Lydens forplantning

Forstå den akustiske impedansen til lydbølger.

La oss ta en tur tilbake for et par hundre år siden. Sir John William Strutt, 3. baron Rayleigh (1842–1919) var en engelsk fysiker som var med på å oppdage grunnstoffet argon og ble tildelt nobelprisen for oppdagelsen i 1904.

Rayleigh var imidlertid også kjent for sine viktige arbeider og bidrag innen kvantefysikk, optikk og lydteori. Han ble utnevnt til Cavendish-professor i eksperimentell fysikk i 1879, og hans første publikasjon ble publisert to år tidligere, i 1877. Denne nye teorien klargjorde hvordan lyd overføres og sendes ut fra forskjellige medier. Han refererte til og eksperimenterte med strukkede strenger, bjeller, metallplater og membraner for ikke bare å vise, men også å bevise hvordan lydbølger overføres gjennom forskjellige medier ved å bruke matematiske modeller og diskusjoner om eksperimentets funn.

Sir John William Strutt, 3. baron Rayleigh

I publikasjonen sin skriver Rayleigh at «en svært overfladisk observasjon ofte er tilstrekkelig til å vise at lydlegemer er i en vibrasjonstilstand, og at fenomenene lyd og vibrasjon er nært forbundet». I tillegg: «Når en vibrerende bjelle eller streng berøres av fingeren, opphører lyden i samme øyeblikk som vibrasjonen dempes. Men for å påvirke hørselssansen er det ikke nok å ha et vibrerende instrument; det må også være en uavbrutt kommunikasjon mellom instrumentet og øret.»

Hva produserer ultralyd?

Mange ting vil produsere ultralyd, og det er CBM-analytikerens jobb å identifisere hvilke ultralydutslipp som forekommer i området de skal jobbe i, før data og lydbølger samles inn .

5 vanlige kategorier av ultralydutslipp blir noen ganger referert til som FITEM : Friksjon, støt, turbulens, miljømessige og menneskeskapte. Friksjon, støt og turbulens er ofte direkte relatert til et væske-/elektrisk/mekanisk problem, og vil derfor være nettopp det du prøver å oppdage. På den annen side er miljømessige og menneskeskapte ultralydutslipp "antagonistiske", som betyr at de konkurrerer og er i konflikt med målproblemets frekvenser.

• Friksjon: Kan oppstå på mange måter, for eksempel når to overflater glir mot hverandre, ruller over hverandre, eller når et objekt beveger seg gjennom en gass eller væske.

• Påvirker: Høyere frekvens, kortere energiutbrudd forårsaket av overflater som treffer hverandre.

• Turbulens: Forekommer bare i gasser eller væsker når de samhandler med forskjellige overflater.

• Miljømessig: Naturlige forekomster av ultralyd er ikke uvanlige selv i industrielle omgivelser, som vepsebol og flaggermusbol.

• Menneskeskapte: Bevegelsessensorer, skadedyravvisende midler, industrielle rengjøringsmidler, skjermpaneler, skjermer og mange andre menneskeskapte gjenstander kan avgi ultralydfrekvenser som et biprodukt av sin tiltenkte funksjon.

Som ultralydinspektør er det viktig å huske at lydbølgen er en vibrasjon i mediet den beveger seg gjennom . Mediet må være elastisk slik at det kan overføre energien sin gjennom det, og uten interferens mellom det og inspektørens verktøy/modul.

Invers kvadratlov

For hver dobling av avstanden fra lydkilden, vil lydintensiteten avta med 6 dB. Denne kunnskapen er avgjørende å forstå når man oppdager ultralydutslipp, ettersom avstanden du er fra kilden vil direkte påvirke avlesningene dine. Forutsatt at vi starter 30 cm fra kilden uten dB-tap, vil det være et tap på 6 dB fra 0,6 meter og et tap på 32 dB fra 9 meter.

Nå vet vi i detalj hvordan den akustiske energien svekkes over en avstand i et gassformet miljø, og hvordan atmosfærisk påvirkning kan påvirke hvordan en lydbølge beveger seg gjennom nevnte medium. Imidlertid antar den inverse kvadratloven (og de respektive målingene ovenfor) at lyden beveger seg i en "fritt felt"-situasjon, upåvirket av andre eksterne faktorer. I den virkelige verden er ikke dette alltid tilfelle. Se nedenfor for 6 av de vanligste lydenergiimpedansene.

Akustiske impedanser - luft

• Transmisjon: Ultralydoverføringer som beveger seg gjennom en atmosfære. Vi må ta hensyn til hvordan lyden beveger seg saktere gjennom en gassformet atmosfære, kontra et fast eller flytende medium . For eksempel kan et tog høres på flere kilometers avstand ved å plassere øret mot et togspor ( fast materiale – svært tette partikler ). Hvaler kan kommunisere med hverandre på flere kilometers avstand under vann med minimal forsinkelse ( væske – moderat tette partikler ). Det kan noen ganger ta flere sekunder før tordenlyden høres etter at et lynnedslag har inntruffet ( gass – mindre tette partikler). Alt dette er lydoverføringer.

• Speilbilde: Oppstår når en lydbølge reflekteres fra en flat overflate. Refleksjonspunktet (også kjent som innfallsvinkelen) kan ofte forveksles med den opprinnelige ultralydkilden. Hvis du for eksempel har funnet en ultralydutslipp ved hjelp av en ultralyddetektor, men det identifiserte stedet ikke har noen mulige ultralydkilder, kan du ha funnet et refleksjonspunkt som den opprinnelige ultralydbølgen har reflektert fra.

