Что происходит на границе
Когда ультразвуковая волна достигает границы материалов, часть энергии отражается, а часть передаётся во вторую среду. При наклонном падении меняется направление прошедшей волны и могут возникать другие моды. Эти процессы определяют работу наклонной призмы и объясняют, почему датчик иногда принимает несколько эхо-сигналов от одного участка детали. Для расчёта траектории необходимо заранее указать материал, скорость и моду каждого луча.
Все углы далее отсчитываются от нормали — линии, перпендикулярной границе. Угол к поверхности дополняет такой угол до прямого. Для отражённой волны той же моды угол отражения равен углу падения. Если отражение сопровождается преобразованием моды, скорость меняется и её направление нужно рассчитывать отдельно. Нельзя применять равенство углов ко всем возникшим волнам сразу.
Закон Снеллиуса и критические углы
Для плоской границы однородных изотропных сред лучевая модель даёт sin θ1 / c1 = sin θ2 / c2. Следовательно, θ2 = arcsin[(c2/c1) sin θ1]. Скорость c2 выбирают для конкретной передаваемой моды. Если выражение в квадратных скобках превышает единицу, распространяющегося объёмного луча данной моды во второй среде нет; это не означает отсутствия всех полей и передачи энергии вдоль поверхности.
При c2 > c1 критический угол падения получается из условия θ2 = 90°: θкр = arcsin(c1/c2). Для продольной волны из медленной призмы в сталь отдельно рассчитывают пороги продольной и поперечной передаваемых волн. Между ними в идеализированной схеме отсутствует прошедшая объёмная L-волна, а T-волна сохраняется. Вблизи порогов важны конечная ширина пучка, контактный слой и поверхностные эффекты.
Условный пример: призма и сталь
Примем продольную скорость в призме c1 = 2730 м/с, в стали cL = 5900 м/с и cT = 3230 м/с. Угол падения продольного луча равен 20°. Значения заданы для расчёта и не описывают все полимеры, стали или температуры. При таком угле возможны обе передаваемые объёмные моды.
| Расчёт | Результат | Физический смысл |
|---|---|---|
| arcsin[(5900/2730) sin 20°] | 47,660° | Продольная волна в стали |
| arcsin[(3230/2730) sin 20°] | 23,870° | Поперечная волна в стали |
| arcsin(2730/5900) | 27,562° | Первый критический угол падения |
| arcsin(2730/3230) | 57,694° | Второй критический угол падения |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Если изменить угол падения до 30°, он окажется между рассчитанными критическими значениями. Тогда распространяющийся продольный луч в стали по данной модели отсутствует, а поперечный преломляется под 36,269°. Это показывает принцип выбора наклонного ввода, но не заменяет проверку фактического угла и точки выхода преобразователя на контрольном образце.
Почему траектория не задаёт амплитуду
Закон Снеллиуса определяет направления, но не долю отражённой или переданной энергии. При нормальном падении простой продольной волны на плоскую границу вводят акустический импеданс Z = ρc. Коэффициент отражения давления равен r = (Z2 − Z1)/(Z2 + Z1), а доля отражённой интенсивности для этой модели равна r². Знак r характеризует изменение фазы; его нельзя трактовать как отрицательную энергию.
Для наклонного падения на упругие твёрдые среды необходимо учитывать плотности, продольные и поперечные скорости, поляризацию и граничные условия. Подстановка скорости в формулу нормального падения не даёт надёжного коэффициента преобразования мод. Шероховатость, кривизна и тонкий контактный слой дополнительно меняют реальную картину.
Практическая проверка
- Записать скорости, температуру, моду и систему отсчёта углов.
- Проверить наличие распространяющихся лучей для каждой моды.
- Построить пути с отражениями от геометрии детали и рассчитать ожидаемые времена.
- Подтвердить угол и точку выхода на подходящем образце.
- При оценке амплитуд применить настройку чувствительности и поправки процедуры.
Источники и доступ
- Evident: Wave Front Dynamics — открытая публикация производителя о границах и преобразовании мод.
- ISO 16810:2024 — опубликованная редакция 2; проверены карточка и аннотация, а не полный платный текст. Критерии приёмки выбирают по документу на изделие.