14. Как используется наличие критических углов в практике контроля?

15. Как определить угол падения акустических волн при заданном угле ввода пучка в объект? Обратная задача.

16. Особенности отражения волн от свободной границы твердого тела. Обменные углы.

В практике акустического контроля весьма часто приходится встречаться с отражением от свободной поверхности волны, которая распространяется внутри твердого тела.

В случае падения поперечной волны существует третий критический угол, равный 3030 для стали. При углах больше критического коэффициент отражения продольной волны обращается в ноль, а поперечной - равен по модулю единице. Но при этом меняется его фаза, в результате чего возникает явление незеркального отражения.

При углах 68 для продольных и 31 для поперечных волн в стали коэффициенты отражения нетрансформированных волн имеют минимум. Это означает, что подавляющая часть энергии при этих углах падения переходит в трансформированную волну. Углы с максимальной трансформацией волн называются обменными. Они связаны между собой зависимостью

(1.54)

Р ассмотрим отражение волны от прямого двугранного угла. В случае падения луча (или плоской волны) на прямой двугранный угол (рисунок 1.20) происходит двукратное отражение луча от граней угла, приводящее к параллельному его смещению. При падении на двугранный угол сферической волны от источника О отражение происходит как от плоскости mn, отраженные лучи как бы излучаются мнимым источником O, но только нижние лучи становятся верхними и наоборот. Если двугранный угол образуется поверхностями твердого тела, то при каждом отражении может происходить трансформация волн. Вследствие этого амплитуда однотипной волны, отраженной в сторону источника излучения, может существенно уменьшиться при определенных углах падения. Если волна падает под большим углом к одной из граней, то в результате интерференции падающей и отраженной волн отраженная волна ослабляется.

Рисунок 1.20 – Схема отражения волн от прямого двугранного угла.

17. Дифракция волн в твердых телах. Явление поляризации для акустических волн.

Законы геометрической оптики правильно описывают поля распространения и рассеяния в широком интервале углов падения, частот колебаний и форм отражателей. Однако существуют зоны, в которых законы ГО не выполняются, и тем не менее поле в окрестности этих зон не имеет разрывов. Составляющие поля, «сшивающие» разрывы, и представляют собой дифракционные поля.

Под дифракцией в широком смысле понимают явление, возникающее при встрече волны с препятствиями. Амплитуда и фаза волны, встретившей при распространении в однородной среде препятствие, изменяются, и эта волна проникает в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути.

В электродинамике и акустике под дифракцией понимают особенности поведения волновых полей, которые не могут быть описаны посредством законов ГО. В соответствии с этим опреде­лением законы ГО нарушаются в переходных зонах, где обра­зуются не учитываемые этими законами дифракционные поля.

В твердом теле существуют зоны четырех типов, в которых законы ГО неприменимы:

1. Острые края дефектов и, как предельный случай, края трещин.

2. Зоны поверхности гладких тел, в которых лучи касаются поверхности

3. Зоны третьего типа и соответственно дифракционные поля третьего типа образуются при падении волн на границу раздела двух сред или на свободную границу среды под первым, вторым или третьим критическими углами. При этом образуются головные волны, которые в свою очередь порождают семейство дифракционных боковых волн в обеих средах.

4. Дифракционные поля четвертого типа (рефракционные поля) образуются в слоисто-неоднородных средах, в которых групповая скорость меняется, например, по линейному закону, лучи отклоняются от прямолинейного распространения; и существуют зоны, в которых образуются каустики, т. е. семейства огибающих лучей, которые, двигаясь по разным направлениям, собираются в одной точке. В этих зонах образуются дифракционные поля и соответственно волны дифракции четвертого типа.

Все названные зоны являются источниками волн дифракции, которые, распространяясь в разных направлениях, проникают как в освещенную область и интерферируют в ней с отраженными и преломленными волнами, так и в область тени, образуя суммарное поле в объекте.

Рисунок 2 - Поляризованная волна

Рисунок 1 – Типы дифракции в твердых телах.

Поляризация:

При падении продольной волны на границу раздела двух сред возникают смеще­ния и напряжения, ориентированные только в плоскости падения. Следовательно, век­торы смещения частиц в отраженных и преломленных волнах лежат в этой же плоскости. В продольных вол­нах векторы направлены вдоль направления распростра­нения волны, а в поперечных - перпендикулярны им. Таким образом, в данном случае поперечная волна ли­нейно поляризована в плоскости падения.

В реальных условиях, когда излучатель продольной волны имеет ограниченные размеры, на линейно поля­ризованную поперечную волну, вводимую в изделие, на­кладывается так называемая естественная или неполя­ризованная поперечная волна. Она возникает в связи со случайными изменениями каких-либо свойств излуча­теля ультразвука, например неравномерностью распре­деления пьезомодулей по поверхности пьезопластины или случайными локальными нарушениями плоскости контактных поверхностей. Колебания частиц в таких волнах лежат в плоскости, перпендикулярной направле­нию распространения волны, но с равной вероятностью могут быть ориентированы в любом направлении этой плоскости.

Коэффициент поляризации линейно поляризованной волны Р = 1, волны с круговой поляризацией Р = 0, а эллиптически поляризованной волны (ее понятие будет дано ниже) — промежуточное значение. Эксперимента­ми показано, что соотношение амплитуд линейно поля­ризованной и естественной частей составляет не менее 30 дБ.

Во всех случаях, представляющих интерес, можно считать, что поперечная волна, вводимая в изделие с помощью наклонных пьезопреобразователей, линейно поляризована в плоскости, перпендикулярной границе раздела сред. Такая волна называется вертикально поляризован­ной, или SV-волной.