентгеновской микрокомпьютерной томографии (μCT), а также с предыдущими лабораторными измерениями, указанными в литературе.Эти измерения предназначены для проверки ультразвукового метода и предоставления информации для разработки нового неразрушающего портативного устройства для обеспечения измерений in situ характеристик пор и свойств снега в режиме реального времени. Такое устройство также позволит лучше моделировать распространение звука вне помещения, даст возможность применить методы к другим хрупким материалам реальной Земли, включая песок, почву и опавшие листья, и будет представлять большой интерес для широкого диапазона потенциальных возможностей. приложения в холодных условиях для анализа и определения различных физических свойств снега, фирна и льда.Хотя измерения акустического пропускания могут улучшить определение свойств пористого материала, они не использовались здесь из-за желания разработать неразрушающий поверхностный метод.

Для ясности мы определяем пористость пористого материала как отношение объема пор к общему объему. Извилистость - это параметр, описывающий увеличенную длину пути между двумя точками в порах пористого материала по сравнению с прямолинейным путем на открытом воздухе. Однако в акустической литературе встречаются два определения извилистости.Один из них - это средняя длина пути от точки к точке через пористую среду, деленная на прямолинейный путь (на открытом воздухе) (L поры / L прямо ). Другой - квадрат отношения длины пути (L пора / L прямой ) 2 . Мы используем последнее определение в этой статье (например, Fellah et al., 2003b; Allard and Atalla, 2009), поэтому необходимо осторожно сравнивать значения из разных методов или ссылок. В следующих разделах мы опишем методы и оборудование, использованные для подготовки образцов снега, выполнения μCT-сканирования и проведения акустических измерений.Далее следует обсуждение и выводы.

Методы

Подготовка проб снега

Четыре различных типа образцов снега были приготовлены из (1) искусственного снега, синтезированного в лабораторной холодильной камере с небольшими, относительно однородными округлыми зернами снега, обозначенными как SGA и SGB; (2) полярный фирн с крупными зернами, просеянными таким образом, чтобы размер зерен составлял от 0,85 до 1,2 мм, обозначенный LGA и LGB; (3) свежевыпавший природный снег с разлагающимися частицами очень низкой плотности, собранный как выпавший, обозначенный как FSA, FSB, FSC; и (4) тот же свежевыпавший снег, но с выдержкой в ​​течение 1 дня, обозначенные ASA и ASC.Образцы размером 25 × 30 × 10 см были приготовлены из каждого образца в алюминиевом лотке.

Методы мкКТ

Образцы, использованные для всех измерений μCT, были вырезаны по центру из более крупных подготовленных образцов снега, упомянутых выше. Образцы были обрезаны до цилиндрической формы и впоследствии были сканированы с помощью настольного μCT-сканера Bruker SkyScan 1173. SkyScan 1173 оснащен вольфрамовым источником рентгеновского излучения Hamamatsu 130/300, который излучает фиксированный конический полихроматический луч с размером пятна <5 мкм, и детектором с плоской сенсорной камерой с разрешением 2240 × 2240 пикселей.Мы устанавливаем максимальное ускоряющее напряжение рентгеновского пучка на уровне 40 кВ при токе 200 мкА. Образцы поворачивали на 180 ° с шагом 0,3 °, с 4-кадровыми усредненными изображениями ослабления, снятыми на каждом шаге с экспозицией камеры 310–360 мс. Мы использовали протокол биннинга 2 × 2 для создания рентгеновских снимков 1120 × 1120 пикселей. Мы завершили реконструкцию полученных рентгенограмм с помощью программного обеспечения Bruker SkyScan NRECON, которое использует модифицированный алгоритм конического луча Фельдкампа для получения вертикального стека изображений поперечного сечения в градациях серого.В рамках постобработки изображения мы выполнили уменьшение кольцевых артефактов, коррекцию после выравнивания, коррекцию усиления луча и двухпиксельное сглаживание ядра Гаусса для уменьшения шума. Полученные изображения имели пространственное разрешение 15 мкм на воксель, за исключением образцов SGA и FSA, которые имели воксели размером 20 мкм и 16-битный динамический диапазон шкалы серого. Окончательный отсканированный объем был 1,7 см в диаметре × 1,7 см в высоту (2,2 см × 2,2 см для SGA и FSA).

Мы выбрали цилиндрический внутренний интересующий объем (VOI) размером 1.6 см в диаметре от каждого образца для устранения краевых эффектов и зазоров. Используя подход, основанный на форме гистограммы, мы устанавливаем критические пороги для отделения фазы воздух / пустота от фазы снега. Мы выполнили трехмерный анализ полученных сегментированных изображений с помощью программного обеспечения Skycan CTAn для расчета общей пористости объекта и отношения поверхности к объему, которое обратно пропорционально размеру зерна. Затем мы рассчитали толщину структуры, метрику, используемую для измерения размера объекта (Либ-Лаппен и др., 2017). Сначала были идентифицированы медиальные оси всех структур данной фазы. Для каждой точки на этой оси подбиралась сфера так, чтобы она полностью вписывалась в интересующую фазу и охватывала заданную начальную точку. Затем рассчитывали толщину структуры как средний диаметр всех сфер по всему объему. Аналогичным образом, при разделении структур рассчитывался средний размер пор, выполняя тот же анализ для обратной фазы (то есть для порового пространства).

Извилистость пористой среды может быть определена геометрически как извилистый путь через образец относительнопрямолинейный путь или с точки зрения относительного переноса некоторого явления (например, электрического тока, теплопередачи или массопереноса) через среду по сравнению с открытым воздухом. Двумерная и трехмерная извилистость часто определяется путем субъективной оценки или эмпирически, хотя средства количественной оценки извилистости были разработаны недавно. В этой работе извилистость воздушной фазы образцов была рассчитана на основе данных μCT с использованием TauFactor (Cooper et al., 2016), приложения с открытым исходным кодом на основе MATLAB.Приложение определяет извилистость количественно на основе смоделированного снижения устойчивого диффузионного переноса, вызванного геометрией гетерогенной среды, как это определено данными изображения микроконтактной компьютерной томографии. Коэффициент извилистости τ определяется как Deff = Dετ, где ε - объемная доля проводящей фазы, D - коэффициент диффузии проводящей фазы на открытом воздухе, а D eff - коэффициент диффузии через пористый объем. Приложение TauFactor моделирует диффузию через изображение, реконструированное с помощью μCT, используя вокселы изображения в качестве элементов сетки, чтобы избежать ошибок, возникающих при сглаживании или наложении других геометрических искажений, которые могут быть вызваны сеткой (Cooper et al., 2016). Извилистость в направлениях × (по горизонтали), y (по горизонтали) и z (по вертикали) была рассчитана, поскольку извилистость обычно не является изотропной; заявленное значение извилистости было средним из этих направленных извилин. В среднем, вычисленные направленные извилистости находились в пределах 2% (в среднем 1,7% для всего набора образцов) друг от друга, потому что эти конкретные образцы были в основном изотропными, состоящими из нового снега и искусственного снега с округлыми зернами.

Ультразвуковая акустическая теория и методы

Измерения были проанализированы с использованием высокочастотного упрощенного жесткого каркаса модели распространения звука Био (Fellah et al., 2003a), в котором акустическая волна P2, распространяющаяся в поровом пространстве, отделена от волны, распространяющейся в каркасе пористого материала (т.е. сейсмическое движение игнорируется). Упрощенная теория позволяет определять акустические свойства образцов снега относительно простым способом по сравнению с полной теорией Био, физической моделью, которая требует знания гораздо большего количества свойств материала. Предыдущие лабораторные (Buser, 1986) и полевые измерения (Albert, 2001) показали, что упрощенная жестко-пористая модель достаточна для точного описания воздушных акустических волн, взаимодействующих со снегом.

Мы адаптировали экспериментальные методы Fellah et al. (2003a) для определения пористости и извилистости связных пористых материалов на основе измерений отражения при двух (или более) наклонных углах падения. На низких частотах распространение волны P2 (поровая) в воздухе сильно зависит от частоты, но становится постоянным выше определенной приблизительной критической частоты

.

, где ϕ - пористость, k perm - проницаемость снега [m 2 ], а v - кинематическая вязкость холодного воздуха при температуре −8 ° C (1.23 × 10 −5 м 2 / с) со скоростью звука c = 326 м / с. Для расчета грубого примера предположим, что ϕ = 0,45, а акустическая извилистость α = (LporeLopen) 2 = 1,3. Проницаемость снега довольно разнообразна, поэтому мы используем три значения, типичные для снежного покрова умеренного климата: kperm = (5,10,20) × 10-10 м 2 . Эти параметры были использованы для расчета приблизительного поведения поровой волны P2, и на рисунке 1 показана результирующая скорость волны P2 как функция частоты.Скорость становится постоянной выше примерно 10 кГц, а теоретическая асимптотическая скорость волны VP2 = cα = 286 м / с. Мы используем частоту 90 кГц для наших измерений, что находится в полосе частот, где акустическое поведение волны P2 (и отражения от пористой поверхности) становится постоянным и не зависит от частоты.

