2.3 Отражение и преломление акустических волн

Падающая на границу двух полубезграничных сред акустическая волна частично проходит через границу, а частично отражается от нее. При этом мо­жет происходить трансформация типов волн. В наиболее общем случае грани­цы двух твердых сред (рис.2.4) возникают две (продольная и поперечная) от­раженные и две преломленные волны. Направления отраженных и прошедших волн определяются из закона синусов (закона Снелиуса):

(2.4)

где С – скорость падающей (продольной или поперечной) волны;

C_l и C_t – скорости продольных и поперечных волн, для нижней среды они помечены индексом «штрих». Этот закон следует из равенства фазовых скоростей вдоль границы для всех волн. Амплитуды прошедшей А_пр и отра­женной А_отр воли характеризуются соответствующими коэффициентами про­зрачности D = А_пр/А₀ и отражения R = А_отр / Ао для каждого типа возникающих волн (А₀ – амплитуда падающей волны).

Рисунок 2.4 – Отражение и преломление волн на границе двух твердых сред

Граница двух твердых тел или жидкость (газ) – твердое тело.

Если одна или обе среды–твердые тела, то из закона синусов (2.4) выте­кает возможность существования нескольких критических углов. Для твердой нижней среды существует два таких угла. Первый критический угол существует, когда падающая волна продольная и Он соответствует условию слияния с поверхностью (превращения в неоднородную) преломленной продольной волны, т.е.

Второй критический угол существует, когда падает продольная волна и . Он соответствует условию слияния с поверхностью (превращения в не­однородную) преломленной поперечной волны, т.е. .

Третий критический угол существует, если из твердого тела на его гра­ницу падает поперечная волна. Поскольку , при угле продольная отраженная волна сольется с поверхностью и станет неоднородной.

Для практики важны случаи, когда на границу твердого тела (объекты контроля) падает из жидкости продольная волна (иммерсионный контроль) или она падает из другого твердого тела.

Дифракция волн

Дифракция (от лат. (diffractus – разломанный) волн – это отклонение волн от геометрических законов распространения при взаимодействии с пре­пятствиями. Соответственно дифракция звука (и ультразвука) – отклонение поведения звука от законов геометрической (лучевой) акустики, обусловленное волновой природой звука. Звуковые поля, созданные дифракцией исходной волны на препятствиях, называют рассеянными или дифрагированными вол­нами.

Ниже рассмотрена дифракция упругих волн на объектах правильной гео­метрической формы, имитирующих реальные дефекты. Точное решение боль­шинства задач о дифракции упругих волн обычно вызывает затруднение, по­этому пользуются приближенными методами.

Согласно теории Юнга, поле, возникающее в результате дифракции волн,– это результат интерференции волн, распространяющихся по геометри­ческим законам, и дифрагированных волн, возникающих в особых точках, в которых граничные условия имеют разрыв. Геометрическим местом таких то­чек являются границы препятствия, ребра на его поверхности. Согласно теории Френеля, поле дифракции возникает как результат действия фиктивных вто­ричных источников, возбуждаемых падающей волной на препятствии (при от­ражении) или вне его (при прохождении). В равных условиях результаты вы­числений обоими методами совпадают.

Рефракция акустических волн

Рефракция (от позднелат. refractio – преломление) в широком смысле то же, что преломление волн. Применительно к акустическим волнам под рефрак­цией понимают непрерывное изменение направления акустического луча в не­однородной среде, скорость волн в которой зависит от координат. Это явление наблюдают в слоисто-неоднородных и анизотропных средах, в которых ско­рость меняется по определенному закону. Такую среду можно представить как состоящую из бесконечного количества бесконечно тонких слоев, в каждом из которых скорость звука постоянна, но меняется скачком на границах между слоями. Для определения поведения луча применяют закон синусов к границе двух таких слоев , где – угол скольжения. В результате изменения скорости с лучиотклоняются от прямолинейного направления, образуются «зоны молчания» и наоборот – зоны концентрации энергии, в которых возникают каустические поверхности.

Примерами сред с изменяющейся скоростью распространения волн, встречающихся в практике акустического контроля, служат сварные швы из аустенитной стали, трансверсально изотропные неметаллические материалы, поверхностно закаленные изделия (рельсы, валки холодной прокатки, оси и втулки некоторых механизмов). В них специальной термической обработкой придают повышенную твердость наружным слоям, а внутренние слои металла остаются незакаленными, вязкими. Их называют сырыми.

Рассмотрим явление рефракции в изделиях, закаленных токами промыш­ленной частоты – 50 Гц. В отличие от закалки токами высокой частоты, когда закаленный слой тонок и переход от него к сырому металлу происходит резко, при закалке токами промышленной частоты закаленный слой имеет толщину 2...30 мм, а переходной слой 5... 50 мм. Характерным примером такого изделия является валок, используемый в станах для прокатки ненагретых или слабо на­гретых изделий – валок холодной прокатки.