Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5-1 Явления на границе двух сред
Рассмотрим основные явления, происходящие на границе раздела двух сред, предполагая, что плоская ультразвуковая волна падает на плоскую границу раздела двух полубесконечных сред. Предположим также, что граница раздела – гладкая, то есть на ней отсутствует рассеяние ультразвука, связанное с шероховатостью поверхности. Будем считать, что ультразвуковые волны подчиняются законам геометрической акустики.
В общем случае на границе раздела могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волн.
Отражением называется изменение направления волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду.
Преломлением называется изменение направления волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду.
Трансформацией (расщепление) называется преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.
При падении продольной волны Сl из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:
cl1 – отраженная продольная волна;
ct1 – отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
cl2 - преломленная продольная волна;
ct2 – преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
При падении поперечной волны Сt из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:
ct1 – отраженная поперечная волна;
cl1 – отраженная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
ct2 – преломленная поперечная волна;
cl2 - преломленная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.
На границе раздела углы отсчитываются от нормали (перпендикуляра) к поверхности раздела двух сред, проходящей через точку падения.
Углы отражения и преломления зависят от скоростей звука в обеих средах и связаны между собой законом Снеллиуса:
sinβl1/cl1 = sinβl1/cl1= sinβt1/ct1 = sinαl2/cl2 = sinαt2/ ct2
β с соответствующими индексами - углы падения и отражения,
α – углы преломления
c с соответствующими индексами – скорости распространения продольной и поперечной в соответствующих средах.
Из выражения следует, что угол отражения для волн одного типа равен углу падения.
Ранее отмечалось, что направление смещения частиц в поперечной волне перпендикулярно направлению распространения волны. Эта особенность поперечной волны обуславливает возможность возникновения поляризации.
Поляризацией называется нарушение симметрии распределения смещений и скоростей в упругих волнах относительно направления распространения.
В частности, в поперечной волне сt2, возникающей вследствие трансформации, частицы колеблются в плоскости падения (плоскость, перпендикулярная к границе раздела, проходящая через падающий луч сl1 и нормаль к границе раздела) в направлении v.
Поперечная волна, в которой частицы колеблются в плоскости падения, называется вертикально-поляризованной или SV-волной.
Поперечные волны, широко применяемые в практике ультразвукового контроля, являются SV-волнами.
Если частицы при распространении поперечной волны колеблются перпендикулярно плоскости падения, то есть вдоль границы раздела двух сред, волна называется горизонтально-поляризованной или SH-волной.
Свойства SH и SV – волн различны. SH – волны могут быть возбуждены только с помощью специальных преобразователей (например электромагнитно-акустических) и применяются в системах автоматизированного контроля.
В продольной волне явление поляризации возникнуть не может. Скорость поперечных волн, их затухание, некоторые другие свойства могут зависеть от вида поляризации. Поляризация может возникнуть:
- при преломлении и отражении волн на границе двух сред;
- из-за отсутствия симметрии в возбуждающем волну излучателе;
- при формировании волны в анизотропной среде.
ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ
1. Нормальное падение.
Если на рисунке βl1=0, то βt1 = αl2 = αt2 = 0, то есть в этом случае волна, прошедшая через границу раздела, не меняет своего направления, тип волны также не меняется.
2. 1-й критический угол.
Если cl1 < cl2 , то αl2 > βl1, следовательно, при некотором угле падения βкр1 < 90о продольная волна скользит по границе раздела, то есть, во второй среде продольная волна не возбуждается.
Наименьший угол падения продольной волны βкр1 , при котором преломленная продольная волна не будет проникать во вторую среду, называется первым критическим углом.
3. 2-й критический угол.
При дальнейшем увеличении угла падения преломленная поперечная волна также начнет скользить по границе раздела.
Наименьший угол падения продольной волны βкр2 , при котором преломленная поперечная волна не будет проникать во вторую среду, называется вторым критическим углом.
При углах падения, меньших, чем второй критически угол, и больших, чем первый, во второй среде возникает лишь поперечная волна.
4. 3-й критический угол.
Рассмотрим падение поперечной волны на границу металл-воздух из металла. При увеличении угла падения наступает такой момент, когда отраженная продольная волна начинает скользить по границе раздела.
Наименьший угол падения поперечной волны βкр3 , при котором отсутствует отраженная продольная волна, называется третьим критическим углом.
Для практики представляет интерес численные значения первого, второго и третьего критических углов при падении волны:
- из органического стекла на границу со сталью βкр1 = 27,26о , βкр2 = 57,4о;
- из воды на границу со сталью βкр1 = 14,76о , βкр2 = 27,20о;
- из стали на границу с воздухом βкр3 = 33,5о .
Из закона Снеллиуса следует, что:
- угол падения равен углу отражения;
- при углах падения меньших чем второй критический угол, и больших, чем первый критический угол, во второ й среде возникает лишь поперечная волна;
- при падении поперечной ультразвуковой волны на границу раздела металл-воздух под углом отличным от нуля в общем случае отраженная волна содержит и продольную и поперечную составляющие этой волны.
Если между слоями 1 с ρ1с1 и 3 с ρ3с3 расположена среда 2 с ρ2с2, то прохождение УЗК из среды 1 в среду 3 улучшается. Максимум прохождения УЗК из среды 1 в среду 3 наступает, когда толщина слоя 2 равна Т=λ/4, а ρ2с2= √ ρ1с1 ρ3с3
Это явление используется для «просветления» границы раздела между средами.
Все приведенные выше соотношения справедливы для отражения ультразвуковых волн от зеркальных поверхностей. Зеркальная поверхность – поверхность, у которой высота неровностей во много раз меньше длины волны λ. Если поверхность раздела двух сред имеет неровности, размеры которых соизмеримы с длиной волны, наблюдается диффузное отражение, при котором волна рассеивается в разные стороны под различными углами. Этим объясняется меньшая амплитуда эхо-сигнала от неровной поверхности, чем эхо-сигнала от зеркальной поверхности при падении ультразвуковой волны перпендикулярно к границе раздела сред.
Отражение при нормальном и наклонном падении волны на отражающую поверхность, а –зеркальное, б- диффузное.
При падении ультразвуковой волны под некоторым углом к границе раздела сред энергия волны, отраженной в направлении к преобразователю, будет тем больше, чем больше неровности отражающей поверхности.
PAGE 4