7. Отражение и прохождение акустических волн при нормальном падении на границу двух сред, разделенных тонким слоем. Просветление границы.

Если две протяженные среды разделены слоем толщиной h, то коэффициенты отражения и прохождения зависят от соотношения толщины слоя и длины волны. При нормальном падении волны полуволновой слой (или кратный ему) не влияет на прохождение и отражение. Четвертьволновой слой (или равный нечетному числу четвертей волн) приводит к ухудшению прохождения, когда акустический импеданс слоя одновременно больше или меньше импедансов протяженных сред (симметричный случай). Тот же слой обеспечивает увеличение коэффициента прохождения, если импеданс слоя меньше импеданса одной из сред, но больше импеданса другой среды (несимметричный случай).

К оэффициент прохождения достигает единицы, т.е. граница полностью просветляется, когда

В случае очень тонкого слоя, т.е. h<<l, по обе стороны от которого расположены одинаковые среды с z₁=z₂, коэффициент отражения определяется формулой

8. Отражение 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)

Рассмотрим 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.

Если две протяженные среды разделены слоем толщиной h, то коэффициенты отражения и прохождения зависят от соотношения толщины слоя и длины волны. При нормальном падении волны полуволновой слой (или кратный ему) не влияет на прохождение и отражение. Четвертьволновой слой (или равный нечетному числу четвертей волн) приводит к ухудшению прохождения, когда акустический импеданс слоя одновременно больше или меньше импедансов протяженных сред (симметричный случай). Тот же слой обеспечивает увеличение коэффициента прохождения, если импеданс слоя меньше импеданса одной из сред, но больше импеданса другой cреды (несимметричный случай). Коэффициент прохождения достигает единицы, т.е. граница полностью просветляется, когда

(1.55)

(1.56)

В случае очень тонкого слоя, т.е. h<<, по обе стороны от которого расположены одинаковые cреды с z₁=z₂, коэффициент отражения определяется формулой

(1.57)

Для коротких импульсов и слоев с большим затуханием звука указанные закономерности выполняются приближенно. Практически значения коэффициента отражения равны. Например, для границы воздух - сталь , т.е. энергия практически полностью отражается. Если в стальном изделии имеется зазор толщиной 10^-4 мм, то по формуле (1.57) при частоте 2,5 МГц , а при толщине зазора 10^-6 мм - и наблюдается заметное прохождение звука. Такое же сильное отражение будет наблюдаться от границы преобразователя с объектом контроля, если не заполнить этот промежуток жидкостной пленкой. Дефекты, заполненные окислами или другими веществами, будут тем хуже отражать ультразвук, чем ближе их акустические свойства к свойствам объекта контроля.