Рассмотрим геометрию звукового поля дискового из­лучателя, расположенного на плоской поверхности твер­дого упругого полупространства с неограниченными раз­мерами по осям X, Y и Z; направление распространения центрального луча пучка УЗК выберем совпадающим QI осью Z (рис. ЗО). І

Колеблющийся излучатель создает на плоской по­верхности возмущение, которое передается в глубь сре­ды, образуя звуковое поле.

Если пренебречь искажениями, вызываемыми нерав­номерным распределением пьезосвойств по объему из­лучателя из-за анизотропии материала и наличием про­межуточной контактной жидкости между излучате­лем и средой, то получим картину звукового поля (рис. 30), которая хорошо знакома, так как ее часто приводят в качестве иллюст­рации распространения про­дольных волн в однородной среде. Здесь волны распро­страняются по оси Z пучком лучей, расходящихся пра­вильным конусом.

Рассматриваемая карти­на является идеальной и в практике ультразвукового контроля не встречается.

Даже если прозвучиваемая среда имеет размеры в на­правлении Z, во много раз превосходящие длину вол­ны, то звуковое поле будет более сложным, чем изображенное на рис. 30.

Из механики упругих тел [13] и теории упругости [14] известно, что нормальное приложение силы к плос­кой поверхности среды вызывает в ней не только дефор­мации сжатия, распространяющиеся в глубь среды в на­правлении действия силы, но и деформации растяжения на поверхности, направленные перпендикулярно действу­ющей силе. Если импульсы колебаний, передаваемые излучателем в среду, уподобить механическим ударам бойка о поверхность, то в месте удара возникает прогиб поверхности и уплотнение частиц среды. Частицы по­верхностного слоя при этом переместятся в направлении удара (по оси Z), передавая энергию от одной частицы другой, и в среде происходит движение частиц в направ­лении действия силы. Вместе с тем за счет сил упруго­сти при ударе в поверхностном слое наблюдается попе­речное движение частиц в направлении, перпендикуляр­
ном удару (перпендикулярно направлению распростране­ния продольной волны). В следующий момент (в моменті паузы) под действием этих же упругих сил частицы сре-;! ды возвратятся в свое первоначальное положение. В ре­зультате среда придет в колебательное движение, при| котором продольные волны распространяются в глубь среды (по оси Z), а на поверхности во все стороны от| излучателя — сдвиговые и поверхностные, затухающие глубиной волны.

Конкретные детали, подвергаемые ультразвуковом! контролю, имеют ограниченные размеры, поэтому прел ставляет интерес рассмотреть звуковое поле ограничег ной среды. Здесь возможны несколько случаев.

1.Звуковое поле дискового излучателя, расположен ного на плоской поверхности среды, ограниченной в на-' правлении Z. Размеры среды по осям X и У безграничны.

При Z>r0 в среде распространяются плоские и сфе­рические волны сначала цилиндрическим, затем кониче­ским пучком, образуя на противоположной поверхности фокальное пятно диаметром D0, большим диаметра из­лучателя 1 (рис. 31). Вследствие расхождения пучка

только центральный луч падает на противоположную поверхность под прямым углом. Остальные лучи падают на поверхность под углами, изменяющимися от 90 до 90—0°. При этом в среде происходят смещения частиц (сдвиги), в результате которых в месте падения волны от поверхности отражаются не только продольные L, но и возникающие сдвиговые 5 волны. В граничном слое наблюдаются оба вида колебаний, которые, складываясь, вызывают колебания частиц, отличные от продольных или сдвиговых и которые являются их комбинацией. ■

Отраженные от нижней поверхности волны образуют свое звуковое поле в виде расходящихся конусом лучей продольных и сдвиговых УЗК, распространяющихся в среде с разными скоростями в направлении к верхней поверхности. Можно считать, что это поле создано мни­мым излучателем, расположенном на нижней поверхно­сти среды диаметром, равным диаметру фокального пятна D0. Отраженные волны распространяются от каж­дой точки фокального пятна двумя расходящимися лу­чами с углами расхождения продольных волн от |3=0о до Р = 0°, и сдвиговых — от у«0о ДО у = 0)°. Здесь (О — максимальный угол отклонения отраженного луча сдви­говых волн (са<0). Лучи продольных и сдвиговых волн, достигнув верхней поверхности, вновь отразятся от нее с расщеплением и т. д. Наибольшая интенсивность волн в среде наблюдается на участке падения центрального и близлежащих к нему лучей, которые распространяют­ся в среде под малыми углами и, отражаясь, почти пол­ностью воспринимаются излучателем. Периферийные лучи, падая на поверхность под большими углами, при отражении не попадают на излучатель и, многократно отражаясь с расщеплением от противоположных поверх­ностей, распространяются вдоль слоя в разные стороны от излучателя.

