Наклонное падение УЗВ на границу раздела двух сред (общий случай)

Рассмотрим в упрощенном виде основные явления, происхо­дящие при падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред, имеющих акустические сопротивления Z ₁ и Z ₂.

При падении продольной волны из одной твердой среды на границу раз­дела с другой твердой средой образуются следующие волны (рисунок 29):

с_l, β – скорость и угол падающей продольной волны;

с_{l 1}, β _l – скорость и угол отраженной продольной волны;

с_{t 1}, β _t – скорость и угол отраженной поперечной волны, образовавшейся в результате трансформации продольной волны;

с_{l 2}, α _{l 2} – скорость и угол прошедшей во вторую среду преломленной продольной волны;

Рисунок 29 – Отражение, преломление, трансформация УЗВ

с_{t 2}, α – скорость и угол прошедшей во вторую среду преломленной поперечной волны, образовавшейся в результате трансформации продольной волны.

Если продольная упругая волна l со скоростью с_l падает на границу раздела двух твердых сред под углом, отличным от прямого, то отраженная и прошедшая вол­ны преломляются и трансформируются на продольные l ₁, l ₂ и сдвиговые t ₁, t ₂волны, распространяющиеся в пер­вой и второй средах под различными углами. Для обеспечения падения продольных волн под углом между пьезоэлементом и контролируе­мой деталью располагают призму из органического стекла.

Углы отсчитываются от нормали, которая представляет собой перпендикуляр, восстановленный к разделу сред. Угол β между падающим лучом с_l и перпендикуляром MN к поверхности раздела в точке О называется углом падения (для преобразователей – угол призмы). Под углом падения ультразвуковой волны в акустике пони­мают угол, образованный нормалью к границе раздела, про­ходящей через точку падения луча, и направлением распрос­транения пучка. Углы α _{l 2},α – углы преломления (углы ввода соответственно продольной и поперечной волны).

В общем случае на границе раздела двух твердых сред мо­гут происходить три явления: отражение, преломление и транс­формация волн.

Отражением называют изменение направления УЗВ на грани­це раздела, при котором волна не переходит в другую среду.

Преломлением называют изменение направления УЗВ на гра­нице раздела, при котором волна переходит в другую среду.

Рисунок 30 – Преломление света

Из курса физики мы знаем, что наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров. В этом нас могут убедить простые наблюдения (рисунок 30). Если посмотреть на сосуд сбоку, то можно заметить, что часть соломинки, находящаяся в воде, кажется сдвинутой в сторону. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред – преломлением света.