Явления на границе двух сред

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.

Отражениемназывается 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 С_l из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:

c_l1 – отраженная продольная волна;

c_t1 – отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

c_l2 - преломленная продольная волна;

c_t2 – преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

 

При падении поперечной волны С_t из твердой среды на границу раздела с другой твердой средой образуется:

 

c_t1 – отраженная поперечная волна;

c_l1 – отраженная продольная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн;

c_t2 – преломленная поперечная волна;

c_l2 - 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:

 

sinβ_l1/c_l1 = sinβ_l1/c_l1= sinβ_t1/c_t1 = sinα_l2/c_l2 = sinα_t2/ c_t2

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 с_t2, возникающей вследствие трансформации, частицы колеблются в плоскости падения (плоскость, перпендикулярная к границе раздела, проходящая через падающий луч с_l1 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.