Рисунок 1 . Теоретическое поведение поровой волны Био, показывающее отсутствие частотной зависимости выше критической частоты, заданной уравнением (1) и обозначенной кружком при 754 Гц.Расчеты предполагали пористость 0,45 и извилистость 1,30. Три линии показывают рассчитанную скорость поровой волны для различных значений проницаемости снега (5 × 10 −10 м 2 , 10 × 10 −10 м 2 и 20 × 10 −10 м 2 ). Наши измерения проводились на частоте 90 кГц (обозначено треугольником), что значительно выше частотно-зависимой полосы для любого типа снега.

Для этих очень высокочастотных ультразвуковых волн Fellah et al.(2003a, b) показали, что пористость и извилистость могут быть рассчитаны из серии измерений косого отражения, i = 1… n , где r i (Θ) - отражение коэффициент, θ - угол падения, ϕ - пористость, α - извилистость.

ri (θ) = α∞cosθi-ϕα∞-sin2θiα∞cosθi + ϕα∞-sin2θi (2)

При нормальном падении коэффициент отражения Уравнение (2) уменьшается до (1 - B ) / (1 + B ), где B = ϕ / α∞1 / 2.Приведенное выше уравнение можно переформулировать, чтобы выделить пористость ϕ:

ϕ = α∞ (1-ri) cosθi (1 + ri) α∞-sin2θi (3)

Если измерены два отражения под двумя разными углами (θ i и θ j ), уравнение (3) для отражения 1 ( r i ) можно разделить на уравнение (3 ) для отражения 2 ( r j ) и результат решен для извилистости α

α∞ = Asin2θi-sin2θjA2-1 (4) где A = ((1-rj) (1 + ri) cosθj (1 + rj) (1-ri) cosθi).(5)

Извилистость может быть получена из уравнений (4) и (5), поскольку они зависят только от измеренных углов и амплитуд отражения. Затем значение извилистости можно подставить в уравнение (3) для получения пористости. Это метод, используемый Fellah et al. (2003a, b), чтобы вывести параметры пористости из двух коэффициентов отражения под двумя наклонными углами.

Мы использовали более надежный метод обработки данных для получения акустических параметров. Вместо того, чтобы подставлять пары измеренных коэффициентов отражения в уравнения (2–5) для получения оценок отдельных параметров, мы использовали нелинейный метод наименьших квадратов, чтобы напрямую подогнать уравнение (2) ко всем измеренным коэффициентам отражения для конкретного образца снега. .Численный метод ограничивал пористость в диапазоне от 0 до 1, а извилистость - областью ≥1. Этот метод производил оценки параметров вместе с доверительными интервалами для параметров на основе критерия согласия.

На рисунке 2 показан теоретический коэффициент отражения, рассчитанный с использованием уравнения (2) для значений параметров пористости ϕ = 0,80 и извилистости α = 1,20. Этот и другие расчеты показывают, что вариации пористости в большей степени влияют на коэффициент нормального отражения, чем аналогичные вариации извилистости.Линии извилистости также «пересекаются» в какой-то момент при увеличении угла падения; для этого примера под углом около 50 °. Теория также предсказывает, что при нормальном падении уменьшение пористости или увеличение извилистости приводит к более высокому коэффициенту отражения.

Рисунок 2 . Теоретический коэффициент отражения рассчитывается с использованием уравнения (2). Черная линия с кружками - коэффициент отражения, рассчитанный как функция угла для значений параметра пористости ϕ = 0.80 и извилистость α = 1,20. Красные сплошные линии с треугольниками, направленными вверх / вниз, означают, что значения пористости увеличились / уменьшились на 10% (0,80, 0,72). Синие пунктирные линии имеют модифицированные значения извилистости (1.32, 1.08).

Использовались два бесконтактных датчика Ultran модели NGC100-D25 (с воздушной связью), один в качестве источника, а другой в качестве приемника. Эти преобразователи предназначены для работы в воздухе и имеют диаметр 25 мм и измеренную резонансную частоту 90 кГц. Функциональный генератор Agilent модели 33120A был запрограммирован на непрерывный вывод трех прямоугольных импульсов 90 кГц с частотой 1 кГц и размахом амплитуды 10 В для возбуждения преобразователя источника.Функциональный генератор также отправил синхронизированный импульс на цифровой осциллограф Tektronix Model DPO 2014, который записал сигнал, обнаруженный приемным преобразователем после отражения от поверхности снега. Принимаемые сигналы были порядка десятков милливольт, поэтому 512 повторяющихся ультразвуковых импульсов суммировались осциллографом для улучшения качества сигнала. Цифровые осциллограммы и размах сигналов были сохранены для последующего анализа.

После Pialucha и Cawley (1994) была сконструирована механическая установка для размещения двух ультразвуковых преобразователей под разными углами (измеренными с помощью цифрового углового датчика Wixey), как показано на рисунке 3.Расстояние от преобразователя до поверхности снега было фиксированным для каждого измерения образца и составляло 20 см для каждого луча пути отражения. Перед измерением образцов снега было проведено прямое измерение по воздуху для юстировки датчиков и определения амплитуды прямой волны. Мы обнаружили, что, хотя сигнал может быть обнаружен вне оси в поперечном направлении, наилучшее выравнивание преобразователей было в пределах небольшого отклонения порядка 0,5 см или меньше. Измерения отражения проводились в холодном помещении с температурой -8 ° C под 15 определенными углами из 7.5 ° (наименьший измеряемый угол из-за геометрических ограничений экспериментальной установки, а именно толщины самих преобразователей), номинально с шагом 5 ° до 75 °. Для каждого угла регистрировалось полное пиковое напряжение прошедшей и отраженной формы волны. Типичная серия отраженных сигналов для углов 7,5-60 ° показана на рисунке 4 для образца свежего снега FSC. Коэффициенты отражения определяются как амплитуда отраженного сигнала, деленная на амплитуду сигнала прямого горизонтального тракта.Пористость и извилистость рассчитывались по значениям напряжения от пика к пику отраженной волны, измеренным при наклонном падении, с использованием нелинейной регрессии уравнения (2), как обсуждалось выше.

Рис. 3. (A) Установка для позиционирования ультразвукового преобразователя в соответствии с методами Пиалуча и Коули (1994). (B) Фотография установки позиционирования ультразвукового преобразователя, используемой для регистрации отражений в холодной комнате. (C) Установка для позиционирования ультразвукового датчика с датчиками в горизонтальном положении.

Рисунок 4 . Типичная серия отраженных акустических волн в диапазоне углов от 7,5 ° до 60 °. Показанная серия предназначена для образца свежего снега FSC.

Результаты и обсуждение

μCT Характеристика и определение типа снега

Трехмерные (3D) двоичные (черно-белые) реконструкции репрезентативных примеров для каждого из четырех основных классов снега показаны на рисунке 5 в порядке возраста снега (свежий снег, снег возрастом 1 день, мелкозернистый искусственный снег. и крупнозернистый фирн).Образцы свежего и однодневного снега имели игольчатые зерна, в то время как другие образцы были гораздо более округлыми и компактными.

Рисунок 5 . 3D бинарные реконструкции данных μCT для (A) свежего снега (FSB), (B) снега в возрасте 1 день (ASA), (C) мелкозернистого искусственного снега (SGB) и (D) крупнозернистый фирн (ЛГА). Образцы (А, В) имеют высоту и диаметр 170 мм; образцы (C, D) 220 мм.

Мы завершили трехмерный морфометрический анализ бинарных изображений для всех образцов.Отношение поверхности к объему (S / V), средняя толщина структуры и среднее разделение структур записаны в таблице 1. Как и следовало ожидать, у крупнозернистого фирна было наименьшее отношение S / V со средним значением 8,8 мм -1. ± 0,2 мм −1 , в то время как свежий снег имел самое высокое отношение S / V со средним значением 63,8 мм −1 ± 5,4 мм −1 . Старение свежего снега в течение 1 дня привело к снижению отношения S / V примерно на 17%.

Таблица 1 . Морфометрический анализ 3D μCT.

Программа рассчитывает толщину структуры, сначала создавая скелетонизацию бинаризованной фазы снега для определения средних осей всех структур. Как описано выше, в каждой точке по осям он затем помещается в максимальную сферу, полностью помещающуюся в объекте, и записывает диаметр сферы. Это приводит к распределению толщин, показанному на Рисунке 6, со средним значением для каждого образца, записанным в Таблице 1. Мы отмечаем, что распределения толщины делятся на три различных класса: (1) Очень тонкие «иглы» с большинством структур <0.Толщиной 1 мм для свежего снега (0,08 мм ± 0,01 мм) и снега, выдержанного в течение 1 дня (0,09 мм ± 0,01 мм), (2) структуры с гауссовым распределением толщины с центром примерно около 0,2 мм для мелкозернистого снега (0,21 ± 0,02 мм ), и 3) большие структуры с широким диапазоном толщин с пиком примерно около 0,6 мм для крупнозернистого фирна (0,56 ± 0,04 мм).

