Отражение, преломление и трансформация ультразвуковых

1.4 Отражение, преломление и трансформация ультразвуковых

волн

Если на пути распространения ультрозвуковой волны встречается другая среда, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая – отражается в первую среду.

На границе раздела происходят основные явления: отражение, преломление и трансформация волн. Преломление – это изменение направления распространения волны, а трансформация – преобразование (превращение) волны одного типа в другой. Переходы исходного состояния волны в другие связаны энергетическими соотношениями, определяемыми, главным образом, типом падающей волны, углом ее падения и соотношением удельных акустических сопротивлений обеих сред.

В общем случае, если волна падает на границу раздела двух твердых сред под углом β из первой среды во вторую, то в обеих средах возникают четыре волны (рисунок 3): в каждой по две волны продольного и поперечного типа.

Рисунок 3 - Падение ультразвуковой волны на границу раздела двух сред

Причем при облучении продольной «l» - волной образуются отраженные продольная «l₁» и поперечная «t₁», возникшая в результате явления трансформации, и две преломленные волны «l₂» и «t₂», из которых последняя трансформированная (рисунок 3,а). При облучении поперечной волной также образуются отраженные волны «l₁» и «t₁», но трансформированная волна уже продольная, и две преломленные – «l₂» и «t₂, где волна продольного типа «l₂» также трансформированная (рисунок 3,б).

Углы отражения β_e1, β_t1 и α_e1, α_t1 преломления (ввода) отсчитываются от нормали к границе раздела в точке падения (ввода), они связаны между собой и углом падения β через соответствующие скорости законом Снеллиуса (закон «синусов» в оптике» в оптике):

 (3)

Здесь C_e1, C_t1 скорости продольной и поперечной волн в первой среде;

C_e2, C_t2 – то же, но во второй среде.

Из соотношения Снеллиуса следует: для волны одного типа угол отражения равен углу падения; угол отражения волны другого типа, чем падающая, а также углы преломления волн тем больше, чем выше скорость их распространения.

Частный случай - нормальное падение волны. Это наиболее простая ситуация, так как β=0 и, следовательно, α=0. Отсюда главная особенность – нет явления трансформации волн, отраженная и прошедшая волны будут того же типа, что и падающая.

1) β_e=0 – нормальное падение «1» - волны. Тогда

и

Данный случай сводится к частному, трансформация отсутствует, выражения для R и D совпадают.

2) Увеличиваем угол падения (Рисунок 6а) до тех пор, когда уже продольная волна не вводится во вторую среду, а «скользит» вдоль границы раздела, т.е. α_e=90⁰. При этом угол падения принимает значение β_e= β_kp1. Из (3) при α_e=90⁰ получаем, что sin β_kp1=C_e1/C_e2. Так C_e1/C_e2 1, то такой угол существует, если β_kp1=27,5⁰. Например, для пары «оргстекло-сталь» первый критический угол β_kp1=27,5⁰

3) Пусть в диапазоне β_e> β_kp1 растет β_e. Теперь (рисунок 6,б) во вторую среду вводится поперечная волна. При значении β_e= β_kp2 уже поперечная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред. Из (3) очевидно, что sinβ_кр2=С_e1/C_t2, так как α_t=90⁰, это означает, что β_kp2существует, когда C_t2 C_e1. Например, для пары «оргстекло-сталь» второй критический угол существует и равен 54⁰. Заметим, что выполнение условия β_kp1<β< β_kp2 на практике используется как способ возбуждения поперечных волн. За вторым критическим углом во вторую среду уже ничто не вводится. Вдоль поверхности в этом случае распространяется неоднородная волна. Она самостоятельно не существует, в данном случае она «живет» за счет энергии падающей, является продольной, но на своем пути теряет энергию, переизлучая ее в поперечную (рисунок 4,б), и с глубиной быстро затухает.

а б в

Рисунок 4 - Отражение и преломление ультразвуковых волн при различных углах падения

1.               Поперечная волна падает под углом β_t на границу раздела твердой и газообразной сред. Для любого твердого материала (первая среда) существует такой угол β_kp3, когда отраженная продольная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред (рисунок 4,в). Тогда , что возможно, так как всегда /. При углах, больших β_kp3, эта неоднородная волна существует, но энергию она отдает сразу. Для пары «сталь-воздух» третий критический угол β_kp3=34⁰.

Теперь можно проследить, как изменяются коэффициенты отражения R_tt и R_t1 и коэффициенты прозрачности D_llи D_lt, это иллюстрируется рисунке 5. На рисунке 5, а показана зависимость D_ll (β) и D_lt(β) для пары «оргстекло-сталь». В области малых углов β_l=(0-10⁰) в стали существует практически только продольная волна, что используется при ультразвуковом контроле КП. Далее, вплоть до первого критического угла  идет область одновременного существования волн двух типов. Эту область в дефектоскопии используют редко. В интервале между первым и вторым критическими углами существует только поперечная волна. Эту область наиболее часто используют в дефектоскопии КП для возбуждения в стали поперечных волн. За вторым критическим углом  может быть возбуждена поверхностная волна.

а б

Рисунок 5 – Зависимости  и при отражении волны от границы раздела «твердая среда-газ»

На рисунок 5, б показаны  и при отражении волны от границы раздела «твердая среда-газ». При угле падения резко падает амплитуда поперечной волны и возрастает амплитуда продольной. При углах 0 и .

Величиной углов отражения и преломления плоских ультразвуковых волн подчиняются закону Снеллиуса только в том случае, если поверхность раздела сред является зеркально-плоской. Однако на практике таких поверхностей нет. Чистота их обработки определяется средним размером высоты шероховатостей. Поверхность может считаться «акустически зеркальной», если размер длины волны в несколько раз превышает уровень шероховатости. Если же размеры шероховатости соизмеримы с длиной волны, то поверхность считается диффузной, т.е. когда отраженные и преломленные волны случайным образом рассеиваются в различных направлениях.