Отражение волны от свободной поверхности твердого тела

В ультразвуковой дефектоскопии часто приходится встречаться с отражением волны, распространяющейся внутри твердого тела, от поверхностей. При отражении продольной и вертикально поляризованной поперечной волн может происходить трансформация типов волн. При падении волны из металла на границу раздела металл – вакуум (газ) выполняется условие , где – скорость распространения акустической волны в вакууме (газе), – скорость распространения акустической волны в металле.

На рис. 3.9 представлена схема отражения волн от границы раздела металл – вакуум (газ): случай падения на границу раздела сред продольной волны (рис. 3.9, а), случай падения на границу раздела сред поперечной волны (рис. 3.9, б).

а б

Рис. 3.9. Отражение акустических волн от границы сталь–воздух: а – падение на границу раздела сред продольной волны; б – падение на границу раздела сред поперечной волны

Коэффициент отражения от границы зависит от угла падения акустических волн. Эта зависимость для границы сталь – воздух приведена на рис. 3.10 для падающей продольной волны и на рис. 3.11 для падающей поперечной волны.

Рис. 3.10. Угловая зависимость коэффициента отражения для границы сталь–воздух в случае падения первичной продольной волны

Рис. 3.11. Угловая зависимость коэффициента отражения для границы сталь–воздух в случае падения первичной поперечной волны

Из приведенных графиков видно, что максимумы коэффициентов отражения по амплитуде смещения могут принимать значения больше единицы. Это явление характерно для трансформированных волн. Поскольку при трансформации происходит изменение плоскости колебаний частиц и скорости распространения волн, законы сохранения импульса и энергии не нарушаются.

Как известно, при падении поперечной волны существует третий критический угол (для стали ). При углах, больших третьего критического, коэффициент отражения для продольной волны обращается в ноль, а для поперечной по модулю равен единице. При этом изменяется его фаза, в результате чего возникает явление незеркального отражения. Смещение энергии вдоль поверхности необходимо учитывать при расчете амплитуды отражения от дефектов вблизи поверхности объекта контроля.

При углах падения для продольных и для поперечных волн для стали (эти углы связаны между собой законом синусов) коэффициенты отражения нетрансформированной волны в стали минимальны. Это означает, что подавляющая часть энергии при данных углах падения переходит в трансформированную волну. Соответствующие углы и называются квазиобменными. Их следует отличать от обменных углов, при которых происходит полная трансформация типов волн.