Рисунок 6 . Распределение толщины структуры для всех образцов. Отметим, что образцы делятся на три класса: 1) свежий снег и однодневный снег, 2) мелкозернистый снег и 3) крупнозернистый фирн.

Аналогичное разделение структур было рассчитано для каждого образца путем проведения того же анализа, но для фазы воздух / пустоты. Распределение расстояний показано на Рисунке 7, а средние значения для каждого образца записаны в Таблице 1. Мы наблюдаем, что, по-видимому, снова существуют отдельные классы, разделяющие типы снега, но они отличаются от толщины структуры. Мелкозернистый снег (0,26 ± 0,01 мм) обычно имеет такое же распределение разделения, как и снег, выдержанный в течение 1 дня (0,26 мм ± 0,01 мм).25 мм ± 0,01 мм), в то время как снег с крупными зернами (0,35 мм ± 0,06 мм) обычно имеет такое же распределение разделения, как свежий снег (0,34 мм ± 0,08 мм), с выбросом FSC.

Рисунок 7 . Распределения разделения структур для всех образцов. Отметим, что образцы обычно делятся на два класса: (1) свежий снег и крупнозернистый фирн и (2) мелкозернистый снег и снег в возрасте 1 суток.

Ультразвуковое определение пористости и извилистости

Угловая зависимость коэффициента отражения в зависимости от типа снега показана на рисунке 8.Форма кривых примерно подпадает под четыре класса типов снега. Снег с крупными зернами имеет самые высокие коэффициенты отражения (> 0,20) для малых углов и резко падает для наклонных углов> 45 °. Мелкозернистый снег фактически показывает увеличение угла отражения примерно до 50 °, прежде чем резко упасть до нуля около 70 °. Свежий снег имеет самые низкие коэффициенты отражения и демонстрирует устойчивое уменьшение от <0,1 при нормальном падении с увеличением угла. Выдержка свежего снега за 1 день значительно увеличивает коэффициент отражения для всех углов.Используя точки на этих кривых, мы определили значения пористости и извилистости образцов, подгоняя уравнение (2) к измерениям, как описано выше. На рисунке 9 показаны результаты для образца свежего снега FSC2. Гладкая теоретическая линия достаточно хорошо соответствует измерениям, и метод также обеспечивает доверительные интервалы для подгоночных параметров. В этом случае полученная пористость составляет 0,89 ± 0,02, а извилистость - 1,23 ± 0,05. Значения акустических параметров для других образцов перечислены в таблице 2.Ширина достоверности средней пористости для всех образцов составляет 2% (с наихудшей ошибкой 7% для LGB), а для извилистости 4% с максимальной погрешностью 11%. Значения пористости и извилистости, измеренные μCT, также перечислены в таблице 2. Кроме того, также дан квадратный корень из извилистости μCT; именно это значение сравнивают с акустической извилистостью. Квадратный корень необходим, потому что μCT основан на диффузии, когда температурное возмущение распространяется на расстояние, пропорциональное квадратному корню из времени, а не прямо пропорциональное времени, как для распространения звука.Эта разница во времени приводит к тому, что значения извилистости μCT возводятся в квадрат по сравнению с акустическими значениями.

Рисунок 8 . Измеренные коэффициенты отражения ультразвука в зависимости от угла падения для различных образцов снега.

Рисунок 9 . Результаты нелинейной аппроксимации методом наименьших квадратов теоретического уравнения (2) с данными об отражении образца снега FSC2. Наилучшее соответствие (сплошная линия) получено для пористости 0,89 и извилистости 1.23. Доверительные интервалы показаны пунктирными линиями.

Таблица 2 . Сравнение результатов измерения пористости и извилистости с помощью μCT и акустических измерений.

Значения пористости и извилистости, рассчитанные на основе акустических измерений, показаны на Рисунке 10. Значения пористости и извилистости, измеренные с помощью μCT, показаны в виде красных треугольников, а акустические оценки - в виде кружков с доверительным интервалом, указанным для каждой пробы снега. На вставках к каждому графику показан график разброса измеренных значений μCT в зависимости отакустические значения вместе с линией 1: 1. Два метода, измеренные с помощью μCT и полученные с помощью акустических методов, продемонстрировали сильное согласие по пористости с различиями, составляющими в среднем 8% для всех образцов. Однако значения извилистости имели средние различия примерно в 20% для всех образцов. Для обоих параметров образцы мелкозернистого снега и крупнозернистого фирна имели ошибки намного больше, чем свежие или однодневные образцы. Для образцов LG и SG акустическая пористость была выше, а акустическая извилистость ниже, чем результаты μCT.Методы лучше согласовывались для свежего снега и снега возрастом 1 день с различиями менее 5% по пористости, но целых 17% по извилистости. Это говорит о том, что оба метода могут определить, какие образцы имеют более извилистые пути, но точность методов невысока. Bonfiglio и Pompoli (2013) сообщили об аналогичных ошибках относительной извилистости 13–41% для измерений на пористой пене и других материалах. Значения пористости и извилистости, измеренные с помощью акустики и μCT, приведены в таблице 2.

Рисунок 10 . Сравнение значений пористости и извилистости, рассчитанных на основе акустических измерений, с измеренными значениями μCT. Для каждого графика акустические оценки показаны в виде черных кружков с доверительным интервалом, указанным для каждой пробы снега. Измеренные значения μCT показаны в виде красных треугольников. На вставках к каждому графику показан график разброса измеренных значений μCT по сравнению с акустически полученными значениями вместе с линией 1: 1.

Многие из полевых экспериментов на снегу, о которых сообщается в литературе, проводились на низких частотах; однако в последние годы было опубликовано несколько лабораторных измерений с более высокой частотой.Эти исследования часто были сосредоточены на определении коэффициента поглощения различных типов снега, и поэтому их нелегко сравнить с нашей настоящей работой. Capelli et al. (2016) показывают на рис. 1 измерения скорости распространения поровых волн в литературе в зависимости от плотности снега. Однако, если измерения не проводились на частотах выше примерно 10 кГц (в зависимости от свойств снега), скорость поровой волны имеет очень сильную частотную зависимость, как показано на нашем рисунке 1. На высоких частотах скорость поровой волны будет определяться как VP2. = cα, как упоминалось ранее.

Maysenhölder et al. (2012) измерили и смоделировали коэффициент поглощения снега, используя измерения в импедансной трубке в полосе частот 125–1600 Гц, но эта полоса, вероятно, находится в частотно-зависимом режиме, как показано на нашем рисунке 1, поэтому трудно определить сравните с измерениями, указанными здесь. Для снега с высокой пористостью (ϕ> 0,8) они сообщают о извилистости 1,36–1,56, что выше, чем наши определения 1,07–1,27, и скорость их поровых волн будет ниже.Datt et al. (2016) также сообщили об измерениях импедансной трубки в более высоком частотном диапазоне от 63 до 6300 Гц. Их образцы, как правило, имели более низкую пористость (за одним исключением), но большая часть их извилистости была около 1,0, а у двух образцов - 1,2 и 1,7. Capelli et al. (2016) действительно провели измерения затухания на высоких частотах, используя грифель-грифель в качестве импульсного источника звука. Их измерения проводились в диапазоне 10–35 кГц, но они сообщали только о характере затухания этих волн.

Все эти исследования проводились в контейнерах или с контактными датчиками, в то время как описанный здесь метод использовал бесконтактные датчики и распространение, оставляя образцы полностью нетронутыми. Мы нашли только одну другую работу (Gudra, Najwer, 2011), использующую аналогичный подход, но также на высоких частотах. Эти исследователи провели измерения вертикального отражения на образцах снега на частоте 40 кГц, записав отражение от поверхности снега и от дна контейнера. Они сообщают о значениях отражения 0.2–0,5 для пористости снега от 0,89 до 0,5. Их значения выше, чем наши измерения 0,11 и 0,3 в тех же конечных точках, но извилистость также играет роль [см. Уравнение сразу после уравнения (2)] и может быть причиной некоторых различий.

Заключение

Было показано, что угловая зависимость коэффициента отражения для различных типов снега имеет большой измеримый сигнал, который значительно варьируется в зависимости от типа снега и пористости. Процедура регрессии по набору коэффициентов отражения при всех наклонных углах падения позволила получить значения пористости и извилистости с доверительными интервалами.Измерения показали, что старение снега (спекание) в течение 1 дня вызывает заметные изменения акустического отклика, небольшое уменьшение пористости и небольшое увеличение извилистости.

