10. Дифракция и поляризация акустических волн.

В основе большинства способов, реализующих ультразвуковые методы неразрушающего контроля, используется лучевое представление о распространении и рассеянии ультразвуковых волн на дефектах, размеры которых существенно больше длины волны, подчиняющееся законам геометрической оптики (ГО). Согласно этому представлению каждую точку дефекта рассматривают как вторичный излучатель звука, а амплитуду отраженной волны вне дефекта считают равной нулю. Замечательной особенностью законов ГО является их локальность. Поле в приближении ГО как бы распадается на совокупность лучевых трубок, которые можно рассматривать как каналы; по каждому из них распространяется энергия, независимо от наличия соседних каналов.

Законы ГО 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:

- острые края дефектов и, как предельный случай, края трещин. Лучи первичного поля, касаясь края трещины, порождают дифракционное поле первого типа (рисунок 1.21, а).

- зоны поверхности гладких тел, в которых лучи касаются поверхности (рисунок 1.21, б). В этом случае формируются волны, огибающие поверхности тел, которые в свою очередь порождают дифракционные волны соскальзывания. В этих зонах формируется дифракционное поле второго типа.

- 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 (рисунок 1.21, в). При этом образуются головные волны, которые в свою очередь порождают семейство дифракционных боковых волн в обеих средах.

Рисунок 1.21 – Типы дифракции в твердых телах.

- 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 (рисунок 1.21, г). В этих зонах образуются дифракционные поля и соответственно волны дифракции четвертого типа.

Следует отметить, что этими типами дифракции не ограничивается все многообразие дифракционных полей в твердом теле. Существуют, например, дифракция в ближней зоне преобразователей, дифракция узких пучков излучения. Они достаточно хорошо изучены и частично будут рассмотрены в других разделах. В данном разделе рассматриваются дифракционные поля, которые связаны в основном с физическими особенностями твердого тела и в меньшей степени с преобразователями.

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.

Несмотря на общие законы образования рассматриваемых полей дифракции, каждому из них присущи свои характерные особенности. Рассмотрим некоторые из них.

Поляризация ультразвука:

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.

Таким образом, 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.

Если предположить, что частицы в поперечной волне колеблются перпендикулярно плоско­сти падения, т. е. вдоль границы раздела двух сред, то такая волна называется горизонтально поляризованной, или SH-волной. Такие волны могут быть реализованы с помощью специальных преобразователей.