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.

Преломлениемназывают 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

C_l – падающая продольная волна

C_l1 – отраженная продольная волна

C_t1 – отраженная поперечная волна, образовавшаяся в результате трансформации волн

C_l2 – преломленная продольная волна

C_t2 – 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 / C_l = sinβ_t / C_t1 = sinβ_l / C_l1 = sinα_t / C_t2 = sinα_l/ C_l2

По мере увеличения угла падения β начиная с некоторого его значения, продольная волна C_l2 начинает «скользить» по границе раздела двух сред. Этот угол называется первым критическим углом β_кр1

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

Sibβ_кр1 / C_l = sinα_l/C_l2

Sin β_кр1 = C_l / C_l2

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 β_кр2.

Его можно подсчитать из соотношения:

Sinβ_кр2 / C_l = sinα_t / C_t2

Sinβ_кр2 = C_l / C_t2

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:

β_кр1 + 3⁰ ≤ β ≤ β_кр2 - 3⁰

Поправка 2⁰-5⁰ вводят для помехозащищенности контроля.

По ГОСТ 14782

Тема 3.2 Излучение и прием ультразвуковых колебаний