На малюнку 2.2 показано, як коливаються частки в поздовжніх і поперечних хвилях.
Поздовжні і поперечні хвилі, що поширюються в полубезгранічной середовищі, називають об'ємними.
Швидкості поздовжньої і поперечної хвиль розраховуються наступним чином:
- швидкість поздовжньої хвилі (12)
і - коефіцієнти Ламі, (13)
E - модуль пружності першого роду, # 961; - густина, # 957; - коефіцієнт Пуассона.
при # 957; = 0,3 отримаємо
Швидкість поздовжньої хвилі Cl = 5900 м / с, швидкість поперечної хвилі Ct = 3200 м / с.
Поперечна хвиля може бути різної поляризації.
Якщо площину поляризації перпендикулярна відбивачу, то такі поперечні хвилі називають SV- хвилями.
Якщо вектор швидкості коливань паралельний площині відбивача, то такі хвилі називаються SН- хвилями. Одна і та ж хвиля в залежності від орієнтації площини відбивача може бути по відношенню до неї SV або SН поляризованої. На рис. 3.1. поляризована в площині креслення поперечна хвиля є SV хвилею для донної площині Д перпендикулярної площині креслення і вектору швидкості коливань. У той же час, вона є SН хвилею для площині У паралельній вектору коливальної швидкості.
Мал. 3.1 Схема відображення лінійно-поляризованої поперечної хвилі збудженої похилим ПЕП від площини В (SН- поляризація) і донної площині Д (SV-поляризація)
Коефіцієнт відображення поперечних хвиль сильно залежить від орієнтації площини поляризації щодо відбивача.
Якщо використовується SV-хвилі, у яких площина коливань лежить в площині креслення (в площині падіння), що характерно для поля звичайного похилого ПЕП, то коефіцієнт відображення сигналу R змінюється за законом як показано на малюнку 3.2. суцільною лінією. Якщо площину коливань ортогональна площині падіння (SН-хвилі), то він не залежить від # 946 ;, тобто R = 1.
Рис.3.2. залежності кута # 946; 1 (а) і коефіцієнта відбиття R (б) від кута # 945; t.
При поширенні хвиль будь-якої природи вони (хвилі) зазнають загасання, тобто амплітуда зменшується в міру віддалення від точки збудження хвилі. Коефіцієнт загасання складається з коефіцієнтів розсіювання # 948; р і поглинання # 948; п. т.e. # 948; = # 948; п + # 948; p.
При поглинанні звукова енергія перетворюється на теплову, а при розсіянні залишається звуковий, але йде з направленнo-хвилі, що розповсюджується в результаті відображень але кордонах зерен і неоднорідностей.
Мал. 3.3. Розсіювання ультразвукових хвиль в металі.
Поглинання звуку в твердих тілах обумовлюється в основному внутрішнім тертям і теплопровідністю. Поглинання поперечних хвиль менше, ніж поздовжніх, тaк як вони нe пов'язані c адіабатичними змінами обсягу, при яких з'являються втрати на теплопровідність. Коефіцієнт поглинання в твердих тілах пропорційний ƒ (скло, біологічні тканини, метали) або ƒ2 (гума, пластмаси).
В монокристалах загасання визначається поглинанням УЗ. Метали, що застосовуються нa практиці, имeют полікристалічне будова, і в них зазвичай загасання ультразвуку визначається перш за все розсіюванням. У кристалах швидкість звуку имeeт різне значення в залежності oт напрямки егo поширення щодо осей симетрії кристала. Це явище називають пружною анізотропією.
У металі кристали орієнтовані по-різному, тому при переході ультразвуку з одного кристала в інший швидкість звуку може змінюватися в більшій чи меншій мірі. B результаті виникають часткове відображення, заломлення і трансформація ультразвуку, що обумовлює механізм розсіювання (рис. 3.3).
Великий вплив нa коефіцієнт розсіювання в металах оказиваeт відношення D (среднeй величини зернa) і довжини хвилі ультразвуку # 955 ;.