Значения пористости, определенные из акустических измерений, в целом находились в пределах 5% от значений пористости, определенных по данным μCT. Извилистость, определенная по формам акустических волн, показывает ту же тенденцию, что и извилистость, рассчитанная на основе данных μCT, но абсолютные значения отличаются на 8–30%, с наилучшим соответствием, обнаруженным для свежего снега.Нормальное отражение сильнее зависит от пористости, чем от извилистости.

Эти измерения показывают потенциальную пользу ультразвуковых измерений как метода определения свойств хрупкого снежного покрова in situ . Для этого можно упростить установку акустического позиционирования и сконструировать ее в виде металлической полудуги, способной удерживать два преобразователя. Вдоль дуги могут быть сделаны углубления, чтобы «защелкнуть» преобразователи в положении под несколькими заданными углами для измерения. Также следует предусмотреть возможность вертикального отражения, и можно использовать отдельные измерения при нормальном падении с металлической пластиной на земле для определения выходного сигнала преобразователя источника.Нам удалось получить измерения отражения от высокопористых снежных поверхностей, используя только выходное напряжение 10 В PP от стандартного функционального генератора, в отличие от большинства других исследований, в которых для возбуждения ультразвукового преобразователя использовались сотни вольт, что мы слишком трусливы, чтобы пробовать на открытом воздухе. по мокрому снегу!

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок любому квалифицированному исследователю по запросу.

Авторские взносы

DA разработал проект и внес свой вклад в акустический анализ. ZC подготовила образцы снега и написала введение. JF провел ультразвуковые акустические эксперименты, подготовил соответствующие графики и написал соответствующие разделы. RL провела измерения μCT, подготовила соответствующие графики, написала соответствующие разделы и скомпилировала все компоненты проекта. Все авторы редактировали рукопись и оставляли отзывы о ней.

Финансирование

Это исследование было поддержано программой фундаментальных исследований ERDC.DA и RL были частично поддержаны назначением в Программу участия в управлении окружающей средой в Инженерном центре исследований и разработок армии США - Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов (ERDC-CRREL), управляемая Окриджским институтом науки и образования через межучрежденческое объединение. соглашение между Министерством энергетики США и ERDC. Разрешение на публикацию было предоставлено директором научно-технической лаборатории холодного региона.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы благодарят двух рецензентов за множество полезных комментариев, которые существенно улучшили рукопись.

Список литературы

Альберт Д. Г., Декато С. Н. и Карби Д. Л. (2008). Воздействие снежного покрова на акустические датчики. Холодная рег. Sci. Technol. 52, 132–145. DOI: 10.1016 / j.coldregions.2007.05.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Альберт Д. Г., Декато С. Н. и Перрон Ф. Э. (2009). «Экспериментальные измерения медленной волны Био в естественных снежных покровах», доклад, представленный на материалах Четвертой конференции Био по поромеханике. (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк).

Google Scholar

Альберт, М. Р., Альберт, Д. Г., Перрон, Ф. Э., и Рамос, И. (2008). Акустическое определение приповерхностных свойств грунта. Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов армии США. Технический отчет.

Google Scholar

Аллард, Дж. Ф., и Аталла, Н. (2009). Распространение звука в пористой среде: моделирование звукопоглощающих материалов 2e . Чичестер: Джон Уайли и сыновья.

Google Scholar

Аттенборо, К., Ли, К. М., Хорошенков, К. (2014). Прогнозирование наружного звука. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Тейлор и Фрэнсис.

Google Scholar

Беннет, Х. Ф. (1972). Измерения скорости ультразвуковых волн в кернах льда из Гренландии и Антарктиды . Научно-техническая лаборатория холодных регионов армии США.Отчет об исследовании 237.

Google Scholar

Био, М. (1956). Теория распространения упругих волн в пористом твердом теле, насыщенном флюидом, I. Низкочастотный диапазон, II. Более высокий частотный диапазон. J. Acoust. Soc. Являюсь. 28, 168–191. DOI: 10.1121 / 1.1

9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бонфиглио П. и Помполи Ф. (2013). Задачи инверсии для определения физических параметров пористых материалов: обзор и сравнение различных методов. Acta Acust. United Ac. , 99, 341–351. DOI: 10.3813 / AAA.6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бузер, О. (1986). Жесткая каркасная модель из пористой среды для определения акустического сопротивления снега. J. Sound Vib. 111, 71–92. DOI: 10.1016 / S0022-460X (86) 81424-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капелли А., Капил Дж. К., Рейвегер И., Ор Д. и Швейцер Дж. (2016). Скорость и затухание акустических волн в снегу: лабораторные эксперименты и моделирование с помощью теории Био. Холодная рег. Sci. Technol. 125, 1–11. DOI: 10.1016 / j.coldregions.2016.01.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Купер, С. Дж., Бертей, А., Ширинг, П. Р., Килнер, Дж. А., и Брэндон, Н. П. (2016). TauFactor: приложение с открытым исходным кодом для расчета факторов извилистости по томографическим данным. Программное обеспечение X . 5, 203–210. DOI: 10.1016 / j.softx.2016.09.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крамонд, А. Дж., И Дон, К.Г. (1984). Отражение импульсов как метод определения акустического импеданса. J. Acoust. Soc. Являюсь. 75, 382–389. DOI: 10.1121 / 1.3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Датт П., Капил Дж. К., Кумар А. и Шривастава П. К. (2016). Экспериментальные измерения акустических свойств снега и обратная характеристика его геометрических параметров. Заявл. Акуст. 101, 15–23. DOI: 10.1016 / j.apacoust.2015.07.015

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дон, с.Г. и Крамонд А. Дж. (1987). Распространение импульса в нейтральной атмосфере. J. Acoust. Soc. Являюсь. 81, 1341–1349. DOI: 10.1121 / 1.394540

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Феллах, З. Э. А., Бергер, С., Лаурикс, В., Деполье, К., Аристеги, К., и Чапелон, Дж. (2003a). Измерение пористости и извилистости пористых материалов с помощью отраженных волн при наклонном падении. J. Acoust. Soc. Являюсь. 113, 2424–2433. DOI: 10.1121 / 1.1567275

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Феллах, З.Э. А., Бергер, С., Лаурикс, В., Деполье, К., Тромпетт, П., и Чапелон, Дж. (2003b). Ультразвуковое измерение пористости и извилистости случайных упаковок шариков, насыщенных воздухом. J. Appl. Phys. 93, 9352–9359. DOI: 10.1063 / 1.1572191

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Феллах, З. Э. А., Феллах, М., Себаа, Н., Лаурикс, В., и Деполье, К. (2006). Измерение гидравлического сопротивления пористых материалов в диапазоне низких частот с помощью передаваемых акустических волн. J. Acoust. Soc. Являюсь. 119, 1926–1928. DOI: 10.1121 / 1.2179749

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гублер, Х. (1977). Искусственный выброс лавин взрывчатыми веществами. J. Glaciol. 19, 419–429. DOI: 10.3189 / S0022143000029440

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гудра, Т., и Найвер, Л. (2011). Ультразвуковое исследование параметров снега и льда. Acta Phys. Pol. А 120, 625–629. DOI: 10.12693 / APhysPolA.120.625

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Херрон, С. Л., Лэнгуэй, К. К., и Брюггер, К. А. (1985). Скорости ультразвука и кристаллическая анизотропия в ледяном керне красителя 3, Гренландия. Гренландия Ice Core Geophys. Геохим. Environ. 33, 23–31. DOI: 10.1029 / GM033p0023

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хики, К. Дж., И Сабатье, Дж. М. (1997). Измерения двух типов дилатационных волн в рыхлом песке, наполненном воздухом. J. Acoust. Soc. Являюсь. 102, 128–136. DOI: 10.1121 / 1.419770

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хорошенков К.В. (2017). Обзор акустических методов определения характеристик пористых материалов. Внутр. J. Acoust. Vib. 22, 92–103. DOI: 10.20855 / ijav.2017.22.1455

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Исида, Т. (1965). Акустические свойства снега. Contrib. Inst. Низкая температура. Sci. 20, 23–63.

