Интерференция волн

ЛЕКЦИЯ 8 - Поле излучения круглого ПЭП. Диаграмма направленности

ЗАДАЧА

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое явление называется дифракцией?

2. Сколько типов дифракции Вы знаете? Поясните. Какое практическое значение для ультразвуковой дефектоскопии имеют данные типы дифракции?

3. Какой должна быть кристаллическая решетка монокристаллов, чтобы они обладали пьезоэлектрическим эффектом?

4. На какие группы подразделяются пьезоматериалы?

5. Какие материалы относятся к природным? Перечислите их?

6. Какие материалы относятся к пьезокерамике? Перечислите их?

7. Как изготавливают пьезоэлементы из пьезокерамики?

8. Какое явление называется обратным пьезоэффектом? Расскажите принцип генерирования ультразвуковых колебаний?

9. Какое явление называется прямым пьезоэффектом? Расскажите принцип преобразования ультразвуковых колебаний в электрические?

10. Какое условие должно выполняться для получения максимальной амплитуды ультразвуковых колебаний? Как выполнить это условие?

11. От каких параметров зависит собственная частота пьезоэлемента?

12. Исходя из каких условий подбирается толщина пьезоэлемента?

13. Основные элементы конструкции совмещенного прямого искателя и кратко опишите назначение каждого элемента и требования, предъявляемые к размерам этого элемента и материалу, из которого он выполнен.

14. Основные элементы конструкции раздельно-совмещенного прямого искателя.

15. Объясните конструкцию наклонного ПЭП? Чем обусловлен выбор угла ввода? Материала для демпфера? Материала призмы?

16. Обясните конструкцию комбинированного ПЭП?

17. Объясните назначение демпфера, призмы, протектора в конструкции ПЭП?

18. Какими должны быть углы призмы, чтобы в рельс вводилась поперечная волна?

19. По каким признакам классифицируются ПЭП?

20. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по способу ввода? Чем они различаются между собой?

21. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по направлению ввода? Объясните сущность каждого типа ПЭП, входящего в эту группу?

22. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по конструктивным признакам и способу подключения к дефектоскопу? Чем они различаются между собой?

23. Объясните структуру маркирования ПЭП?

Определить толщину пьезопластины из ЦТС-19 для частоты 2,5 МГц, зная, что скорость распространения УЗВ в ЦТС-19 3300 м/с.

Интерференция (от латинских слов inter – взаимно, между собой и ferio – ударяю, поражаю)– явление, возникающее при наложении двух или нескольких волн и состоящее в устойчивом во времени их взаимном усилении в одних точках пространства и ослаблении в других в зависимости от соотношения между фазами этих волн.Фаза волны – это параметр, показывающий, какая часть периода прошла с момента последнего цикла колебаний. При одновременном движении в среде нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить наложение волн друг на друга. Если в процессе прохождения через объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённой точке среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды.

Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний (рисунок 62).

Рисунок 62 – Сложение гармонических колебаний, имеющих одинаковое направление: u_ур = u_у1 + u_у2;

штри­ховые линии - простые колебания; сплошные линии - результирующее колебание

Рисунок 63 – Пример интерференции

Поясним на примере (рисунок 63). В одной и той же среде распространяются две волны от источников О ₁ и О ₂. Амплитуды колебаний, вызванных в точ­ке М обеими волнами, будут отличаться, так как волны проходят различные пути d ₁ и d ₂. Но если расстояние l между источника­ми много меньше этих путей (l << d ₁ и l << d ₂), то обе амплитуды можно считать практически одина­ковыми. Результат сложения волн, приходящих в точку М, зависит от разности фаз между ними. Пройдя различные расстояния d ₁ и d ₂, волны имеют разность хода Δ d = d ₂ – d ₁.

Если разность хода равна длине волны λ, то вторая волна запаздывает по сравнению с первой ровно на один период (как раз за период волна проходит путь, равный длине волны). Следовательно, в этом случае гребни (как и впадины) обеих волн совпадают.

Амплитуда среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн: Δ d = k λ, где k = 0, 1, 2.

На рисунке 64 изображена зависимость от времени смещений u ₁ и u ₂, вызванных двумя волнами при Δ d = λ. Разность фаз колебаний равна нулю (или 2π, что то же самое, так как период синуса равен 2π). В результате сложения этих колебаний возникает результирующее колебание с удвоенной амплитудой. Колебания результирующего смещения u на рисунке показаны пунктиром. То же самое будет происходить, если на отрезке Δ d укладывается не одна, а любое целое число длин волн.

Рисунок 64 – Зависимость от времени смещений u 1 и u 2, вызванных двумя волнами при Δ d = λ

Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если раз­ность хода двух волн, возбуждаю­щих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:.

По рисунку 65 видно, что на отрезке Δ d укладывается половина длины волны. Очевидно, что при этом вторая волна отстает от первой на половину периода. Разность фаз оказывается равной π, т.е. колебания будут происходить в противофазе. В результате сложения этих колебаний амплитуда результирующего колебания равна нулю, т.е. в рассматриваемой точке колебаний нет. Это явление называется интерференционным гашением волн, или деструктивной интерференцией. То же самое произойдет, если на отрезке укладывается любое нечетное число полуволн.

Рисунок 65 – Зависимость от времени смещений u ₁ и u ₂, вызванных двумя волнами при Δ d = λ/2

Если разность хода d ₂ – d ₁ принимает промежуточные значение между λ и, то и амплитуда результирующего колебания принимает некоторое промежуточное значение между удвоенной амплитудой и нулем.

Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту, и разность фаз их колебаний была постоянной. Источники, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными (от латинского слова cohaereus – взаимосвязанный, согласованный). Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.

Если же разность фаз колебаний источников не остается постоянной, то в любой точке среды разность фаз колебаний, возбуждаемых двумя волнами, будет меняться. Поэтому амплитуда результирующих колебаний с течением времени изменяется. В результате максимумы и минимумы перемещаются в пространстве и интерференционная картина размывается.

Распределение энергии при интерференции. Волны несут энергию. Что же с этой энергией происходит при гашении волн друг другом? Может быть, она превращается в другие формы и в минимумах интерференционной картины выделяется тепло? Ничего подобного. Наличие минимума в данной интерференционной картине означает, что энергия сюда не поступает совсем. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она не распределяется равномерно по всем частицам среды, а концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем.