книги / Применения ультразвука

ГЛАВА 1

ВВЕДЕНИЕ

Ультраакустика (или ультразвук) представляет собой область ин­ тенсивных научных и технологических исследований. Ввиду ее экстенсивного применения в научной и инженерной деятель­ ности она привлекает внимание широкого круга студентов, пре­ подавателей, исследователей, профессионалов в области нераз­ рушающих испытаний (NDT), промышленников, инженеров по инструментарию, инженеров по программному обеспечению, ученых, занимающихся исследованиями свойств материалов, и представителей других профессий. Ультразвук, который по своей сути является механической волной, взаимодействует с вещества­ ми. Разнообразие типов волн, от продольных до поверхностных, позволяет использовать ультразвук во всевозможных аспектах. Прогресс в области сенсоров, электронного инструментария, ком­ пьютеров, улучшение знаний о физическом взаимодействии — все это способствовало совершенствованию экспериментальной ультраакустики. Ультраакустика начиналась с базового понятия звука в физике, а теперь она представляет собой обширную само­ стоятельную область с несколькими разделами и подразделами, которая привлекает интерес ученых и имеет огромную технологи­ ческую значимость. Последние разработки в науке и технологии ультразвука в сферах неразрушающего контроля и оценки (NDTE), медицины, подводной акустики, молекулярного взаимодействия действительно впечатляют и открывают большие возможности для новых его применений.

В 1880-х годах братья Кюри открыли пьезоэлектричество. Гальтон (1883), изучая акустический спектр, обнаружил сущест­ вование ультразвука в сигнале свистка. Свисток Гальтона считает­ ся одним из первых ультразвуковых генераторов, изготовленных человеком. После этого проводился ряд исследований в области генерирования и обнаружения ультразвука. В начале XX века не­ которые значительные разработки, связанные с коммерциали­ зацией ультразвуковой технологии, обрели твердую почву. Вуд и

Лумис впервые использовали ультразвук с коммерческой точки зрения в конце 1920-х годов для распыления жидкости, контроля затвердевания, жидкой эмульгации и взаимодействия с живыми тканями. Файрстон (1940) создал первый коммерческий инстру­ мент для ультразвуковой дефектоскопии. После 1950-х масштаб­ ные технологические разработки в электронике и компьютерах дали дополнительные преимущества отрасли ультразвукового инструментария. Сегодня ультраакустика включает обширный спектр научных, технологических, промышленных, медицинских и прочих упорядоченных областей знания.

Базовые ультраакустические измерения, например затухания и скорости, давно применяются для проверки физических тео­ рий, оценки микроструктурных характеристик, механических свойств и т.д. Измерение ультразвукового затухания в сверхпро­ водящем состоянии было одним из экспериментальных методов, которые предоставили четкое подтверждение достоверности те­ ории Бардина—Купера—Шриффера (BCS). Измерения скорости ультразвука давно проводятся для оценки модуля упругости, пос­ тоянных упругости второго и более высоких порядков. Измерения затухания и скорости до сих пор осуществляются с целью изу­ чения влияния микроструктурных изменений, определения ос­ таточного напряжения и выявления дефектов с получением их изображений. Повышение точности измерений стало возможным благодаря усовершенствованию инструментария, технологий и методологий. Так ультразвук в медицине, будучи сравнительно новой отраслью, продвинулся на завидный уровень. Применение эффекта Доплера в измерениях кровотока и сканирование/получение изображения внутренних органов с помощью новейших технологий, где задействованы сверхбыстрые компьютеры, — вот лишь некоторые примеры, которые внесли улучшения в нашу жизнь. Подводная акустика (еще одна отрасль ультраакустики) стремительно развивалась после Второй мировой войны и выпол­ няла не только задачи обороны, но и предназначалась для ловли рыбы, спасения живых существ, находящихся в бедственном по­ ложении, защиты окружающей среды.

Во всех отраслях ультраакустики важную роль играют техно­ логия преобразователей и электронный инструментарий. Вначале были пьезоэлектрические кристаллические преобразователи, а сегодня существуют бесконтактные электромагнитные акустичес­ кие преобразователи (ЕМА7), лазерные преобразователи и пре­

образователи с воздушно-акустической связью. Персональные компьютеры и программное обеспечение все больше и больше совершенствуются, чтобы повысить точность, надежность, пов­ торяемость измерений и уменьшить зависимость от оператора.

