3.1.4 Нормальное падение ультразвуковой волны. Коэффициенты отражения и прохождения.
При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае, часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Если ультразвуковая волна падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, то проходящая и отраженная волны будут того же типа, что и падающая.
Распределение энергии между отраженной и прошедшей волной определяется соотношением удельных акустических сопротивлений z1 и z2. При равенстве акустических сопротивлений,(т.е. z1=z2) ультразвуковая волна проходит во вторую среду практически без потерь, не отражаясь. На отражении упругих волн от несплошностей основана выявляемость дефектов, т.к. по своим акустическим свойствам несплошности (поры, шлаковые включения, трещины,непровары) отличаются от основного металла. Чем больше разность акустических сопротивлений, тем больше интенсивность отраженной волны.
Для нахождения распределения энергии между отраженной и прошедшей волной вводятся понятия коэффициента отражения и прохождения.
Коэффициент отражения R – отношение интенсивности отраженной волны к падающей. Он показывает какая часть падающей волны отражается в первую среду.
R = J отр/ J пад = (z1-z2)2/ (z1+z2)2
Коэффициент прохождения (прозрачности) D – это отношение интенсивности прошедшей волны к падающей. Он показывает какая часть падающей ультразвуковой волны прошла во вторую среду.
D = J прошед / J пад = 4z1z2/(z1+z2)2
R + D = 1
Исходя из закона сохранения энергии сумма данных коэффициентов всегда будет равна 1.
|
R |
D |
z1≈z2 |
0 |
1 |
z1>>z2 |
1 |
0 |
z1<<z2 |
1 |
0 |
Коэффициент отражения от трещин непроваров и пор близок к единице. Для шлаковых включений R= 0,35…0,65 в зависимости от марки флюса. Оксидные пленки, образующиеся при сварке выявляются плохо, не смотря на достаточно большую площадь и протяженность. Причиной этому служит малое раскрытие и близость акустических свойств дефекта и металла.
Зеркальное и диффузное отражение.
Ультразвуковая волна отражается в одном направлении, если отражение происходит от зеркальной поверхности, высота неровностей которой во много раз меньше длины волны.
Поверхности большинства дефектов сварных соединений имеют неровности, размеры которых соизмеримы с длиной ультразвуковой волны. От таких неровностей в разные стороны и под разными углами отражается множеств- о ультразвуковых лучей (диффузное отражение), поэтому при падении луча на зеркальную поверхность под прямым углом амплитуда эхо-сигнала от него будет больше, чем от неровной поверхности.
3.1.5 Наклонное падение ультразвуковой волны на границу раздела двух сред
При контроле сварных швов применяются, как правило, наклонные пьезоэлектрические преобразователи с вводом ультразвуковой волны под некоторым углом к нормали.
В общем случае, при падении продольной волны под углом β к границе раздела двух твердых сред, могут происходить три явления: отражение, преломление, трансформация (расщипление) этой волны.
Отражением называют изменение направления ультразвуковой волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду.
Преломлением называют изменение направления ультразвуковой волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду под углом, отличным от первоначального угла падения.
Трансформацией называют преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.
Оргстекло-сталь
Cl – падающая продольная волна
Cl1 – отраженная продольная волна
Ct1 – отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн
Cl2 – преломленная продольная волна
Ct2 – преломленная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн
Углы β с соответствующими индексами означают углы падения и отражения(в дальнейшем- угол призмы), α с соответствующими индексами означают углы преломления (угол ввода).
Таким образом, возникает две преломленные и две отраженные волны. Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют законом Снеллиуса:
Sin β / Cl = sinβt / Ct1 = sinβl / Cl1 = sinαt / Ct2 = sinαl/ Cl2
По мере увеличения угла падения β начиная с некоторого его значения, продольная волна Cl2 начинает «скользить» по границе раздела двух сред. Этот угол называется первым критическим углом βкр1
Углы, при которых исчезают те или иные типы волн в процессе преломления или отражения называют критическими.
Первый критический угол наступает тогда, когда во второй среде остается поперечная волна
Sibβкр1 / Cl = sinαl/Cl2
Sin βкр1 = Cl / Cl2
Для границы раздела оргстекло-сталь βкр1≈ 27 0
При дальнейшем увеличении угла β наступает момент, когда исчезает преломленная поперечная волна во второй среде, которая начинает скользить по границе раздела двух сред.
Этот угол называется вторым критическим углом βкр2.
Его можно подсчитать из соотношения:
Sinβкр2 / Cl = sinαt / Ct2
Sinβкр2 = Cl / Ct2
Для материалов оргстекло-сталь βкр = 580
При углах падения меньше, чем второй критический угол во второй среде возникает только поперечная волна. Угол призмы наклонных ПЭП выбирают только в интервале между двумя найденными критическими значениями:
βкр1 + 30 ≤ β ≤ βкр2 - 30
Поправка 20-50 вводят для помехозащищенности контроля.
По ГОСТ 14782
β |
300 |
400 |
500 |
540 |
α |
390 |
500 |
650 |
700 |