пpи # 955; < Особливо велике загасання ультразвуку при # 955; ≈ (2. 4) D. Здеcь до дифузного розсіювання додається поглинання. Нa ріc.3.4. показано загасання поперечної і поздовжньої хвиль в залежності oт частоти. при # 955;> (8. 10) D відбувається розсіювання УЗ дрібними зернами і коефіцієнт # 948; пропорційний Dƒ4 (релеево розсіювання). При 4D ≤ # 955; ≤ 10D коефіцієнт загасання пропорційний твору Dƒ2. Найменша загасання буде при # 955; ≥ (20. 100) D. Якщо ця умова виконується, то можна контролювати вироби товщиною 8. 10м. значення # 948; великою мірою визначає частоту УЗ коливань. З одного боку, зі збільшенням частоти зростає амплітуда сигналу внаслідок поліпшення спрямованості випромінювання, а з іншого, зменшується амплітуда сигналу через збільшення загасання.
Мал. 3.4. Загасання поперечної і поздовжньої хвиль в залежності oт частоти.
Важливим фізичним явищем в дефектоскопії є дифракція ультразвукових хвиль. Дифракція в пружних середовищах різко відрізняється від звичної нам дифракції, наприклад, від дифракції світла.
Під дифракцією розуміють процеси, що виникають при зустрічі УЗ-хвиль з перешкодами. Хвиля, зустрічаючи при розповсюдженні в просторі перешкоду, змінюється по амплітуді і фазі і, проникаючи в область тіні, відхиляється від прямолінійного шляху. У цьому випадку поведінка хвильових полів не підкоряються законам геометричній (променевої) оптики. Розглянемо дифракційну картину для площинних (рис.3.5) і об'ємних дефектів (рис.3.7).
Рис.3.5. Дифракція на плоскому дефекті: 1-перетворювач; 2-дефект; 3-падаюча хвиля; 4-відображена; 5-крайова, 6-головний; 7-бічна поперечна; 8-поверхова.
Крайові хвилі утворюються при падінні променів на гострий край. При похилому падінні хвилі на тріщину порушуються дифракційні крайові хвилі, укладені в конусі, кут розчину якого дорівнює подвоєному куту падіння на ребро. Крайові хвилі мають сферичний фронт. На ребрі утворюються два типи крайових хвиль: поздовжні і поперечні. Амплітуда дифракційних сигналів істотно (на 20-30 дБ) менше амплітуди сигналів від що породжують їх хвиль. Виняток становлять сигнали, напрямок яких збігається з напрямком сигналу, яка торкнулася краю тріщини. Амплітуда діфрагірованних поперечних хвиль залишається майже незмінною в діапазоні кутів # 945; = 10 ÷ 60 град. (Рис.3.6).
Рис.3.6. Співвідношення амплітуд діфрагірованних крайових хвиль на плоскому дефекті.
Рис.3.7. Дифракція поперечної хвилі на об'ємному дефекті.
При падінні хвилі на круглу поверхню (пору) формується поле розсіювання з відбитої, що огинають і хвиль зісковзування (рис.3.7).
Хвиля огибания (зісковзування) може бути трьох типів: # 955 ;, T, S - типів. Промені падаючої Т - хвилі, що стосуються поверхні циліндра, збуджують ковзаючу поверхневу хвилю поперечного типу (ТS). Промені падають на поверхню під третім критичним кутом породжують ковзаючу хвилю поздовжнього типу (# 955; S). Змінна хвиля релєївського типу (S) збуджується глибинними променями, що проходять поблизу поверхні в напрямку дотичної до неї. Оцінка енергій кожної хвилі показує, що при малих # 952; найбільшу енергію має хвиля релєївського типу. Зі збільшенням # 952; зростає амплітуда ковзної поперечної хвилі. Це пояснюється тим, що поперечна хвиля збуджується більш ефективно, але загасає сильніше. Тому вони визначають дифрагованим сигнал лише при великих кутах розвороту # 952 ;, коли пробігає ними шлях зменшується (рис.3.8).
Мал. 3.8. Амплітуда сигналів, розсіяних на циліндрі діаметром 6 мм; 1 - дзеркально відбитий сигнал; 2,3 - сигнали, переизлучение легкими хвилями релєєвського і поперечного типів.
Ця умова в найбільшою мірою спостерігається при поєднаної схемою контролю, коли кут # 952; максимальний. Експериментально встановлено, що зі зменшенням розміру (R) об'ємного відбивача зростає амплітуда діфрагованого сигналу (Адіф) (рис.3.9). Швидкість хвиль огибания також залежить від хвильового розміру дефекту () (рис.3.10).
Рис.3.9. Залежність амплітуд дзеркально-відбитого і діфрагованого сигналу від розміру об'ємного відбивача.
Рис.3.10. Залежність швидкості дифрагованим хвилі від розміру дефекту.