Отражение и преломление продольных волн на границе раздела двух сред

Если продольная волна падает перпендикулярно на плоскую границу раздела двух сред, которые имеют разные акустические сопротивления, ТО ЧАСТЬ ЕЕ ЭНЕРГИИ ПЕРЕХОДИТ В ДРУГУЮ СРЕДУ, А ЧАСТЬ ОТРАЖАЕТСЯ ВПЕРВЫЕ, ПРИЧЕМ ПРОХОДЯЩАЯ И ОТРАЖЕННАЯ ВОЛНЫ БУДУТ ТОГО ЖЕ ВИДА, ЧТО И ПАДАЮЩАЯ ВОЛНА. Часть ОТРАЖЕННОЙ энергии тем больше, чем больше разность акустических сопротивлений сред. Так, например если между защитным дном из органического стекла прямой искательной головки (1 среда) и поверхностью контролируемой детали из стали (2 среда) будет воздушный зазор, то от него отразится в дно вся энергия упругих волн, потому что акустическое сопротивление в этих средах значительно отличается (табл.4.2). Для улучшения акустического контакта между поисковой головкой и деталью, которая проверяется, наносится тонкий слой минерального масла, чтобы не было воздушного зазора. При этом удается ввести в металл около 10-12% излучаемой головкой энергии.

Если продольная волна L падает на границу раздела двух твердых сред под углом, то отраженная и прошедшая волны преломляются и трансформируются на продольные L΄L΄΄и сдвиговые волны S΄S΄΄, которые распространяются в первой и второй среде под разными углами (РИСУНОК 4.3). На практике для обеспечения падения продольных волн под углом между пьезопластиной и контролируемой деталью размещают призму из органического стекла. В этом случае угол α между падающим лучем LO и перпендикуляром NM к поверхности раздела в точке О называется углом падения: углы β΄ и γ΄–углами отражения; углы β и γ – углами преломления (или углами введения соответственно продольной и сдвиговой волн)

Рис.4.3 –Схема отражения и прохождения упругих волн на границе двух сред при наклонном падении лучей.

Законы отражения и преломления упругих волн аналогичны законам геометрической оптики. При ρ₁C₁ >ρ₂C₂ углы падения, отражения и преломления связаны соотношением:

sinα/С_пр1=sin γ΄/С_сдв2 =sinβ/С_пр2 =sinγ/С_сдв1

Где С_пр1, С_пр2, С_сдв1, С_сдв2 - скорости распространения продольных и сдвиговых волн в первой и второй среде, соответственно.

При некотором значении α=α_кр (первый критический угол) преломленные продольные волны распространяются по поверхности, не проникая в глубину другой среды, (рис.4.4 а). При дальнейшем увеличении угла падения до значения (второй критический угол) по поверхности распространяются преломленные волны сдвига (рис. 4.4 б).

Для упругих волн полной мерой справедлив закон оборотности: падающая волна с другой среды на границу с первым под углом β или γ после преломления войдет в первую среду под углом α.

Свойства упругих волн используют при конструировании поисковых головок для контроля изделий сдвиговыми и поверхностными волнами.

Рис.4.4 Схемы распространения продольной(а) и сдвиговой (б) преломленных волн вблизи границы раздела сред при критических углах падения.

Зная скорость распространения, например ультразвуковых волн в призме головки и в контролируемом изделии можно рассчитать углы распространения продольных и сдвиговых волн во второй среде в зависимости от угла α. Так, например, на рис. 4.5 показано график зависимости углов γ΄, β и γ от угла падения α для призмы из органического стекла. С помощью графика можно определить значения углов распространения отраженных и преломленных волн в этих средах в зависимости от угла α.

Рассмотренные случаи отражения и преломления упругих волн справедливы только для плоских и гладких (зеркальных) поверхностей соприкасающихся сред. Если поверхности раздела имеют неровности. Высота каких превышает 0,05-0,1 длины волны, то наблюдается диффузионное отражение и преломление, что приводит к перекручиванию волнового поля отраженных и преломленных волн. (рис 4.6)

Рис.4.6 Схема отражения и прохождения продольных волн на границе двух сред:

а- зеркальное отражение и преломление, б - диффузионное отражение и преломление

На законах прямолинейного распространения упругих волн в металлах и отражения от дефектов основано акустические методы контроля. Если размер дефекта в металле равен длине волны или меньше ее, то лучи почти не отражаются от него, а огибают дефект и рассеиваются. Отражение лучей наблюдается в случае, когда размеры дефекта больше длины упругой волны. Учитывая, что дефекты типа нарушения сплошности металла имеют шероховатую поверхность, то отражение упругих волн от них происходит диффузионным путем.