Отражение и преломление звуковых волн на границе двух сред

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

______________________________________________________________

Солдатов А.И., Игнатовский В.В., Дьякина М.Е.

МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине "Электронные промышленные устройства"

Томск - 2012

Цель работы

Целью данной работы является изучение такого метода неразрушающего контроля, как ультразвуковая дефектоскопия. В результате лабораторной работы студент должен получить сведения об основах ультразвука и ультразвуковой дефектоскопии, о возможных способах измерений, познакомиться с реальным дефектоскопом и провести с помощью него измерения.

Приборы и оборудование

В лабораторной работе используются следующие приборы и оборудование:

· Дефектоскоп ультразвуковой УД2-140;

· Датчик П111 для дефектоскопа УД2-140;

· Штангенциркуль;

· Проводящий гель для ультразвуковых измерений.

Теоретическая часть

Физические основы ультразвука

Колебание - движение вокруг некоторого среднего положения, обладающее повторяемостью, например колебание маятника. В акустике обычно рассматривают колебания точки среды относительно положения, в котором точка находилась в покое.

Волны - колебательные движения, распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки передаются соседней и т.д.

В природе существуют две основные формы волновых процессов – электромагнитные и упругие волны. Основное отличие этих двух форм заключается в том, что для распространения электромагнитных волн наличие упругих связей частиц вещества не является необходимым, в то время как распространение упругих колебаний определяется именно упругими свойствами среды.

Упругость - свойство точек среды возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения воздействия силы.

Звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны частот:

1. инфразвук – 16 Гц;

2. слышимый звук - 16-18000 Гц;

3. ультразвук – 18 000 – 10¹⁰ Гц;

4. гиперзвук – свыше 10¹⁰ Гц.

Колебания, возбужденные в какой-либо точке материальной среды, распространяются в этой среде в виде упругих волн, представляющих собой периодически чередующиеся области сжатия и разряжения (рис. 1). Скорость распространения упругой волны определяется свойствами среды, в которой она распространяется. Распространение упругих волн происходит согласно основным законам акустики.

Рис. 1. Волны продольная (а) и поперечная (в) и волновой процесс (б)

Упругие волны могут распространяться в любых агрегатных состояниях вещества, но вид волны зависит от упругих свойств среды и ее размеров. В газах и жидкостях распространяются продольные волны, в твердых телах - продольные, поперечные, поверхностные.

Отражение и преломление звуковых волн на границе двух сред

Законы отражения и преломления ультразвуковых волн аналогичны законам геометрической оптики.

Если продольная волна, распространяющаяся в некоторой среде I, встречает на своем пути среду II с другими акустическими свойствами, то часть энергии отражается от границы сред, а оставшаяся часть входит в новую среду. При этом отраженные волны распространяются от границы раздела в первой среде, а прошедшие – во второй.

Пусть плоска упругая продольная волна, распространяясь со скоростью c₁ в однородной среде с плотностью ρ₁, доходит до границы со второй средой с плотностью ρ₂ и скоростью распространения волны в ней c₂. Угол α – угол, образованный лучом и нормалью к поверхности в точке падения луча.

Рис.2. Схема отражения и прохождения упругих волн на плоской границе двух сред при перпендикулярном (а) и наклонном (б-г) падении лучей

П - пьезоэлемент; I – первая среда; II – вторая среда

Если упругая волна падает перпендикулярно на плоскую границу раздела двух сред (α=0), то часть ее энергии переходит во вторую среду, а часть отражается в первую, причем проходящая и отраженные волны будут того же вида, что и волна падающая, и направлены также перпендикулярно к границе раздела (рис.2,а). Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами определяется коэффициентами отражения и прохождения.

Коэффициентом отражения R называется отношение интенсивностей отраженной и падающей волны. Для рассматриваемого случая:

где и – удельные акустические сопротивления I и II сред.

Коэффициентом прохождения D называется отношение интенсивностей прошедшей и падающей волн.

Если продольная упругая волна L падает на границу раздела твердых сред под углом, отличным от прямого, то отраженная и прошедшая волны преломляются и трансформируются на продольные L^’ L^” и сдвиговые S^’ S^” волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами (рис. 2,б).

В этом случае угол α между падающим лучом LO и перпендикуляром MN к поверхности раздела в точке О называется углом падения; углы β^’ и γ^’ – углами отражения; углы β и γ – углами преломления (или углами ввода соответственно продольной и сдвиговой волн).

Законы отражения и преломления упругих волн по аналогии с законами геометрической оптики формулируются так:

1. Отраженные и преломленные лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности раздела сред, проведенной в точке падения.

2. Угол отражения продольной волны равен углу падения.

3. Для всех волн отношения синуса угла падения к скорости волны будет постоянной величиной

При увеличении угла падения продольной волны L углы β и γ также увеличиваются и при некотором значении α = α _кр1 (первый критический угол) преломленные продольные волны распространяются по поверхности, не проникая в глубь среды II (рис. 2,в). При дальнейшем увеличении угла падения до α _кр2 (второй критический угол) по поверхности распространяются преломленные сдвиговые волны (рис. 2,г).