При Z^r0 в среде распространяется плоская волна параллельным пучком лучей, образуя на противополож­ной поверхности фокальное пятно диаметром D0, равным диаметру излучателя.

Нетрудно видеть, что и в этом случае в среде появля­ются не только продольные, распространяющиеся в на­правлении прозвучивания, но и сдвиговые и поверхност­ные волны, распространяющиеся от излучателя в разные стороны (подобно волнам на поверхности жидкости от брошенного камня). При непрерывном излучении про­дольные волны, отражаясь от противоположных поверх­
ностей среды и складываясь с другими видами колеба­ний, создают на участке облучения сложную интерферен ционную картину с неравномерным распределением ин тенсивности ультразвука. Возникающие в данном случае, комбинации волн могут быть зафиксированы на некою ром расстоянии от источника колебаний.

Таким образом, колеблющийся дисковый излучатель, расположенный на плоской поверхности твердой среды, не ограниченной или ограниченной в направлении Z, воз­буждает в ней направленные, распространяющиеся в направлении прозвучивания и ненаправленные, распро­страняющиеся в разные стороны от излучателя волны.

Ненаправленные волны и являются причиной возникно! вения боковых лепестков диаграммы направленности.

2. Звуковое поле дискового излучателя, расположен­ного на расстоянии h от плоской поверхности облучае­мой среды II. Ось излучателя совпадает с осью Z. Про­межуток h заполнен жидкой или твердой средой /, удельное акустическое сопротивление которой piCi< <рцсц. Размеры сред / и// по осям Xu Y безграничны.

В этом случае звуковое поле имеет вид, показанный на рис. 32. В среде / излучаемые волны распространи-
ются сначала цилиндрическим, затем коническим пуч­ком лучей до границы со средой II, образуя на ее по­верхности фокальное пятно, диаметр которого Dn будет тем больше, чем больше расстояние h. На границе раз­дела сред I и II часть волн отразится в среду / (на рис. 32 не показаны) в виде продольных волн, если среда / — жидкая, или в виде продольных и сдвиговых волн, если среда / — твердая. Другая часть продольных волн вой­дет в среду II с расщеплением на продольную и сдвиго­вую составляющие, которые распространяются в ней под углами р и у, большими, чем угол 0 расхождения лучей в среде /. Трансформированные волны образуют на дон­ной поверхности среды участки (фокальные пятна) диа­метрами DLh и £>sn. от которых происходит отражение продольных и сдвиговых волн с последующим их рас­щеплением на продольную и сдвиговую составляющие. Эти волны отражаются обратно в среду II под углами, изменяющимися от 0° до у и Р соответственно. Достиг­нув поверхности, волны частично отразятся от нее с расщеплением, а частично проникнут в среду / и т. д.

Нетрудно видеть, что в данном случае из-за больше­го расхождения лучей и потерь энергии при переходе волны из одной среды в другую интенсивность УЗК в среде II будет меньше, чем в случае облучения среды излучателем, расположенным на ее поверхности.

3. Звуковое поле излучателя, расположенного на плоской поверхности среды, ограниченной в направлении X двумя параллельными плоскостями, симметричными относительно оси Z. Размеры среды по осям У и Z без­граничны.

Если расстояние b между граничными плоскостями будет большим по сравнению с диаметром излучателя Ьизл, т. е. b^Dnan, то звуковое поле не отличается от звукового поля, показанного на рис. 30.

Если же b не намного больше Dma или равно ему, то характер звукового поля будет иным. На рис. 33, а показана схема распространения волн в плоскости XOZ, где расхождение пучка лучей ограничено поверхностя­ми АВ и CD. Центральный и близлежащие лучи пучка УЗК распространяются вдоль оси Z. Краевые лучи, на­чиная с расстояния /о, расходятся и падают на гранич­ные плоскости под углами, изменяющимися от а=90—0° до а=90°. При этом лучи расщепляются на продольную и сдвиговую составляющие, которые распространяются в среде под соответствующими углами. Продольная со­
ставляющая распространяется под углом, равным углу падения, а сдвиговая — под углом, определяемым из СООТНОШеНИЯ Sin (90—0)/Cnp = Sin Р/Ссдв-

На противоположной стороне сдвиговая S и продоль­ная L волны вновь трансформируются в продольную и сдвиговую (на рис. 33 не показаны) и т. д. В среде воз­никает сложное звуковое поле, состоящее из продольных и сдвиговых волн и их комбинаций в граничных плоско­

стях. Интенсивность продольных волн в среде макси­мальна вблизи центрального луча, в области, наиболее удаленной от граничных поверхностей.