До применения ультразвука в исследованиях смесей/растворов единственными инструментами исследования природы и сил молекулярного взаимодействия были спектроскопические и ди­ электрические методы. Однако применение ультраакустики поз­ волило не только оценивать физико-химические свойства смесей/ растворов, но и повысить достоверность интерпретации молеку­ лярных взаимодействий. Благодаря низкой стоимости, простым процедурам эксплуатации и широким возможностям исследова­ ния молекулярного взаимодействия с помощью ультраакустики стали популярны во всем мире.

Новые материалы в атомной, аэрокосмической, оборон­ ной, химической и других отраслях промышленности нужда­ ются во всесторонней и адекватной характеристике. К примеру, механизмы распространения и затухания ультразвука в поликристаллических материалах были изучены и поняты уже давно. Изотропные материалы более понятны, а анизотропия вызывает проблемы, что приводит к значительным расхождениям теоре­ тических и экспериментальных результатов. Ситуация еще более усугубляется, когда вдобавок к анизотропным возникают струк­ турные сложности. Типичным примером такого рода являются сварные соединения аустенитной нержавеющей стали большой толщины (>12 мм), где традиционная ультразвуковая методика не может дать достоверную характеристику дефекта, несмотря наряд достоинств NDT. Как бы то ни было, такие области ставят перед человеком новые задачи, для решения которых изобретаются но­ вые преобразователи, новые методы анализа или распознавания картины сигналов и т.д.

Знание о наличии дефектов и микроструктурах имеет боль­ шое значение для оценки срока службы материала/компонента в атомной, химической промышленности, обследованиях газопро­ водов до и во время их эксплуатации. При поставке компонентов/ материалов именно NDT позволяет определить, какой из компо­ нентов свободен от дефектов и соответствует той или иной требу­ емой микроструктуре. Как бы то ни было, для того чтобы отсле­ живать старение материала в процессе эксплуатации, например так называемую усталость, оценивать повреждения при ползучее-

ти и измерять остаточное напряжение, необходимо разрабатывать специальные методологии и процедуры. Достижения в развитии инструментария NDT за последние тридцать лет ошеломляют, а их следствием стало принятие ряда методик, законов и стандар­ тов исследователями и технологами во всем мире.

О некоторых достижениях ультраакустики можно узнать толь­ ко из документации конференций, внутренних отчетов, журналов и обозрений. Книги, написанные в 1960-е и 1970-е годы, в боль­ шей степени сосредоточены на теориях и распространении волн. Книги 1980-х посвящены NDT, медицине, геофизике и прочим областям, что было обусловлено значимостью ультраакустики с коммерческой точки зрения.

При нынешнем стечении обстоятельств всеобъемлющие на­ учные труды, охватывающие базовые концепции физики, осно­ вы технологии преобразования, методы измерения, применение в промышленности, использование, основанное на молекуляр­ ном взаимодействии, характеристики материалов, NDT, меди­ цину, океанографию, стандарты и законы, расширяют области применения этой удивительной науки и технологии. Учитывая все вышесказанное, авторы попытались составить всесторонний научный труд, посвященный науке и технологии ультраакустики.

Эта книга предназначена удовлетворить требованиям студентов, молодых исследователей, ученых, инженеров, профессионалов по NDTи новичков в данной области.

Во второй главе рассматриваются фундаментальные аспекты распространения волн, классификация по частоте, различные виды волн, а также физические концепции волновой механики. Кроме того, приводится вывод уравнения волны, объясняется ме­ ханизм распространения волны и даются соответствующие фор­ мулы.

В третьей главе обсуждаются принципы генерации ультразву­ ка различными методами, пьезоэлектричество и различные виды пьезоматериалов, физические константы пьезоматериалов, ко­ торые даются в табличной форме для сравнения, анализируются значимость характеристик преобразователей, таких как диаграм­ ма направленности, области ближнего и дальнего поля (с иллюс­ трациями), базовые критерии выбора преобразователя для конк­ ретного применения.

Различные методы обнаружения и применения рассматрива­ ются в четвертой главе. Объясняются принципы, лежащие в ос­

нове точного измерения времени прохождения ультразвука и его затухания. Описываются различные методы измерения скорости ультразвука и затухания с анализом их достоинств и недостатков. Помимо этого, уделяется внимание последним достижениям: ав­ томатизированным компьютерным измерениям скорости и зату­ хания, лазерной интерферометрии, резонансной ультразвуковой спектроскопии и т.д.

Впятой главе проведен обзор применения ультразвуковых волн в различных отраслях науки и техники.

Шестая глава посвящена применению ультразвука в жидкос­ тях, жидких смесях, электролитным и полимерным растворам. Также рассказывается о молекулярном взаимодействии, оценке термодинамических и других параметров. Освещаются различные теории изучения молекулярного взаимодействия через определе­ ние скорости звука в смесях/растворах, их сравнительные досто­ инства и недостатки.