Google Scholar

Иверсен, Б.В., Шйоннинг П., Поулсен Т. Г. и Молдруп П. (2001). На месте, на месте и лабораторные измерения воздухопроницаемости почвы: граничные условия и шкала измерений. Почвоведение. 166, 97–106. DOI: 10.1097 / 00010694-200102000-00003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джонсон, Дж. Б. (1982). О применении теории Био к распространению акустических волн в снегу. Холодная рег. Sci. Technol. 6, 49–60. DOI: 10.1016 / 0165-232X (82)

  • -1

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Капил, Ю., Датт П., Кумар А., Сингх К., Кумар В. и Сатьявали П. (2014). Мультисенсорные соединители и волноводы для эффективного обнаружения акустической эмиссии снега. Холодная рег. Sci. Technol. 101, 1–13. DOI: 10.1016 / j.coldregions.2014.01.003

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кинар, Н. Дж., И Помрой, Дж. У. (2009). Автоматическое определение водного эквивалента снега методом акустической рефлектометрии. IEEE T. Geosci. Удаленный. 47, 3161–3167. DOI: 10.1109 / TGRS.2009.2019730

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Конен, Х., Гоу, А. Дж. (1979). Ультразвуковые скоростные исследования анизотропии кристаллов в глубоких ледяных кернах Антарктиды. J. Geophys. Res. 84, 4865–4874. DOI: 10.1029 / JC084iC08p04865

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лакруа, П., Грассо, Дж. Р., Руль, Дж., Жиро, Г., Гетц, Д., Морин, С. и др. (2012). Мониторинг снежных лавин с использованием сейсмического массива: местоположение, оценка скорости и взаимосвязь с метеорологическими переменными. J. Geophys. Res. Земля. 117: F01034. DOI: 10.1029 / 2011JF002106

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Либ-Лаппен, Р. М., Голден, Э. Дж., И Оббард, Р. У. (2017). Метрики для интерпретации микроструктуры морского льда с помощью рентгеновской микрокомпьютерной томографии. Холодная рег. Sci. Technol. 138, 24–35. DOI: 10.1016 / j.coldregions.2017.03.001

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Maysenhölder, W., Heggli, M., Zhou, X., Zhang, T., Фрей, Э., и Шнебели, М. (2012). Микроструктура и звукопоглощение снега. Холодная рег. Sci. Technol. 83, 3–12. DOI: 10.1016 / j.coldregions.2012.05.001

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Надь, П. Б., Адлер, Л., и Боннер, Б. П. (1990). Распространение медленных волн в пористых материалах, заполненных воздухом, и в природных породах. Заявл. Phys. Lett. 56, 2504–2506. DOI: 10.1063 / 1.102872

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Оура, Х.(1952). Скорость звука в снежном покрове. Contrib. Inst. Низкая температура. Sci. Сер. А 9, 171–178.

    Google Scholar

    Пиалуча, Т., и Коули, П. (1994). Обнаружение тонких внедренных слоев с помощью ультразвука нормального падения. Ультразвук 32, 431–440. DOI: 10.1016 / 0041-624X (94) -0

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Плона, Т. Дж. (1980). Наблюдение второй объемной волны сжатия в пористой среде на ультразвуковых частотах. Заявл. Phys. Lett. 36, 259–261. DOI: 10.1063 / 1.

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Рейвегер И., Майер К., Штайнер К., Дуал Дж. И Швейцер Дж. (2015). Измерение и локализация событий акустической эмиссии в снегу до разрушения. Холодная рег. Sci. Technol. 110, 160–169. DOI: 10.1016 / j.coldregions.2014.12.002

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Симидзу, Х. (1970). Воздухопроницаемость выпавшего снега. Contrib.Inst. Низкая температура. Sci. Сер. А 22, 1–32.

    Google Scholar

    Сидлер Р. (2015). Модель Био на основе пористости для акустических волн в снегу. J. Glaciol. 61, 789–798. DOI: 10.3189 / 2015JoG15J040

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Смеулдерс, Д. М. (2005). Экспериментальные доказательства медленных волн сжатия. J. Eng. Мех. 131, 908–917. DOI: 10.1061 / (ASCE) 0733-9399 (2005) 131: 9 (908)

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Зоммерфельд, Р.и Гублер Х. (1983). Снежные лавины и акустическая эмиссия. Ann. Глациол . 4, 271–276. DOI: 10.3189 / S0260305500005590

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Суриньяк, Э., Фурдада, Г., Сабо, Ф., Биеска, Б., и Вилаплана, Дж. (2001). О характеристике сейсмических сигналов, генерируемых снежными лавинами, для целей мониторинга. Ann. Glaciol. 32, 268–274. DOI: 10.3189 / 172756401781819634

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Умнова, О., Аттенборо, К., Шин, Х.С., и Каммингс, А. (2005). Определение извилистости и пористости из измерений акустического отражения и пропускания на толстых образцах жестко-пористых материалов. Заявл. Акуст. 66, 607–624. DOI: 10.1016 / j.apacoust.2004.02.005

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ван Хервейнен, А., и Швейцер, Дж. (2011). Мониторинг лавинной активности с помощью сейсмического датчика. Холодная рег. Sci. Technol. 69, 165–176. DOI: 10.1016 / j.холодные регионы.2011.06.008

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ямада Т., Хасеми Т., Идзуми К. и Сато А. (1974). О зависимостях скоростей продольных и поперечных волн и теплопроводности снега от текстуры снега. Contrib. Inst. Низкая температура. Sci. Сер. А 32, 71–80.

    Google Scholar

    Изменение параметров ультразвуковой волны при распространении через реакционную древесину тополя и ели :: BioResources

    Саадат-Ниа, М.А., Бранчериау, Л., Галлет, П., Энаяти, А. А., Пуртахмаси, К., Хонарвар, Ф. (2011). «Изменение параметров ультразвуковой волны при распространении через реакционную древесину тополя и ели», BioRes. 6 (2), 1172-1185.
    Abstract

    Ультразвуковые испытания проводились в основных направлениях на частоте 300 кГц в реакционной древесине тополя, ели и нормальной древесине. Эксперименты проводились на образцах размером 2 x 2 x 10 см3, отобранных от сердцевины до коры. Одни и те же значения фазовой скорости были измерены в растянутой древесине тополя и нормальной древесине.В сжатой древесине фазовая скорость была ниже в продольном направлении и выше в поперечном. Групповая скорость, измеренная в продольном направлении в растянутой древесине, была больше, чем в нормальной древесине, но более низкие значения были получены в сжатой древесине по сравнению с таковыми, полученными в нормальной древесине. Результаты показали, что структурные свойства реакционной древесины не могут существенно повлиять на затухание волн. В реакционной древесине тополя и ели был обнаружен лучший путь передачи волновой энергии (среднеквадратичное напряжение), чем в нормальной древесине.Акустическое излучение в реакционной древесине обоих пород было ниже уровней, полученных в нормальной древесине, во всех анизотропных направлениях. Результаты, полученные при сравнении реакционной древесины и нормальной древесины обоих видов, показали, что скорость звука уменьшалась с увеличением содержания влаги, но коэффициенты ослабления немного увеличивались.


    Скачать PDF
    Полная статья

    Изменение параметров ультразвуковой волны при распространении через реакционную древесину тополя и ели

    Мохаммад А.Саадат-Ниа, a Лоик Браншерио, b * Филипп Галле, b Али Акбар Энаяти, a Камбиз Пуртахмаси, a и Фарханг Хонарвар a

    Ультразвуковые испытания проводились в основных направлениях на частоте 300 кГц в реакционной древесине тополя и ели и нормальной древесине. Эксперименты проводились на образцах размером 2 x 2 x 10 см 3 , отобранных от сердцевины до коры. Одни и те же значения фазовой скорости были измерены в растянутой древесине тополя и нормальной древесине.В сжатой древесине фазовая скорость была ниже в продольном направлении и выше в поперечном. Групповая скорость, измеренная в продольном направлении в растянутой древесине, была больше, чем в нормальной древесине, но более низкие значения были получены в сжатой древесине по сравнению с таковыми, полученными в нормальной древесине. Результаты показали, что структурные свойства реакционной древесины не могут существенно повлиять на затухание волн. В реакционной древесине тополя и ели был обнаружен лучший путь передачи волновой энергии (среднеквадратичное напряжение), чем в нормальной древесине.Акустическое излучение в реакционной древесине обоих пород было ниже уровней, полученных в нормальной древесине, во всех анизотропных направлениях. Результаты, полученные при сравнении реакционной древесины и нормальной древесины обоих видов, показали, что скорость звука уменьшалась с увеличением содержания влаги, но коэффициенты ослабления немного увеличивались.

    Ключевые слова: Реакционная древесина; Тополь; Ель; Ультразвук; Скорость ультразвука, затухание ультразвука; Акустическое излучение; Действующее значение напряжения

    Контактная информация: a: Факультет природных ресурсов Тегеранского университета, факультет древесины и бумаги, П.О. Box 31585-4314, Карадж, Иран; b: CIRAD - Департамент PERSYST, Исследовательское подразделение: Производство и обработка тропической древесины, TA B-40/16, 73 rue Jean-François Breton, 34398 Montpellier, France; * Автор для переписки: [email protected]

    ВВЕДЕНИЕ

    Реакционная древесина - это естественный дефект стоящих деревьев. Причина образования реакционной древесины в основном связана с гравитропным ответом, который сопровождается гормональными раздражителями. Реакционная древесина - это сжатая древесина хвойных пород (голосеменная древесина), тогда как древесина лиственных пород (покрытосеменные) является растянутой древесиной.Анатомические и структурные свойства реакционной древесины широко обсуждались в научных статьях (Archer 1986; Carlquist 1988). Компрессионная древесина, которая биологически оптимизирована для повышения прочности на сжатие, очень хрупкая и опасна для строительных конструкций. Натяжная древесина имеет более высокий предел прочности на разрыв и модуль Юнга, чем обычная древесина. Однако он также имеет более высокую вязкость разрушения и ударопрочность. Основная проблема, связанная с качеством и использованием древесины и древесины, содержащей реакционную ткань, заключается в том, что их характеристики усадки отличаются от характеристик прилегающей нормальной древесины (Barnett and Jeronomidis 2003).Таким образом, лучшая стратегия состоит в том, чтобы отделить эту часть от обычной древесины, чтобы уменьшить количество отходов при деревообработке. Обычными подходами, применяемыми для обнаружения зоны реакции, являются визуальный осмотр (сжатая древесина), использование раствора Герцберга (растягивающаяся древесина) или анатомическое наблюдение под микроскопом (Badia et al. 2005).

