ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Отражение и преломление акустических волн из "Акустические методы контроля Книга 2 " Граница двух жидких сред. Контролируемая неразрушающими методами среда всегда твердая, поэтому этот случай в практике АК не встречается, однако он сравнительно просто поддается анализу, так как в жидкостях имеются только одна отраженная и одна преломленная волны. На его примере удобно рассмотреть основные закономерности отражения и преломления акустических волн. [c.35] Здесь через Zbx обозначен суммарный импеданс снизу от границы. По отношению к волне, падающей сверху, он является входным. [c.36] Рассмотрим случаи, когда скорость звука в нижней среде больше, чем в верхней. Именно этот вариант изображен на рис. 1.11. С увеличением угла волна в нижней среде приближается к границе и при угле = = ar sin сольется с ней. Это значение называют критическим. [c.37] Коэффициент отражения является комплексной величиной, причем R =1, т. е. отраженная волна имеет амплитуду, равную амплитуде падающей волны, но изменяет при отражении свою фазу. Изменение этой фазы на величину, не кратную я, при углах больше критического приводит к явлению незеркального отражения. [c.37] Экспериментально установлено [1], что если на границу раздела сред падает ограниченная плоская волна под углом, несколько большим критического, то отраженный пучок лучей как бы смещается вдоль поверхности тела относительно падающего (рис. [c.37] Смещение пучка Д тем больше, чем ближе угол падения р к критическому значению. Поэтому данное явление можно рассматривать как перенос энергии вдоль поверхности неоднородной волной. Чем ближе угол р к критическому значению, тем больше амплитуда неоднородной волны на заданной глубине, тем больше расстояние она пробегает вдоль поверхности. [c.38] Перенос энергии вдоль поверхности хорошо интерпретируется с точки зрения принципа Ферма. Этот принцип состоит в том, что волновой процесс распространяется от одной точки к другой по линии, вдоль которой время его прохождения экстремально. Чаще всего —это минимальное время. Из принципа Ферма можно получить все законы распространения, отражения и преломления волн. Например, при преломлении на границе вода — сталь звук идет таким образом, чтобы путь в воде (где скорость меньше) был короче, а в стали — длиннее. [c.38] Несколько изменив пример, приведенный в Фейнмановских лекциях по физике, представим себе такую ситуацию. Вы купаетесь и видите, как на берегу хулиганы обижают вашу девушку. Вы устремляетесь к ней на помощь. Если вы не знаете принципа Ферма, то помчитесь к ней напрямик. Но если вы этот принцип знаете, то учтете, что плаваете вы медленнее, чем бегаете, поэтому постараетесь доплыть до берега более коротким путем. [c.38] Возвращаясь к случаю переноса звуковой энергии вдоль поверхности, отметим, что при отражении от границы вода — сталь будут два экстремума соответствующий зеркальному распространению звука в воде и соответствующий случаю, когда часть пути звук пройдет вдоль поверхности стали (существование в стали других волн, кроме продольных, не учитываем). Энергия будет распротраняться обоими экстремальными путями. Значительная часть энергии пойдет по пути образования неоднородной поверхностной волны, так как время распространения в этом случае—-наикратчайшее. [c.38] В свете этого рассмотрим падение сферической волны от источника О на границу раздела сред (рис. 1.13). На большом расстоянии от источника каждый луч можно приближенно рассматривать как плоскую волну и применять к нему полученные выше закономерности отражения и преломления для плоской волны. Для лучей ОА и ОВ, угол падения которых меньше критического, происходит обычное отражение и преломление волн. Отраженные лучи как бы распространяются из мнимого источника О. [c.38] Граница двух твердых тел или жидкость (газ) — твердое тело. [c.39] Если одна или обе среды — твердые тела, то из закона синусов (1.24) вытекает возможность существования нескольких критических углов. Для твердой нижней среды существует два таких угла. Первый критический угол существует, когда падающая волна продольная и id i. Он соответствует условию слияния с поверхностью (превращения в неоднородную) преломленной продольной волны, т. е. = ar sin (сг/сг ). В 1.1 отмечалась возможность возбуждения при несколько меньшем угле на слабонагруженной поверхности головной волны. Практически эта волна совпадает с неоднородной продольной волной. [c.39] Второй критический угол существует, когда падает продольная волна и i t. Он соответствует условию слияния с поверхностью (превращения в неоднородную) преломленной поперечной волны, т. е. =ar sin( / /). [c.39] Третий критический угол существует, если из твердого тела на его границу падает поперечная волна. Поскольку t i, при угле iii = ar sin( i/ i) продольная отраженная волна сольется с поверхностью и станет неоднородной. [c.39] Явления на границе раздела пластмасса — металл или жидкость — металл очень часто используют в дефектоскопии для возбуждения волн определенного типа в заданном направлении. Из рис. 1.14 видно, что в области малых углов падения (О... [c.40] вплоть до первого критического угла, идет область существования двух типов волн одновременно. Наличие интенсивных продольной и поперечной волн в ОК затрудняет расшифровку результатов контроля, поэтому эту область углов падения используют в дефектоскопии редко. При угле, близком к первому критическому возбуждают головную волну. Между первым и вторым критическими углами существует только поперечная волна. Эту область часто используют в ультразвуковой дефектоскопии для возбуждения наклонных к поверхности поперечных волн. За вторым критическим углом при определенном угле падения возбуждается поверхностная волна. [c.40] Свободная граница твердого тела. В ультразвуковой дефектоскопии весьма часто приходится встречаться с отражением от поверхностей волны, распространяющейся внутри твердого тела. При отражении продольной и вертикально поляризованной поперечной волн происходит трансформация типов волн. [c.41] Графики углов и коэффициентов отражения для стали приведены в Приложении. Максимумы коэффициентов отражения по амплитуде смещения на этих графиках для трансформированных волн больше единицы. Однако с учетом того, что при трансформации происходит изменение плоскости колебаний и скорости распространения волн, законы сохранения импульса и энергии при этом не нарушаются. [c.41] Как уже упоминалось, при падении поперечной волны существует третий критический угол Для стали он равен 33,5 . При углах больше критического коэффициент отражения для продольной волны обращается в нуль, а для поперечной по модулю равен единице. Однако при этом изменяется его фаза, в результате чего возникает явление незеркального отражения. Смещение энергии вдоль поверхности необходимо учитывать при расчете амплитуды отражения от дефектов вблизи поверхности ОК (см. 2.2). [c.41] При углах 68° для продольных и 31° для поперечных волн для стали (эти углы связаны между собой законом синусов) коэффициенты отражения нетрансформированной волны в стали имеют минимум. Это означает, что подавляющая часть энергии при данных углах падения переходит в трансформированную волну. Соответствующие углы будем называть квазиобменными (в отличие от обменных углов, при которых происходит полная трансформация волн). [c.41] Вернуться к основной статье