В плоскости YOZ звуковое поле ничем не ограничено, поэтому здесь лучи УЗК расходятся правильным кону­сом, симметричным относительно излучателя.

При Ь<£>шл вследствие сближения граничных по­верхностей в среде наблюдается волноводный характер распространения продольных и сдвиговых волн; так как направление распространения основного пучка УЗК сов­падает с направлением трансформированных волн, ин­
тенсивность их в направлении прозвучивания будет вы­сокой, благодаря чему УЗК распространяются вдоль среды на значительные расстояния.

4. Звуковое поле излучателя, расположенного на плоской поверхности среды, ограниченной в направлении X и Y четырьмя взаимно перпендикулярными плоскостя­ми, симметричными относительно оси Z.

В этом случае продольные УЗК от излучателя рас­пространяются сначала цилиндрическим, затем кониче­ским пучком лучей с углом расхождения 2 0. На некото­ром расстоянии от поверхности боковые лучи конуса встречаются с граничными плоскостями на участках, ограниченных линиями их пересечения (рис. 33,6). При этом продольные волны отражаются от всех четырех плоскостей с расщеплением на продольную и сдвиговую составляющие, которые, многократно отражаясь от про­тивоположных поверхностей, распространяются в на­правлении прозвучивания. Вследствие косого падения лучей на граничные поверхности в них возникают также и поверхностные волны, распространяющиеся в том же направлении.

При уменьшении размеров b доля энергии, отражен­ной граничными поверхностями, сначала возрастает и при b—Dmл становится максимальной. При дальнейшем уменьшении размеров b уменьшится площадь ввода УЗК и, следовательно, снизится доля вводимой энергии. Одна­ко и в этом случае ультразвук распространяется вдоль среды на значительное расстояние вследствие отсутствия расхождения пучка и ослабления интенсивности за счет увеличения фронта волны (эффект волновода).

5. Звуковое поле дискового излучателя, расположен­ного под углом к плоской поверхности облучаемой твер­дой среды II. Ось излучателя образует с осью Z угол а. Область пространства между поверхностями излучателя if среды заполнена жидкой или твердой средой I, при этом ріСі<рцСц. Размеры сред / и II по осям X и Y без­граничны.

Условимся считать угол, образованный центральным лучом пучка УЗК и нормалью к поверхности в точке падения центрального луча, углом а падения пучка про­дольных волн на плоскость. Проведем к границе раздела нормальную плоскость через центр излучателя так, что­бы центральный луч лежал в этой плоскости. При пер­пендикулярном падении пучка лучей (а = 0) ультразву­ковая энергия концентрируется на участке поверхности

JF0, равном площади излучателя (рис. 34, а). При этом, как известно, в среду 11 входит около 10—12 % излучае­мой энергии, которая расходуется в основном на фор­мирование в ней продольных волн, распространяющихся сначала параллельным, а затем конусным пучком лучей с углом расхождения 2 0. Любое сечение пучка плоско­стью, перпендикулярной центральному лучу, является окружностью.

При наклоне излучателя (а>0) ультразвуковая энер­гия вводится в среду 11 на участке поверхности, равном площади проекции излучателя на поверхность раздела. Эта площадь F больше площади Fo ввода при а=0 и с увеличением угла а увеличивается. Лучи УЗК на гра­нице сред трансформируются, в результате чего в среде 11 возникают 2 пучка: продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под углами р и у соответственно. При малых углах пучок сдвиговых волн как бы зарож­дается в пучке продольных. Так, например, при а = 5" почти весь пучок сдвиговых волн находится в пучке про­дольных (рис. 34,6). Интенсивность сдвиговых волн в этот момент мала, так как падающая волна вызывает незначительные сдвиги в среде 11; поэтому большая часть прошедшей энергии приходится на продольную волну. С увеличением угла а происходит перераспреде­ление введенной энергии: интенсивность сдвиговых волн увеличивается, а продольных уменьшается. При а «24° введенная энергия распределяется между продольными и сдвиговыми волнами приблизительно поровну. При увеличении угла до ащ>/ большая часть энергии преобра­зуется в сдвиговые, а меньшая — в продольные волны.

