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 βe1, βt1 и αe1, αt1 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 Ce1, Ct1 скорости продольной и поперечной волн в первой среде;

Ce2, Ct2 – 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) βe=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. αe=900. При этом угол падения принимает значение βe= βkp1. Из (3) при αe=900 получаем, что sin βkp1=Ce1/Ce2. Так Ce1/Ce2 1, то такой угол существует, если βkp1=27,50. Например, для пары «оргстекло-сталь» первый критический угол βkp1=27,50

3) Пусть в диапазоне βe> βkp1 растет βe. Теперь (рисунок 6,б) во вторую среду вводится поперечная волна. При значении βe= βkp2 уже поперечная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред. Из (3) очевидно, что sinβкр2e1/Ct2, так как αt=900, это означает, что βkp2существует, когда Ct2 Ce1. Например, для пары «оргстекло-сталь» второй критический угол существует и равен 540. Заметим, что выполнение условия βkp1<β< βkp2 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 βt на границу раздела твердой и газообразной сред. Для любого твердого материала (первая среда) существует такой угол βkp3, когда отраженная продольная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред (рисунок 4,в). Тогда , что возможно, так как всегда /. При углах, больших βkp3, эта неоднородная волна существует, но энергию она отдает сразу. Для пары «сталь-воздух» третий критический угол βkp3=340.

Теперь можно проследить, как изменяются коэффициенты отражения Rtt и Rt1 и коэффициенты прозрачности Dllи Dlt, это иллюстрируется рисунке 5. На рисунке 5, а показана зависимость Dll (β) и Dlt(β) для пары «оргстекло-сталь». В области малых углов βl=(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.


Информация о работе «Ультразвуковой контроль ближней подступной части оси колесной пары»
Раздел: Промышленность, производство
Количество знаков с пробелами: 39336
Количество таблиц: 1
Количество изображений: 6

0 комментариев


Наверх