ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Дифракция и рефракция акустических воли из "Неразрушающий контроль. Кн.2" Дифракция (от лат. (1 Г[гас1ия — разломанный) волн — это отклонение волн от геометрических законов распространения при взаимодействии с препятствиями. Соответственно дифракция звука (и ультразвука) — отклонение поведения звука от законов геометрической (лучевой) акустики, обусловленное волно вой природой звука. Звуковые поля, созданные дифракцией исход ной волны на препятствиях, называют рассеянными или дифрагированными волнами. [c.46] Ниже рассмотрена дифракция упругих волн на объектах правильной геометрической формы, имитирующих реальные дефекты. Точное решение большинства задач о дифракции упругих волн обычно вызывает затруднение, поэтому пользуются приближенными методами. [c.46] Дифракция на краю (ребре) разреза и полосе. Бесконечно тонкий разрез имитирует реальные дефекты типа расслоения, протяженной трещины или непровара, а его ребро — край соответствующих дефектов. Расчет поля дифракции в этом случае обычно ведут по методу Зоммерфельда, являющемуся развитием теории Юнга на случай плоского препятствия. От каждой точки ребра (рис. 1.17) дифрагированная волна распространяется в виде конуса, одна из образующих которого (соответствующая максимуму) служит продолжением луча падающей продольной волны. Трансформированная поперечная волна образует другой конус. [c.47] Кроме того, возникают волны, бегущие вдоль поверхности разреза. Амплитуды всех этих волн пропорциональны амплитуде падающей волны, но на 1—2 порядка меньше ее. [c.47] Ограниченный разрез называют полосой. Ко да ограниченный пучок лучей, излучаемый преобразователем, охватывает оба ребра полосы, а зеркальное отражение от полосы не попадает на приемный преобразователь, то сигнал на нем определяет интерференция дифрагированных волн от ребер. Точки на ребрах отражателей (как и реальных дефектов), на которых возникают дифраги рованные волны, дающие максимальный вклад в поле рассеянной волны, называют блестящими. [c.47] Дифракция на цилиндре, сфере, эллипсоиде. Эти объекты имитируют реальные дефекты типа пор, шлаковых включений различной формы. Они имеют гладкую выпуклую поверхность. Отличие их от ребра разреза, полосы и диска с точки зрения теории дифракции состоит в том, что они не имеют блестящих точек и дифрагированные волны образуются в каждой точке их поверхности. [c.49] Длинноволновое приближение для d X дает значение Bц=7,4 d кy. [c.49] Причины возникновения и сглаживания осцилляций объясняют результаты анализа с помощью коротковолнового приближения [7]. Они показывают, что при падении поперечной вертикально поляризованной волны (рис. 1.20) возникают волны различного типа. Это две отраженные волны поперечная (а) и продольная (б), трансформированная из поперечной. Луч падающей поперечной волны, касающийся поверхности цилиндра, возбуждает неоднородную волну поперечного типа (а), обегающую вокруг поверхности цилиндра (волну обегания). На рис. 1.20, г показана такая же волна, обегающая цилиндр в обратном направлении (для других рассматриваемых далее волн варианты обратного обегания не показаны). Эти две волны порождают волны соскальзывания поперечного типа, отходящие от каждой точки цилиндра по касательной к его поверхности. [c.50] Таким образом, кроме непосредственно отраженных сигналов в точку наблюдения приходит еще три поперечных волны, порождаемые волнами обегания поперечного, продольного и рэлеевского типов. Амплитуда волны обегания продольного типа существенна меньше амплитуды волн поперечного и рэлеевского типов. На рис. 1.21 приведены рассчитанные и экспериментально полученные [7] зависимости от угла 0 амплитуд сигналов А поперечных волн, возникающих в результате дифракции. Зеркально отраженная волна (кривая /) имеет минимум при угле 0=55°, соответствующий квазиобменному углу. [c.51] Амплитуда квазирэлеевской волны (2) медленно уменьшается с увеличением пути вокруг цилиндра, поскольку потери энергии