4. Продольные, поперечные и поверхностные волны. Способы их возбуждения и скорости распространения.

В жидкостях и газах, которые не обладают упругостью формы, могут распространяться только продольные волны (растяжения - сжатия). Колебания частиц происходят в направлении распространения волны, а фазовая скорость распространения волны определяется выражением

, (1.24)

где К - модуль всестороннего сжатия.

В неограниченных изотропных твердых телах существует два типа волн: волны расширения или продольные и волны сдвига или поперечные. В сдвиговых волнах движение частиц перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом.

Для безграничной cреды скорости распространения этих волн определяются упругими постоянными

(1.25)

(1.26)

В рассматриваемой среде распространение упругих волн имеет пространственный характер и в зависимости от формы фронта волны могут быть плоскими, сферическими и цилиндрическими. Их особенность - независимость фазовой и групповой скоростей от амплитуды и геометрии волны. Схемы сечений волновых поверхностей приведены на рис.1.4.

Отношение скоростей продольной и поперечной волн зависит только от значения коэффициента Пуассона cреды : например в металлах, где 0,3, отношение .

Продольные и поперечные волны (объемные волны) наиболее широко используются для НК материалов и изделий. Эти волны лучше всего выявляют дефекты при нормальном падении на их поверхность.

В ограниченных твердых телах кроме объемных существуют другие типы волн. Вдоль свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверхностные волны, которые являются линейной комбинацией продольной и поперечной волн.

Простейшими и наиболее часто встречающимися поверхностными волнами являются волны Рэлея. Фазовая скорость этих волн определяется выражением

(1.27)

Например для металлов (  0,3) c_s  0,9c_t.

Данные волны способны распространяться на большие расстояния по поверхности твердого тела. Энергия их локализована в поверхностном слое толщиной  - 2. При распространении волны частицы тела движутся, вращаясь по эллипсам, большая ось w которых перпендикулярна границе, а малая u параллельна направлению распространения. Графическое изображение этой волны приведено на рис.1.5. Волны, подобные рэлеевским, могут распространяться не только вдоль плоских, но и вдоль искривленных поверхностей, правда с большим затуханием.

На границе твердое тело - жидкость возможно распространение затухающей и незатухающей волн рэлеевского типа (рис.1.6, а). Затухающая волна рэлеевского типа при распространении непрерывно излучает энергию в жидкость, образуя в ней отходящую от границы неоднородную волну. При распространении незатухающей волны ее энергия и движение частиц локализованы в основном в жидкости.

На границе двух твердых сред, схожих по плотности и модулям упругости, может распространяться поверхностная волна Стонли (рис.1.7, а). Эта волна состоит как бы из двух рэлеевских волн (по одной в каждой среде). Фазовая скорость волн Стонли меньше значений c_l c_t в обеих граничных средах.

На границе твердого полупространства с твердым слоем существуют волны с горизонтальной поляризацией - волны Лява (рис.1.7, б). Эти волны чисто поперечные: в них имеется только одна компонента смещения v, а упругая деформация в волне представляет собой чистый сдвиг.

а) б)

Рисунок 1.7 – Схематическое представление волн Стонли (а) и волн Лява (б).

Рис.1.8 Акустическое поле преобразователя головной волны

Кроме вытекающей возбуждается также головная волна (рис. 1.8), получившая широкое применение в практике УЗ-контроля. Головной называют продольно-подповерхностную волну, возбуждаемую при падении УЗ - пучка на границу раздела под углом, близким к первому критическому. Скорость этой волны равна скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78°. Головная волна, как и вытекающая, порождает боковые поперечные волны под третьим критическим углом к границе раздела. Одновременно с возбуждением продольно-поверхностной волны образуется и обратная продольно-поверхностная волна - распространение упругого возмущения в сторону, противоположную прямому излучению. Ее амплитуда примерно в 100 раз меньше амплитуды прямой волны. Головная волна нечувствительна к неровностям поверхности и реагирует лишь на дефекты, залегающие под поверхностью. Ослабление амплитуды продольно-подповерхностной волны вдоль луча любого направления происходит как в обычной объемной продольной волне, то есть пропорционально 1/r