    В дополнение к этим хорошо известным методам были разработаны неразрушающие тесты, например, с использованием ультразвука, для обнаружения реакционной древесины (Bucur 2003b). На ультразвуковые волны влияет анатомическая структура древесины.Таким образом, основные дескрипторы ультразвуковых волн (скорость, скорость потока энергии и затухание) изменяются во время распространения. Поскольку анатомическая структура реакционной древесины отличается от анатомической структуры нормальной древесины, могут наблюдаться некоторые различия в волновых дескрипторах. Hamm и Lam (1989) обнаружили сжатую древесину в зеленой западной болиголове по пикам наибольшей медленности на полярных графиках. Фини (1987) наблюдал постоянно увеличивающуюся скорость от сердцевины до коры у ситкинской ели. Он также обнаружил, что скорость сжатия древесины была меньше, чем у обычной древесины.Bucur (1991) исследовал способность ультразвуковых продольных волн обнаруживать присутствие реакционной древесины в пихте, сосне и буке Дугласа. Использование ультразвуковой томографии для определения наличия сжатой древесины у ели также изучалось Bucur (2003a). Однако фазовая скорость была основным измеряемым параметром в большинстве исследований. Важно проанализировать больше параметров. Другой аспект ультразвукового поведения древесины - это влияние влажности. Были проведены различные исследования влияния влажности на скорость и затухание акустических или ультразвуковых волн (Sakai et al.1990; Oliveira et al. 2005; Gao et al. 2009; Чан и др. 2010; Hasegawa et al. 2011). Однако не было найдено никаких ссылок относительно влияния содержания влаги на реакционную древесину в отношении скорости и затухания.

    Из-за сложности явления размножения требуется несколько параметров, чтобы улучшить реакцию обнаружения древесины. Таким образом, целью этого исследования было изучить потенциал других параметров для обнаружения реакционной древесины, таких как групповая скорость (скорость энергии сигнала; Chang et al.2006), коэффициент акустического излучения (фазовая скорость, деленная на плотность; Schelleng 1982; Bucur and Sarem 1992) и коэффициент затухания (поглощение и рассеяние волн; Rose, 2004). Также использовались обычные параметры, например среднеквадратичное напряжение (временная энергия; Beal 2002) и фазовая скорость (связанная с измерением времени пролета; Beal 2002; Pellerin and Ross 2002). Влияние содержания влаги ниже точки насыщения волокна (12%, 6%, 0%) также было изучено относительно параметров волны для реакционной древесины.

    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

    Материалы

    Заготовлены одна ель ( Picea abies ) и один тополь ( Populus deltoides ). Деревья были выбраны потому, что они имели видимый асимметричный рост. Зоны сжатия древесины ели легко обнаружить визуально. Известно, что тополь очень чувствителен к образованию растянутой древесины (Cunderlik et al. 1992). Характеристики выборки представлены в таблице 1.

    Первым шагом было выявление зоны реакции, что было сделано с использованием раствора Герцберга для тополя и визуального осмотра для ели. Присутствие реакционной древесины затем подтверждалось экспериментами под микроскопом. Срезы размером 15 мкм были нарезаны микротомом, промыты перекисью и уксусной кислотой после окрашивания сафранином и промывки различными процентными содержаниями спирта, а затем образцы были готовы для анализа под микроскопом.

    Таблица 1. Характеристики выбранных деревьев

    Вторым шагом была подготовка небольших образцов для ультразвукового контроля.Как показано на рис. 1, исходный шаблон был разработан для вырезания небольших образцов. В этом шаблоне были нарисованы три круга на расстоянии 4 см, 8 см и 12 см от сердцевины. Затем небольшие образцы были взяты из каждого круга (2 см в радиальном направлении, 2 см в тангенциальном направлении и 10 см в продольном направлении). С каждого диска было взято около 40 проб. Иногда из-за асимметричной формы дисков не удавалось отследить все положения внешнего круга.В этом случае соответствующие пробы отбирались вблизи позиций паттернов. Отношение образцов с нормальной древесиной к образцам с реакционной древесиной составляло 4 для двух видов (по крайней мере, 10 образцов с реакционной древесиной). После резки образцы были покрыты пластиком для предотвращения потери влаги. Образцы хранили при 4 ° C между каждым ультразвуковым измерением. Измерения проводились при теоретической влажности 12% (20 ° C и относительная влажность 65%). Еще одну стадию кондиционирования проводили для получения теоретического содержания влаги 6% и, наконец, 0%.Чтобы измерить анатомические особенности реакционной древесины и нормальной древесины (длина волокна и трахеиды, толщина стенки), узкие полоски (1 см) были вырезаны из небольших кубических образцов (1 см × 1 см × 1 см), случайно выбранных в каждом круге. . Затем метод Франклина (Franklin 1945) был использован для подготовки проб взвешенных волокон и трахеид. Калиброванный микроскоп использовался для оценки длины волокна и трахеиды, а также толщины стенки. Для расчета реальной плотности образцы взвешивали при содержании влаги 12%, 6% и 0%, а затем точно измеряли их размеры.

    (а)

    (б)

    Рис. 1. Шаблон для резки кубических образцов (а), ультразвуковая измерительная система (б)

    Методы

    Специальное устройство, разработанное в CIRAD, использовалось для измерения параметров волн методом прямого контакта (рис. 1, исследовательский проект BIOGMID; Brancheriau et al. 2009). Ультразвуковые датчики имели полосу частот с центром в 300 кГц. Соответствующая длина волны составляла 5 мм для поперечных испытаний и 15 мм по продольной оси.Зонд состоял из колеса, в которое помещался излучатель. Связующая среда была сделана из эластомера, окружающего колесо. Излучение представляло собой прямоугольный импульс величиной 500 В. Принятый сигнал был получен преобразователем с разрешением 16 бит. Частота дискретизации была установлена ​​на 2,5 МГц, а время сбора данных было установлено на 410 мкс в этом конкретном случае. В продольном, радиальном и тангенциальном направлениях сигналы регистрировались трижды для каждого образца. Программное обеспечение Scilab (http: // www.scilab.org/) использовался для обработки сигналов и вычисления параметров.

    Ультразвуковой сигнал сначала был отфильтрован с помощью вейвлета Морле (центральная частота 300 кГц, ширина полосы 150 кГц при 3 дБ для сохранения достаточного временного разрешения). Затем был вычислен аналитический сигнал, чтобы определить временную огибающую амплитуды. Время полета (фазовая задержка) определялось как первое превышение порога фонового шума. Таким образом, фазовая скорость V была вычислена с использованием расстояния между излучателем и приемником:

    (1)

    Коэффициент акустического излучения был определен с использованием значения фазовой скорости следующим образом, при этом плотность:

    (2)

    Среднеквадратичное значение напряжения вычислялось следующим образом, где S A представляли аналитический сигнал, фазовую задержку и время последнего превышения порога фонового шума:

    (3)

    Групповая задержка оценивалась временем, связанным с максимальной амплитудой огибающей.Это определение было приближением времени, связанного с максимальной взаимной корреляцией между сигналом излучения и передаваемым сигналом (учитывая постоянную групповую задержку в узкой полосе частот, это то же самое, что и применение обычного уравнения, где g - групповая задержка, фаза импульсной характеристики и пульсация). Групповая скорость V g (скорость потока энергии) была рассчитана следующим образом:

    (4)

    Коэффициент затухания был вычислен посредством определения логарифмического декремента принятого сигнала, предполагая, что огибающая имеет форму:, где S A является аналитическим сигналом, а Att - характерным временем декремента.Это привело непосредственно к следующей формуле, где V - фазовая скорость, установленная на 1400 м / с. Фазовая скорость считалась постоянной, чтобы избежать корреляции между двумя параметрами Att (дБ / м) и V только из-за их конкретного расчета.

    (5)

    Фазовая скорость, групповая скорость, акустическое излучение, коэффициент затухания и среднеквадратичное напряжение были рассчитаны в основных направлениях в реакционной древесине и нормальной древесине двух исследуемых пород (рис.2 и 3). Стандартные погрешности средних параметров (, г , Att ), вычисленные с тремя измеренными значениями, составили: 0,43 мкс (3%), 4,67 мкс (14%), 3,61 мкс (6%) в Ось R; 0,77 мкс (4%), 4,38 (11%), 3,37 мкс (6%) по оси T; 0,66 мкс (3%), 5,27 мкс (10%), 2,69 мкс (4%) по оси L.