Следует отметить, что плотность звуковой энергии при падении УЗК под углом на поверхность раздела двух сред будет меньше, чем при нормальном падении пучка (а=0). Это объясняется увеличением площади, через которую УЗК вводят в среду 11, потерями на зату­хание в первой среде, расщеплением пучка УЗК на гра­нице с образованием двух пучков, суммарная площадь облучения которых больше первоначальной (рис. 34, б—-г).

С увеличением угла а пучки постепенно расходятся, | однако почти до а=20° они существуют совместно, создавая в среде (вблизи поверхности ввода) неоднород­ное звуковое поле с зонами совместного распространения продольных и сдвиговых волн и зонами, в которых рас­пространяются чисто продольные и чисто сдвиговые УЗК. Кроме того, с ростом угла а возрастают углы р и у, благодаря чему преломленные волны облучают ниж­ний правый сектор, перемещаясь от оси Z к оси X, при­чем пучок продольных волн пробегает этот путь быстрее пучка сдвиговых.

Итак, в среде образуются два пучка УЗК, которые различаются направлением колеблющихся частиц, ско­ростями распространения, протяженностью ближней

зоны, углами расхождения и энергией при различных углах падения.

Рассматривая геометрию звукового поля в среде II, можно заметить, что пучки преломленных волн при уве­личении углов деформируются (сжимаются). Деформа­ция пучка продольных УЗК начинается примерно с а» 15°, когда пучок из круглого конуса превращается в эллипсовидный конус, и продолжается до ctKpi, когда пу­чок становится почти плоским и распространяется вдоль границы в поверхностном слое среды II в виде поверхно­стной волны. Деформация пучка обусловлена геометрией излучателя и звукового поля при переходе лучей из од­ной среды в другую под различными углами. Деформа­ция пучка сдвиговых УЗК начинается примерно с акрі и продолжается до аКрп, когда сжатый плоский пучок сдвиговых волн распространяется в поверхностном слое среды II также в виде поверхностной волны (рис. 34, к).

Несмотря на то что доля звуковой энергии, приходя­щейся на продольную и сдвиговую волны к моменту вы­хода их на поверхность, существенно снижается, интен­сивность волн остается высокой, так как благодаря сжатию пучков вся энергия локализуется в тонком по­верхностном слое и облучаемая ими площадь существен­но уменьшается.

Анализируя трансформацию пучков продольных и сдвиговых волн, можно сделать следующие выводы: по­верхностные волны, полученные из продольных (при %pi), вызывает чисто продольные колебания среды, а полученные ИЗ СДВИГОВЫХ (при ССкрІї) — чисто попереч­ные колебания среды; скорости распространения про­дольных и сдвиговых волн на поверхности среды (при акрі и акрп) меньше, чем скорости этих же волн в глу­бине среды. Это объясняется тем, что условия распрост­ранения упругих волн на поверхности и в глубине среды различны. На поверхности среда свободна и не имеет по соседству частиц, препятствующих ее деформации при распространении волны. Упругость поверхностного слоя становится как бы меньше упругости сплошной среды, что приводит к некоторому снижению скорости распрост­ранения волны на поверхности. Как показали экспери­менты, скорость поверхностных волн СповІ 0,9 Спр при акрі, а сПоВц«0,9 Ссдв при акри-

Если среда II ограничена плоскостью, параллельной границе раздела сред, то продольные и сдвиговые вол­ны, достигнув противоположной поверхности, отразятся

от нее под теми же углами, вновь расщепляясь на пр дольные и сдвиговые и т. д. На рис. 35 показано отра жение волн от противоположных поверхностей среды (для упрощения показаны не расходящиеся, а парал­лельные пучки лучей). В плоскости рассматриваемого сечения в направлении излучения распространяются продольные и сдвиговые волны, попеременно отражаясь от граничных поверхностей. Вследствие косого падения лучей УЗК в граничных поверхностях среды 11 возника­ют также и поверхностные волны небольшой мощности.

При аКрі продольные волны «выйдут» на поверхность среды II и «приплюсуются» к ранее возникшим поверх­ностным волнам. В среде при этом распространяются сдвиговые волны, попеременно отражаясь от граничных поверхностей. При анри в среде, в направлении излуче­ния, распространяются преимущественно поверхностные волны. Глубинные волны в толще слоя отсутствуют. Следует отметить, что такая картина наблюдается толь­ко в рассматриваемой плоскости при условии, что среда II безгранична в направлениях XY, а падающий пучок лучей — параллелен. При контроле конкретных изделий таких условий практически не существует. Поэтому при возбуждении УЗК в деталях ограниченных размеров на границах тела за счет отражения и трансформации волн возникает сложное волновое движение, представляющее собой различные комбинации продольных, сдвиговых и других видов волн. л