Наклонное падение УЗ волн на границу раздела двух сред, закон Снеллиуса. Критические углы

В случае наклонного падения, на границе раздела двух сред с различными скоростями ультразвуковых волн могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волны. Отражением называют явление, при котором волна, упавшая на границу раздела двух сред изменяет свое направление распространения в той же среде. Преломление – это изменение направления распространения ультразвуковой волны при прохождении через границу раздела двух сред. Трансформацией называют преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела сред. Трансформация может происходить как при отражении волны, так и при ее преломлении.

Из закона отражения и преломления следует, что угол отражения волны того же типа, что и падающая, всегда равен углу падения волны. При прохождении границы раздела сред, имеющих одинаковые скорости, так же угол преломления будет равен углу падения. Для других случаев углы преломления и отражения волн всегда будут тем больше, чем выше скорости распространения этих волн. Если угол падения b находится в пределах от 0º … 10º, то интенсивность преломленной поперечной волны (C_{t 2}) незначительна, и таким образом, в контролируемое изделие можно ввести практически только продольную волну. Например, для ввода в изделие продольной волны под углом a_{l 2} = 18º угол падения b = 8º, а в прямых раздельно-совмещенных преобразователях угол падения b составляет 0º … 4º. При увеличения угла падения b значения всех остальных углов также увеличиваются. Угол падения, при котором угол преломления или отражения какой-либо волны становится равным 90° называют критическим углом. Так при некотором его значении b = b _КР1 угол преломления продольной волны a_{l 2} приближается к 90⁰, и она начинает скользить по границе раздела сред. Наименьший угол падения продольной волны, при котором продольная волна не проникает во вторую среду называется первым критическим углом b _КР1.Скорость ее распространения и характер смещения частиц аналогичны характеристикам продольной волны, но эта волна быстро затухает вследствие отщепления от нее поперечной волны под углом ~34º. Совокупность распространяющихся в этом случае волн называют головной волной. При дальнейшем увеличении угла падения b наступает момент, когда угол преломления поперечной волны a_{t 2} приближается к 90⁰ и она не проникает во вторую среду, а скользит вдоль поверхности раздела. Наименьший угол падения продольной волны, при котором поперечная волна не будет проникать во вторую среду называется вторым критическим углом b _КР2. Значения первого и второго критических углов можно рассчитать по соответствующим выражениям: sin b _КР1 = C_{l 1} /C_{l 2}, sinb _КР2 = C_{l 1} /C_{t 2}. Так для границы раздела оргстекло–сталь b _КР1»27º, b _КР2»55º и незначительно отклоняется от этих значений в зависимости от марки стали и температуры окружающей среды. Таким образом, при углах падения продольной волны на границу раздела под углами b _КР1< b < b _КР2 в объем твердого тела будет входить только поперечная волна, а при углах падения b>b _КР2 объемные волны во второй среде возбуждаться не будут. Для того чтобы возбудить в контролируемом изделии только поперечную волну – угол падения надо выбирать b _КР1< b < b _КР2.