Рисунок 43 - Дифракция |
Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях – как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определенном направлении; в разложении волн по их частотному спектру; в преобразовании поляризации волн; в изменении фазовой структуры волн.
|
|
В основе большинства способов контроля, которые применяются в практической ультразвуковой дефектоскопии, лежит использование законов так называемой геометрической оптики. Это означает, что звуковые лучи распространяются по прямым линиям, а если попадают на границу раздела, то на ней происходят явления, описываемые законом Снеллиуса. Однако существуют такие области на границах раздела двух сред (в частности, области на несплошностях в объекте контроля), а также такие условия взаимодействия волны с объектом, когда возникающие явления невозможно объяснить только законами геометрической оптики. Так, если при распространении колебаний на их пути встречается звуконепроницаемое препятствие, то по законам геометрической оптики за препятствием должна возникнуть область, куда не проникает звуковое поле, то есть область звуковой тени. Однако на самом деле, в зависимости от соотношения размеров этого препятствия и длины волны на некотором расстоянии за препятствием в области геометрической тени обнаруживаются звуковые волны, то есть звук как бы огибает преграду. Это свойство звуковых волн представляет собой одно из проявлений особенности волновых процессов, получившее название «дифракция».
Для объяснения этого явления воспользуемся принципом Гюйгенса, в соответствии с которым каждую частицу среды, колеблющуюся в первичной волне, можно рассматривать как точечный источник, излучающий вторичную элементарную сферическую волну. Результирующей бесконечного числа таких элементарных сферических волн, дающей фактически существующую волну, является огибающая всех вторичных волн.
|
|
Так, если плоская волна встречает на своем пути звуконепроницаемую преграду с точечным отверстием, то она распространяется по другую сторону преграды в виде сферических волн, расходящихся от этого отверстия, как от нового точечного источника (рисунок 44, а).
Если на пути распространения колебаний имеется препятствие, то колеблющиеся частицы среды, расположенные по краям препятствия, создают сферические волны, которые формируются в зоне геометрической тени препятствия. Дифракция проявляется в очень сильной степени, если размеры преграды невелики по сравнению с длиной звуковой волны. Если размеры препятствия равны длине волны или меньше ее, то лучи огибают препятствие, несколько рассеиваются и значительного отражения в этом случае не наблюдается (рисунок 44, б).
Рисунок 44 – К пояснению понятия дифракции: а - прохождение ультразвуковых колебаний через малое отверстие; б - огибание препятствий с заходом волн в область геометрической тени |
В общем случае в современной ультразвуковой дефектоскопии под дифракцией понимают такие особенности распространения волн и их взаимодействия с границами разделов, которые не могут быть объяснены законами геометрической оптики. Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны.
Для практической дефектоскопии наибольшее значение имеют дополнительно три случая дифракции.
1. Дифракция первого типа возникает при взаимодействии волны с острыми краями несплошностей, в частности, с краями трещин (рисунок 45, а). В этом случае край трещины становится вторичным излучателем, каждый элемент которого является точечным источником, возбуждающим сферическую волну. Вследствие этого трещина, даже неблагоприятно ориентированная по отношению к ультразвуковому лучу, при достаточной чувствительности может быть выявлена при контроле.
а) б) в)
Рисунок 45 – Типы дифракции в твердых телах
2. Второй тип дифракции имеет место в тех зонах объектов, в которых лучи касаются гладких поверхностей (рисунок 45, б). В этом случае формируются волны, огибающие поверхности тел, которые в свою очередь порождают дифракционные волны соскальзывания. Существуют методики, использующие этот тип дифракции для измерения периметра объемных дефектов. При этом сравнивается время прохождения сигнала, отраженного от несплошности, и дифрагированного сигнала, обежавшего часть несплошности и соскользнувшего с нее.
3. Третьим типом дифракции называют явления, возникающие при падении волн на границу раздела двух сред или на свободную границу среды под первым, вторым или третьим критическими углами (рисунок 45, в). При этом образуются головные волны, которые в свою очередь порождают семейство дифракционных боковых волн в обеих средах.
Волны, обусловленные дифракцией, всегда присутствуют в контролируемом объекте. При отражении от плоскостных либо объемных дефектов возникают краевые волны, или волны обегания-соскальзывания, или головные и боковые волны. Чаще всего возникает совокупность дифрагированных волн нескольких типов. Вблизи свободной поверхности головные и боковые волны также присутствуют всегда, поскольку, под каким бы углом волны ни излучались в твердое тело, вследствие конечных размеров преобразователей всегда найдутся лучи, которые направлены вдоль и вблизи свободной поверхности. Однако при реализации обычных методов контроля, когда принимаемый сигнал соответствует геометрическому отражению от дефектов, импульсы дифрагированных волн вследствие неоптимального их излучения и приема пренебрежимо малы и не принимаются во внимание. Знание законов распространения дифрагированных волн позволяет решить ряд задач ультразвукового контроля, которые традиционными методами ультразвуковой дефектоскопии решить крайне сложно. К ним можно отнести определение типа дефекта и измерение его размеров, выявление сигналов на фоне шума в некоторых сварных швах, измерение глубины закаленных слоев и др.
|
|