Вседьмой главе вкратце рассматриваются различные мето­ ды NDT. Подробно описан ультразвуковой метод NDT. Глава начинается с обсуждения различных сканирующих методов тес­ тирования для обнаружения дефектов с помощью ультразвука. Предоставляется информация о калибровке преобразователей и инструментария для оценки дефектов, а также о конкретных при­ менениях, таких как ультразвуковое тестирование сварных швов, ковки, литья и т.д.

Восьмая глава выносит на рассмотрение применение ультра­ звука в металлургии и материаловедении. Области применения акустики классифицируются по четырем категориям с детальным описанием. Подробно излагаются важные связи ультраакустики и характеристических свойств материалов.

Базовые концепции диагностирующего ультразвука раскры­

ты в девятой главе, куда включены сведения о технологиях в диа­ гностической медицине, доступных на сегодняшний день. Не так давно низкоэнергетический ультразвук стал применяться бескон­ тактно, например в акушерстве и гинекологии (для обнаружения плода в матке, определения пола и т.д.), в эхокардиограммах (до­ полнительно к ЭКГ), для удаления камней из мочеточника, о чем также рассказывается в данной главе.

Базовым концепциям подводной акустики, эксперименталь­ ным методам и применению ультразвука под водой посвящена десятая глава. В одном из ее разделов вы прочитаете о том, как

осуществляются поиски стай рыб и обнаружение морского дна, а также об измерениях различных физических океанографических параметров.

Необходимость законов и стандартов в области ультраакусти­ ки, а также существующие законы и стандарты рассматриваются в одиннадцатой главе. Двенадцатая глава включает словарь терми­ нов, используемых в книге, аббревиатуры и символы. Основные символы, аббревиатуры и приставки, используемые в СИ, даются в приложении 1.

ГЛАВА 2

ОСНОВЫ УЛЬТРААКУСТИКИ

2.1. Введение

Звук — это настолько известное для нас явление, что мы не толь­ ко его слышим, но и воспринимаем различные его вариации. Звук слова создает его мысленный образ и передает информацию об его источнике. Когда звуковая волна достигает уха, его мембраны начинают вибрировать, в результате чего происходит стимулиро­ вание нервов и в конечном итоге мы слышим звук. Вибрация уш­ ной мембраны вызвана явлением, которое называется волновым движением. Движения, как перемещение тела, можно классифи­ цировать в соответствии со следующими характеристиками: (I) по его среднему положению и (II) перемещению из одного места в другое. Первое называется колебательным движением, примера­ ми которого являются колебания маятника, натянутой веревки, световые волны и т.д. С другой стороны, движущиеся тела, такие как мяч, самолет, поезд и т.п., представляют собой примеры дви­ жения (II). В повседневной жизни мы слышим звук благодаря яв­ лению (I) или (И), а иногда им обоим.

Периодическое движение частицы в теле имеет следствием пе­ редачу энергии соседним частицам и в конечном счете вибрацию всех частиц тела. Подобная передача возбуждения от одного тела к другому известна как волновое движение, например распростране­ ние звука по аудитории, когда на сцене происходит игра на музы­ кальном инструменте. Данное явление можно проиллюстрировать, если бросить маленький камешек в пруд со стоячей водой. От того места, где утонул камешек, расходятся волны и движутся вверх и вниз относительно среднего положения во всех направлениях.

Понятно, что тело может производить звуковые волны, когда находится в состоянии вибрации. Большинство тел, генерирую­ щих звуки, осуществляют периодическое движение (движение с повторяющимися интервалами), которое называется простым

гармоническим движением (ПГД) или незатухающими гармоничес­ кими колебаниями. Механические вибрации состоят из соедине­ ния двух или более простых гармонических движений, например движение маятника настенных часов, балансир наручных часов, вибрации струны музыкальных инструментов и т.д.

2 .2 . ВОЛНЫ

Концепция волнового движения является фундаментальной в физике и имеет большое значение для всестороннего понимания ультразвуковых волн. Поэтому мы обсудим уравнение бегущей волны, передачу энергии, параметры и характеристики волн.

2.2.1. Уравнение бегущей волны

Рассмотрим точку Ов качестве источника цуга волн, движущего­ ся в воде в направлении х одномерное распространение со скоро­ стью U(рис. 2.1). Пусть ОА — смещение частицы.

Рис. 2.1. Бегущая волна, движущаяся в направлении х

В точке О частицы водной среды совершают гармонические колебания. Следовательно, смещение частицы относительно точ­ ки О во времени t можно записать в таком виде:

где А и ш — соответственно амплитуда колебания и циклическая частота.