Рассмотрим основные явления, происходящие на границе раздела двух сред, предполагая, что плоская ультразвуковая волна падает на плоскую границу раздела двух полубесконечных сред. Предположим также, что граница раздела – гладкая, то есть на ней отсутствует рассеяние ультразвука, связанное с шероховатостью поверхности. Будем считать, что ультразвуковые волны подчиняются законам геометрической акустики.
В общем случае на границе раздела могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волн.
Отражением называется изменение направления волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду.
Преломлением называется изменение направления волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду.
Трансформацией (расщепление) называется преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.
При падении продольной волны Сl из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:
|
|
cl1 – отраженная продольная волна;
ct1 – отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
cl2 - преломленная продольная волна;
ct2 – преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
При падении поперечной волны Сt из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:
ct1 – отраженная поперечная волна;
cl1 – отраженная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;
ct2 – преломленная поперечная волна;
cl2 - преломленная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн.
На границе раздела углы отсчитываются от нормали (перпендикуляра) к поверхности раздела двух сред, проходящей через точку падения.
Углы отражения и преломления зависят от скоростей звука в обеих средах и связаны между собой законом Снеллиуса:
sinβl1/cl1 = sinβl1/cl1= sinβt1/ct1 = sinαl2/cl2 = sinαt2/ ct2
β с соответствующими индексами - углы падения и отражения,
α – углы преломления
c с соответствующими индексами – скорости распространения продольной и поперечной в соответствующих средах.
Из выражения следует, что угол отражения для волн одного типа равен углу падения.
Ранее отмечалось, что направление смещения частиц в поперечной волне перпендикулярно направлению распространения волны. Эта особенность поперечной волны обуславливает возможность возникновения поляризации.
Поляризацией называется нарушение симметрии распределения смещений и скоростей в упругих волнах относительно направления распространения.
В частности, в поперечной волне сt2, возникающей вследствие трансформации, частицы колеблются в плоскости падения (плоскость, перпендикулярная к границе раздела, проходящая через падающий луч сl1 и нормаль к границе раздела) в направлении v.
|
|
Поперечная волна, в которой частицы колеблются в плоскости падения, называется вертикально-поляризованной или SV -волной.
Поперечные волны, широко применяемые в практике ультразвукового контроля, являются SV-волнами.
Если частицы при распространении поперечной волны колеблются перпендикулярно плоскости падения, то есть вдоль границы раздела двух сред, волна называется горизонтально-поляризованной или SH -волной.
Свойства SH иSV – волн различны. SH – волны могут быть возбуждены только с помощью специальных преобразователей (например электромагнитно-акустических) и применяются в системах автоматизированного контроля.
В продольной волне явление поляризации возникнуть не может. Скорость поперечных волн, их затухание, некоторые другие свойства могут зависеть от вида поляризации. Поляризация может возникнуть:
- при преломлении и отражении волн на границе двух сред;
- из-за отсутствия симметрии в возбуждающем волну излучателе;
- при формировании волны в анизотропной среде.