для нее небольшие (как следует из рис. 1.20, чем меньше угол О, тем больше путь вокруг цилиндра, проходимый волной). Волна затухания поперечного типа 3 имеет значительную амплитуду в точках возбуждения (0 к18О°) и быстро затухает с увеличением пути вокруг цилиндра (с уменьшением 0) ввиду сильного излучения волн соскальзывания. [c.51] Из сказанного следует, что в точке наблюдения сигнал, соответствующий поперечным волнам, складывается в основном из зеркально отраженной волны и волны соскальзывания от обегающей цилиндр квазирэлеевской волны. При малом диаметре цилиндра амплитуды этих волн соизмеримы. С увеличением диаметра цилиндра амплитуда зеркально отраженной волны растет, а волны соскальзывания падает, поскольку ослабление обегающей волны Рэлея тем меньше, чем больше радиус вогнутой поверхности. Этим объясняется уменьшение амплитуды осцилляции на кривой 4 при увеличении диаметра цилиндра на рис. 1.19. [c.51] Сглаживание осцилляции при экспериментах объяснется тем, что ультразвуковой импульс содержит довольно широкий спектр частот и, следовательно, длин волн. Этот спектр охватывает определенный диапазон значений /Д, в котором происходит усреднение и сглаживание осцилляции. [c.52] Например, если считать, что импульс содержит четыре периода колебаний, то условие сглаживания осцилляций будет иметь вид Д( 0,7 (см. задачу 1.4.3), что соответствует результатам эксперимента. [c.52] При отражении от цилиндра продольной и поперечной горизонтально поляризованной волн также возникают обегающие волны, однако их амплитуды значительно меньше, чем для отражения поперечной волны. Это является причиной отсутствия осцилляции на кривых для продольной и слабых осцилляций для поперечной горизонтально поляризованной волны. [c.52] В задачах 1.4.2 и 1.4.3 скорость волн обегания была принята равной Сз — скорости рэлеевской волны для плоской поверхности. В действительности скорость волны обегания не постоянна, а зависит от радиуса цилиндра или сферы. Как отмечено в 1.1, чем меньше радиус, тем меньше скорость. Например, при радиусе цилиндра 2,5 мм на частоте 2 МГц скорость волны обегания рэлеевского типа составляет 0,87 с . [c.52] Формирование дифрагированных волн на сфере происходит по тем же законам, что и для цилиндра. Разница состоит в том, что при падении продольной волны на сферу разность амплитуд дифрагированных и зеркально отраженных сигналов меньше, чем для цилиндра, поскольку осевая симметрия задачи для сферы приводит к одновременному приходу в точку наблюдения лучей, обогнувших полость по разным направлениям. Условие это выполняется только при совмещенной схеме прозвучивания (0 = 0). [c.52] При падении на сферу поперечной волны колебания разных участков ее фронта имеют различную ориентацию относительно поверхности сферы. Их можно разложить на вертикально и горизонтально поляризованные колебания, дифракция которых осуществляется по разным законам. Интенсивные волны обегания характерны лишь для вертикально поляризованных колебаний, доля которых для сферического объекта меньше, чем для цилиндрического. [c.52] На рис. 1.22 показаны экспериментальные результаты измерений разности амплитуд АЛ (в положительных децибелах) первого и второго (по времени прихода) сигналов [7], отраженных или дифрагированных на эллиптических цилиндрах разной формы. Характеристический размер отражателей — более 2 мм. Использовался излучатель-приемник поперечных волн на частоту 2 МГц. Штриховые линии. ограничивают поле разброса экспериментальных данных. [c.53] При Q = 0,15. .. 0,5 (область /) отражатель относят к объемным. Основной тип дифракции — образование волн обегания и соскальзывания. При ЬД/ 2 (где Ь — минимальный радиус кривизны эллипса) вклад таких волн в общее поле дифракции невелик. Первый поступающий на приемник сигнал соответствует непосредет-М,д венному отражению от дефекта, а второй — волне обегания. [c.53] Как видно из графика, амплитуда первого сигнала значительно больше второго. [c.53] Вернуться к основной статье