3. Поняття першого, другого і третього критичних кутів

Закони відбиття і заломлення УЗХ аналогічні законам геометричної оптики. Зустрічаючи на своєму шляху інше середовище, відмінне за своїми властивостями (хвильовий опір, густина), УЗХ частково відбиваються, а частково проходять в це середовище, де поглинаються. При проходженні через дане середовище відбувається явище дифракції і інтерференції.

Явище дифракції пов’язане з тим, що коли на шляху поширення УЗХ зустрічаються перешкоди, співрозмірні з довжиною хвилі, то поширення цих хвиль не відповідає законам геометричної оптики. В цьому випадку УЗХ можуть або огинати ці перешкоди, утворюючи акустичні поля в таких місцях, куди не проникає акустичний прямолінійний промінь, або відбиватися від них. Якщо розміри перешкоди рівні або менші за довжину хвилі, то промені розсіюються навколишнім середовищем. Відбиття променів буде спостерігатися тоді, коли розміри перешкоди більші за довжину хвилі.

Інтерференція – це результат складання двох або декількох когерентних коливань, які діють на одну і ту ж точку простору. При роботі п’єзоперетворювача в режимі неперервних коливань, в результаті інтерференції акустичне поле в ближній зоні складне і інтенсивність їх змінюється стрибкоподібно. Інтерференція може привести до виникнення стоячих хвиль, які характеризуються тим, що вздовж осі поля проходить чергування нерухомих точок, які коливаються з максимальною амплітудою.

На границі розділу двох середовищ (вважаємо, що це границя у вигляді площини) повздовжня хвиля в середовищі густиною ρ₁ і швидкістю с₁ доходить до границі з іншим середовищем густиною ρ₂ і швидкістю с₂ під певним кутом α (див.рис.)

На рисунку параметри з індексами l відносяться до повздовжніх хвиль, а з індексами t – до поперечних хвиль.

При перпендикулярному падінні УЗ-променів на границю розділу двох середовищ, відбитий промінь також буде перпендикулярний до даної границі.

При нахиленому падінні УЗХ на границю розділу двох середовищ, частина хвилі відіб’ється від межі під певним кутом, а частина буде поширюватися в інше середовище. Якщо перше середовище є твердим тілом, в якому можуть поширюватися як поперечні так і поздовжні коливання, то частина енергії падаючої хвилі (поздовжньої) перетвориться в зсувну хвилю (поперечну).

Якщо промені падають на границю розділу двох середовищ під кутами, які відрізняють від прямого, то поряд із відбитими хвилями спостерігаються заломлені хвилі, причому відношення синусів кутів падіння, відбиття і заломлення рівне відношенню швидкостей поширення коливань відповідно в середовищах І і ІІ, тобто:

.

Ця формула носить назву закону синусів або закону Снеліуса.

Кут α, при якому повздовжня хвиля ковзає по осі Х, називається першим критичним кутом. Кут α, при якому поперечна хвиля ковзає по осі Х, а повздовжня буде повністю відбиватися, називається другим критичним кутом. Якщо на границю розділу двох середовищ з різним імпедансом під певним кутом пропускати поперечну хвилю так, щоб повздовжня хвиля ковзала по осі Х, то цей кут називається третім критичним кутом.

Оскільки в металах швидкість поширення поперечної хвилі приблизно в два рази менша швидкості поширення повздовжньої хвилі, то кут, під яким відбивається поперечна хвиля, буде меншим від кута, під яким відбивається повздовжня хвиля.