    Для статистического анализа использовался факторный дисперсионный анализ с фиксированными эффектами. Эта процедура рассчитывала общие линейные модели (GLM), которые охватывали как дисперсионный анализ (ANOVA), так и регрессию.Расчетные предельные средние (средние по методу наименьших квадратов) были рассчитаны для решения проблемы неравных размеров выборки.

    Рис. 2. Фазовая задержка и групповая задержка, вычисленные для определения фазы и групповой скорости

    Рис. 3. Определение логарифмического декремента принятого сигнала для вычисления затухания

    РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

    В таблице 2 показаны средние значения фазовой и групповой скорости (средние значения, рассчитанные для всех образцов и дисков) в нормальной и реакционной древесине для двух видов (тополь и ель).Результаты показывают, что не было значительной разницы между фазовыми скоростями в нормальной древесине тополя и растянутой древесине в одном и том же кольце и во всех основных направлениях (продольном, радиальном и тангенциальном). Однако у ели более низкие значения фазовой скорости были измерены в продольном направлении в сжатой древесине, чем в нормальной древесине. Напротив, фазовая скорость была выше в тангенциальном направлении в сжатой древесине, чем в обычной древесине. Более низкие значения групповой скорости в сжатой древесине и более высокие значения в растянутой древесине можно объяснить физическими и анатомическими свойствами реакционной древесины (Таблица 3).Эти ключевые черты известны и более подробно обсуждались Коллманом и Коте (1968) и Барнеттом и Джеронимидисом (2003). Путь непрерывной волны может быть обеспечен более длинными трахеидами и волокнами в продольном направлении. Более низкие значения фазы и групповой скорости были получены в сжатой древесине с более короткими трахеидами по сравнению с нормальной древесиной, что согласуется с выводами Feeney (1987) и Bucur (1991; 2006). Более плоский угол микроволокон в сжатой древесине, вероятно, может быть полезен для направления волн в поперечном направлении.Более высокие значения групповой скорости в растянутой древесине могут быть связаны с более длинными волокнами и наличием G-слоя. Bucur (1991) сообщил о более высоких значениях скорости звука в растянутой древесине бука. В реакционной древесине и нормальной древесине двух пород вариации скорости волны были больше в продольном направлении, чем в поперечном. Еще один момент, который следует отметить, заключается в том, что образцы древесины, подвергнутой сжатию с более высокой плотностью (47%), показали более низкие значения скорости. Высокая плотность сжатой древесины была связана с низкой скоростью волны (Bucur and Chivers, 1991; Hasegawa et al.2011).

    Таблица 2. Средние фазовые и групповые скорости (м / с), измеренные в малых образцах реакционной древесины и нормальной древесины в трех направлениях анизотропии

    (L: продольная ось, R: радиальная ось, T: тангенциальная)

    Таблица 3. Плотность и анатомические свойства нормальной древесины ели и тополя и реакционной древесины

    Таблица 4 показывает средние коэффициенты затухания (дБ / м) и обратные среднеквадратичные напряжения (В -1 ) как индекс затухания в нормальной и реакционной древесине (средние значения рассчитаны для всех образцов и дисков).Результаты показали, что на коэффициенты затухания существенно не влияли структурные свойства растянутой древесины и сжатой древесины. Никаких статистических различий для коэффициентов затухания не было обнаружено при сравнении реакционной древесины и нормальной древесины обеих пород, за исключением тангенциального направления сжатия древесины. Фактически, поскольку на ослабление волн в древесине могут влиять многочисленные факторы (Bucur & Bohnke, 1994), этот параметр не был сильно связан со структурой реакционной древесины.Данный результат был подтвержден при использовании обратных среднеквадратичных напряжений для выявления затухания волн в реакционной древесине. Кажется, что более высокая плотность сжатой древесины не может существенно повлиять на затухание ультразвуковых волн (Beal 2002). Напротив, Кавамото (2010) сообщил о более низких коэффициентах ослабления в образцах с более высокой плотностью.

    Таблица 4. Среднее значение Коэффициенты затухания (в дБ / м и В -1 ) в реакционной древесине тополя и ели и нормальной древесине

    (L: продольная ось, R: радиальная ось, T: тангенциальная)

    Среднее акустическое излучение (м 4 .кг -1 .s -1 ) и значения среднеквадратичного напряжения (В) для нормальной и реакционной древесины показаны в таблице 5 (средние значения рассчитаны для всех образцов и дисков). Акустические качества реакционной древесины по сравнению с нормальной древесиной количественно оценивали с помощью акустического излучения. Результаты показали, что акустическое излучение было значительно ниже в растянутой и сжатой древесине в продольном и радиальном направлениях. Этот параметр был более чувствителен к реакционной структуре древесины, чем фазовая скорость, из-за важности фактора плотности при ее вычислении.Эти значения не были значимыми в тангенциальных направлениях. Похоже, что снижение акустического излучения в реакционной древесине было в основном связано с более высокой плотностью растянутой и сжатой древесины обоих пород. Schwarz et al. (2008) сообщили, что образцы с более высокой плотностью значительно уменьшили резонансную частоту и акустическое излучение у ели обыкновенной. Среднеквадратичные значения напряжения показали, что реакционная древесина с более высокими параметрами жесткости может обеспечить лучшие пути передачи потока энергии по сравнению с обычной древесиной.

    Изменения продольной фазовой скорости (м / с) и соответствующего затухания (дБ / м) в зависимости от влажности (%) показаны на рис. 4 и 5. Как отмечено в реакционной древесине тополя и ели и нормальной древесине, ультразвуковая фазовая скорость уменьшалась, в то время как содержание влаги увеличивалось, тогда как ослабление частично увеличивалось с увеличением содержания влаги от 0% до 12%. Уравнения регрессии, полученные между фазовой скоростью и содержанием влаги (от 0% до 12%): y = -202x + 4871 (R 2 = 0.99) и y = -132x + 3887 (R 2 = 0,66) для нормальной древесины ели и сжатой древесины соответственно. Уравнения регрессии между коэффициентом затухания и содержанием влаги: y = 6x + 125 (R 2 = 0,41) и y = 2,5x + 94 (R 2 = 0,12) для нормальной древесины ели и сжатой древесины, соответственно. Кроме того, самые высокие коэффициенты детерминации были обнаружены между фазовой скоростью и влажностью в нормальной древесине тополя (y = -181x + 4309; R 2 = 0.85) и натянутой древесины (y = -161x + 4215; R 2 = 0,93), в то время как уравнения регрессии между затуханием и влагосодержанием были y = 5,8x + 94; R 2 = 0,24 и y = 5,7x + 57; R 2 = 0,72 для обычной древесины тополя и натяжной древесины. Похоже, что влияние влажности на фазовую скорость было больше, чем на затухание волны.

    Таблица 5. Среднее акустическое излучение (м 4 .kg -1 .s -1 ) и среднеквадратичное значение напряжения (В) в реакционной древесине тополя и ели и нормальной древесине

    (L: продольная ось, R: радиальная ось, T: тангенциальная)

    Ниже точки насыщения волокна увеличение содержания влаги вызывает снижение упругих постоянных клеточной стенки и, как следствие, снижение фазовой скорости (Sandoz 1993; Beal 2002; Oliveira et al.2005; Hasegawa et al. 2011). Максимальная фазовая скорость и минимальное затухание были измерены в полностью высушенных условиях. Согласно Сакаи (1990), затухание не изменяется от сухого состояния к содержанию влаги, при котором свободная вода начинает поступать в свободное пространство деревянных ячеек, но затем оно быстро увеличивается. Изменения ультразвуковых параметров из-за колебаний содержания влаги ниже точки насыщения волокна демонстрируют ту же тенденцию между реакционной древесиной тополя и ели и нормальной древесиной (рис.4 и 5).

    Анизотропия тополя и ели, выраженная отношением скорости к затуханию, приведена в таблице 6 как для реакционной древесины, так и для нормальной древесины. Этот подход к оценке анизотропии древесины был предложен Bucur (2006), и с учетом нормальных соотношений древесины полученные здесь значения хорошо согласуются со значениями в цитируемой статье. У тополя анизотропия скоростей в разных направлениях симметрии не была значительной между растянутой древесиной и нормальной древесиной. Однако коэффициент скоростей в сжатой древесине был меньше, чем в обычной древесине.