• Refraksjon: I likhet med refleksjon refererer refraksjon til når en lydbølge passerer fra ett medium til et annet. Mens refleksjon skjer på en fast overflate, skjer refraksjon vanligvis i væske (en tilstandsform som lar lydenergi passere gjennom). Den brutte lydbølgen vil nå oppleve påvirkningen av det nye mediets elastisitet og tetthet (også kjent som brytningsindeksen). Dette kan brukes til å beregne effekten av materialet på hastigheten til energien til den nye lyden når den beveger seg gjennom det nye mediet kontra det opprinnelige mediet ved hjelp av Snells lov.

• Diffraksjon: Omdirigering av en lydbølge ved å bøye seg rundt, eller spre/klemme seg gjennom, et rom. Diffraksjon kan ofte oppstå når en lydbølge passerer gjennom en veldig liten åpning. Å høre noen snakke fra rundt et hjørne er også et vanlig eksempel på diffraksjon, fordi lydbølgen bøyer seg rundt og gjennom rommet til lytterens øre.

• Absorpsjon: Akustisk absorpsjon refererer til et mediums evne til å fange opp en del av den mottatte lydenergien . Faste, porøse materialer som skum eller glassfiber er vanlige eksempler på lydabsorberende materiale. Den absorberte delen av den opprinnelige lydbølgen overføres til en helt ny form for energi (vanligvis varme) og sendes ut av materialet. Den gjenværende delen av lydbølgen som ikke ble absorbert, reflekteres i stedet .

• Spredning: Prosessen der en lydbølge samhandler med en spesielt ru overflate, noe som resulterer i flere nye lydbølger med redusert energi. Disse resulterende lydbølgene har uforutsigbare retninger og amplituder, noe som gjør spredning til en vanskelig impedans å motvirke når man utfører ultralyddeteksjon.

Akustiske impedanser - tetthetens effekt:

I tillegg til faktorene ovenfor, er den faktiske hastigheten til en mekanisk (lyd)bølge som beveger seg gjennom et medium direkte proporsjonal med temperaturen, elastisiteten og tettheten til mediet. Ulike medier vil forårsake ulik mengde forsinkelse på grunn av deres absorpsjons- og reemisjonsegenskaper.

Jo varmere og tettere materialet er, desto nærmere hverandre er atomene, og desto raskere vil lyden bevege seg gjennom mediet. Dette er grunnen til at mekaniske bølger, som lyd, ikke kan eksistere i rommet i det hele tatt. Mekaniske bølger krever et fysisk medium for å bevege seg gjennom. Rommet er et vakuum , der atomene er spredt så langt fra hverandre at lydforplantning ikke kan forekomme. Se nedenfor for lydhastigheter for forskjellige vanlige materialer.

Fra lydutbredelse til ultralydlekkasjedeteksjon

Nå som vi har lært mer om eksterne og miljømessige faktorer og impedanser, er det noen generelle tips og beste praksiser som bør brukes når man utfører ultralyddeteksjon. De industrielle omgivelsene der ultralydproblemer ofte oppstår, er ofte høye, kaotiske og fylt med lydbølger som spenner over hele det akustiske spekteret. Det er viktig å vite hvordan man motvirker antagonistisk ultralyd og konkurrerende støy og samler nøyaktige data.

1. Undersøk rommet før du starter deteksjonsprosessen for å få en bedre innledende forståelse av rommet, og for å bestemme den omtrentlige plasseringen av eventuelle ultralydavvik.

2. Hvis du har en trykkluftlekkasje, er det noen vanlige tips som kan hjelpe deg med å identifisere kilden:

   1. Bekreft at systemene er fullt trykksatt.

   2. Følg rørledningen fra kompressoren.

   3. Bekreft at alle relevante ventiler er åpne.

3. Hvis du bruker PROSARIS OL2 Puck til å sentralisere på kildeplasseringen, er det viktig å implementere følgende beste praksis:

   1. Reduser fysisk avstanden fra kilden. Når du begynner å finne kilden, er det åpenbare neste steget å bevege deg nærmere for å få en mer nøyaktig posisjon. Husk imidlertid å justere avstandsglidebryteren i PROSARIS-appen på nettbrettet ditt når du er innenfor 1,8 meters rekkevidde. Dette vil sikre at de ulike registreringsberegningene er riktige.

   2. Skann i alle retninger rundt utslippskilden. Det er ikke uvanlig at det kan være andre lekkasjer i nærheten. Disse lekkasjene kan forveksles med hovedlekkasjen med mindre du kommer nær nok til å bekrefte at det er flere kilder til stede.

4. Hvis du har problemer med å finne lekkasjen – enten det skyldes andre lekkasjer eller generell antagonistisk ultralyd, kan du prøve å bruke en skjermingsteknikk. Den enkleste måten å gjøre dette på er å plassere deg mellom målkilden og de andre uønskede ultralydutslippene.

   1. I en nødsituasjon kan du til og med bruke et stykke papp eller et utklippstavle for å midlertidig blokkere eventuelle gjenværende antagonistiske ultralydkilder.

   2. Å knyte en klut over en lekkasje bidrar også til å dempe den akustiske profilen i området. Dette gir enklere isolering – spesielt for lekkasjer på lavere nivå.

Kunnskap er noe av det mest verdifulle i verktøykassen din når det gjelder å fullføre vellykket ultralyddeteksjonsarbeid. Å forstå vitenskapen bak lyden vil alltid informere deg om hvilke teknikker, strategier og verktøy som er best egnet for jobben.