    Рис. 4. Ультразвуковая фазовая скорость в продольном направлении (V L ) в зависимости от содержания влаги ниже точки насыщения волокна в реакционной древесине тополя и ели и нормальной древесине

    Рис. 5. Коэффициенты затухания в продольном направлении (Att L ) в зависимости от содержания влаги ниже точки насыщения волокна в реакционной древесине тополя и ели и нормальной древесине

    Более низкая анизотропия сжатой древесины, вероятно, связана с ее более высокой плотностью.Последнее наблюдение особенно верно для соотношения V L / V T , что можно объяснить различием в ориентации микрофибрилл (намного выше, чем в нормальной древесине, согласно Barnett and Jeronimidis 2003). Коэффициенты затухания (Att L / Att T ) у тополя были ниже у растянутой древесины, чем у обычной древесины. Обратный тренд показан в Таблице 6 в отношении нормальной древесины ели и сжатой древесины.В сжатой древесине трахеиды более округлые и толстые (также присутствуют межклеточные промежутки и трещины в клеточной стенке, которые могут образоваться во время подготовки образцов), и они короче по длине. В натяжной древесине тополя волокна также более круглые и толстые, но основной ключевой чертой является наличие внутри толстого студенистого слоя вместо слоя S3, который частично прикреплен к слою S2 (слой G имеет угол микрофибриллы). близко к 5 °). Принимая во внимание результаты, показанные в таблицах 4 и 6, разницу в затухании между растянутой древесиной и сжатой древесиной можно объяснить наличием межклеточных пространств и трещин в стенке ячеек для сжатой древесины, которые вызывают явления дисперсии.

    Таблица 6. Акустическая анизотропия тополя и ели, выраженная соотношением различных параметров в нормальной и реакционной древесине

    ВЫВОДЫ

    Параметры, полученные в результате ультразвуковых измерений, были исследованы для изучения ультразвукового поведения реакционной древесины. Небольшие кубические образцы 2 x 2 x 10 см 3 в радиальном, тангенциальном и продольном направлениях были отобраны на трех дисках ели ( Picea abies ) и двух дисках тополя ( Populus deltoides ).Специальная обработка сигнала привела к определению фазовой скорости, групповой скорости, акустического излучения, затухания сигнала и среднеквадратичного напряжения. Основные выводы изложены ниже:

    1. Значительные различия в значениях фазовой и групповой скорости могут быть тесно связаны с анатомическими свойствами реакционной древесины и нормальной древесины (Kawamot and Williams 2002). Более короткие трахеиды и более плоские углы микроволокон в сжатой древесине и более длинные волокна в растянутой древесине были основными факторами, влияющими на параметры ультразвуковых волн, особенно на скорость звука.Кажется, что более высокая плотность сжатой древесины и растянутой древесины была отрицательной точкой для фазовой скорости, но не было обнаружено взаимодействия между плотностью реакционной древесины и коэффициентами затухания.
    2. В реакционной древесине был отмечен лучший путь волны для передачи потока энергии (среднеквадратичное напряжение), особенно в продольном направлении.
    3. Акустическое излучение в реакционной древесине обоих пород показало, что этот параметр более подходит, чем другие параметры, для обнаружения реакционной древесины в древесной ткани.
    4. Акустическое излучение, фазовая скорость и среднеквадратичное значение напряжения были более чувствительны к присутствию реакционной древесины, чем коэффициент затухания. Однако, по сравнению со статическими результатами, может произойти занижение, если фазовая скорость используется для измерения динамической MOE в пиломатериалах с реакционными зонами древесины. Результаты показали, что лучшим параметром для сортировки древесины тополя и ели, в которой наблюдаются заметные изменения плотности, является акустическое излучение, поскольку при его расчетах учитывается влияние плотности.Фазовая скорость лучше коэффициента затухания для описания анизотропии в реакционной древесине (практически сжатой древесине).
    5. Уравнения регрессии показали, что содержание влаги в большей степени влияет на фазовую скорость, чем на коэффициент затухания. Такая же тенденция наблюдалась между реакционной древесиной и нормальной древесиной обоих пород.

    БЛАГОДАРНОСТИ

    Проект BIOGMID поддержан грантом Французского национального исследовательского агентства (BLAN07-1_183692, «BioGMID»).

    ССЫЛКИ

    Арчер Р. Р. (1986). Напряжения роста и деформации деревьев , Springer-Verlag, Берлин.

    Бадиа М., Моте Ф., Констан Т. и Непвеу Г. (2005). «Оценка обнаружения натяжной древесины на основе блестящего внешнего вида трех сортов тополя», Ann. Для. Sci. 62, 43-49.

    Барнетт, Дж. Р., Иеронимидис, Г. (2003). Качество древесины и его биологическая основа , Blackwell Scientific Publisher, Oxford.

    Бил, Ф. (2002). «Обзор использования ультразвуковых технологий в исследовании свойств древесины», Wood Science and Technology 36, 197-212.

    Браншерио, Л., Галле, П., Таунай, П., и Ласайгес, П. (2009). «Ультразвуковое устройство для визуализации зеленой древесины», 6-я конференция по биомеханике растений - Кайенна, Франция, 16–21 ноября, 285–288.

    Bucur V., Chivers R.C. (1991). «Акустические свойства и анизотропия некоторых пород древесины Австралии», Acustica 75, 69-75.

    Букур В., Джанин Г., Хербе К. и Ори Дж. М. (1991). «Ультразвуковое обнаружение реакционной древесины европейских пород», Proc 10th Congr Forestier Mondial, 17-26 сентября, Париж.

    Букур В. и Сарем М. (1992). «Экспериментальное исследование распространения ультразвуковых волн в сухой и насыщенной твердой древесине», Proc 4th Symp on Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira, Universidade de Sao Paulo, Escola de Engenharia de San Carlos.

    Букур В., Бонке И.(1994). «Факторы, влияющие на ультразвуковые измерения в массивной древесине», Ultrasonic 32 (5), 385-390.

    Букур В. (2003a). Неразрушающий контроль и визуализация древесины , Серия Springer в науке о дереве.

    Букур В. (2003b). «Методы получения изображений структуры древесины с высоким разрешением: обзор», Meas. Sci. Technol. 14, 91-98.

    Букур В. (2006). Acoustics of Wood , 2 nd ed., Springer Series in Wood Science.

    Карлквист С. (1988). Сравнительная анатомия древесины , Серия Springer в науке о дереве.

    Чан, М.С., Уокер, Дж. К., и Раймонд К. А. (2010). «Влияние влажности и температуры на акустическую скорость и динамическую MOE досок из заболонной сосны лучистой», Wood Science and Technology, опубликовано в Интернете.

    Chang, Y.-F, Chou, M. M. C., and Chang, C.-H. (2006). «Экспериментальные измерения фазовой и групповой скорости объемных волн в трансверсально-изотропной среде», NDT & E International 39, 162-168.

    Кундерлик И., Кудела Дж. И Молински В. (1992). «Реакция древесины бука в процессе сушки», В: Конференция по сушке IUFRO, Вена, 350-353.

    Фини Ф. Э. (1987). «Адаптация метода измерения скорости ультразвукового импульса для использования на небольших образцах ели ситкинской для оценки структурного качества древесины», - магистерская диссертация, Колледж Святого Патрика, Мейнут, Ирландия.

    Франклин, К. Л. (1945). «Подготовка тонких срезов композитов на основе синтетической смолы и древесной смолы и новый метод мацерации для древесины», Nature 155, 51-54.

    Гао С., Ван Л., Ван Ю. (2009). «Сравнительное исследование скоростей распространения волн напряжения в стоящих деревьях Fraxinus mandshurica в замороженном и незамерзшем состояниях», Frontiers of Forestry in China 4 (4), 382-387.

    Hamm, E. A., and Lam, F. (1989). «Обнаружение сжатой древесины с помощью ультразвуковых приборов», G Prove Nondestructive 1, 40-47.

    Хасегава М., Таката М., Мацумура Дж. И Ода К. (2011). «Влияние свойств древесины на изменение скорости ультразвуковых волн в древесине хвойных пород внутри дерева», Ultrasonics 51, 296-302.

    Коллманн Ф. и Коте В. (1968). Принципы древесной науки и технологии - твердая древесина , Springer-Verlag, Berlin.

    Кавамото С., Кигучи М., Катаока Ю., Мацунага М., Кобаяси М., Роснер С., Окумура Ш. (2010). «Распространение акустической эмиссии и акусто-ультразвуковых волн в древесине», материалы , NDT.net , Вена, 8-10 сентября.

    Кавамото С. и Уильямс Р. С. (2002). «Акустическая эмиссия и акусто-ультразвуковые методы для древесины и древесных композитов, обзор», Лаборатория лесных товаров , 16 стр.

    Оливейра, Ф. Г. Р., Кандиан, М., Лукчеттеб, Ф. Ф., Салгон, Дж. Л., и Сейлз, А. (2005). «Техническое примечание о взаимосвязи между скоростью ультразвука и содержанием влаги в бразильской твердой древесине (Goupia glabra)», Building and Environment 40, 297-300.

    Пеллерин, Р., Росс, Р. (2002). Неразрушающая оценка древесины , Forest Products Society, Мэдисон, Висконсин, США.

    Роуз, Дж. Л. (2004).

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *