Распространение ультразвуковых волн происходит по законам геометрической (лучевой) акустики, которая по аналогии с геомет­рической оптикой соответствует предельному случаю звуковой акустики при переходе к беско­нечно малой длине волны (ког­да Л.—»-0). В геометрической акустике пренебрегают волно­вой природой упругих колеба­ний и связанных с ией дифрак­ционных явлений, если дифрак­ционные эффекты очень малы.

В геометрической акустике рассматривают законы распро­странения упругих волн в од­нородных упругих средах на основе представлений об уль­тразвуке как о совокупности ультразвуковых лучей — линий, вдоль которых распространяет­ся звуковая энергия. В одно­родной изотропной упругой среде лучи прямолинейны, орто­гональны к волновым поверхно­стям и направлены в сторону внешних нормалей к этим поверхностям. Рассмотрим звуковое поле Дискового излучателя (рис. 24, а). Если окружающая упругая среда ,однородна и изотропна, то излучатель создаст в ней звуковое поле, имеющее вблизи него почти цилиндрическую форму (ближняя зона, зона дифракции Френеля), а с некоторого расстояния Го, приобрета­ющее форму усеченного конуса с углом 20° при вершине (дальняя, зона, зона дифракции Фраунгофера).

Протяженность ближней зоны может быть определена по фор­муле

rt = D*l4K, (15)

где D — диаметр излучателя, мм.

Половина угла раствора при вершине конуса, в котором почти полностью концентрируется генерируемая излучателем энергия, мо­жет быть определена из соотношения »

sin0= 1,22Я/£>, (16)

где 0—угол между осью пучка УЗК и крайним лучом, град.

Однако в пределах этого конуса интенсивность ультразвука не­одинакова: она уменьшается по направлению от оси пучка к пери­ферии. Это свойство излучателя, как уже указывалось, характеризу­ется его диаграммой направленности, представляющей собой поляр­ную диаграмму изменения звукового поля (интенсивности или давления) в зависимости от направления. Если размеры излучателя меньше длины волны, то от него распространяются сферические вол­ны и излучение будет ненаправленным. Если размеры излучателя больше длины волны, то излучаемая энергия концентрируется пре­имущественно по одному направлению, совпадающему с направле­нием нормали к излучающей поверхности.

Направленность излучателей определяют экспериментально — от­носительными измерениями [9, 10]. Для некоторых простейших слу­чаев характеристики направленности излучателей могут быть рас­считаны.

На рис. 24, б показана полярная диаграмма направленности из­лучения — приема для дискового излучателя.

По мере удаления от излучателя амплитуда колебаний частиц по­степенно убывает. Это обусловлено геометрическим расхождением лучей, что приводит к увеличению площади фронта волны, а также наличием потерь в среде, приводящих к постепенному затуханию ко­лебаний при их распространении.

Затухание УЗК происходит по экспоненциальному закону:

А = А„ е~6г, (17)

где z — расстояние, пройденное волной, м; 6 — коэффициент зату­хания, 1/м.

Коэффициенты затухания различны для различных материалов и складываются из коэффициентов поглощения и рассеяния:

б = 8Пог + брас - (18)

В однородной изотропной упругой среде и в монокристаллах ме­таллов затухание определяется поглощением ультразвука. При этом энергия упругих колебаний переходит в тепловую.

В поликристаллической среде и в металлах, обладающих упругой анизотропией, затухание определяется рассеянием энергии колеба­ний зернами металла. Это приводит к дополнительному уменьшению интенсивности волн в направлении их распространения.

При распространении упругих волн в металлах возможна ревер­берация — постепенное затухание колебаний, обусловленное повтор­ными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за мно­гократного отражения колебаний от поверхностей, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отра­жения и рассеяния колебаний границами зерен металла). Возник­новение структурной реверберации может быть объяснено анизотро­пией упругих свойств зерен металла, благодаря чему ультразвук при переходе из одного зерна в другое претерпевает отражение на их гра­ницах, преломление при переходе через границы и постепенное рас­сеяние во все стороны.

При распространении УЗК в упругой среде могут наблюдаться интерференционные и дифракционные явления.

Интерференция — это результат сложения двух или нескольких когерентных колебаний, воздействующих на одну и ту же точку среды. Оиа существенно влияет на характер звукового поля преоб­разователя и определяет направленность излучения. Так, при работе преобразователя в режиме непрерывного излучения в результате ин­терференции структура звукового поля вблизи излучателя становится сложной. В ближней зоне интенсивность колебаний и давление меня­ются скачками. Только начиная с расстояния г0, определяемого по формуле (15), изменение приобретает монотонный характер.

Интерференция может привести к образованию стоячих волн.

Стоячей волной называется волна, возникающая в результате на­ложения двух встречных волн с одинаковой частотой и амплитудой. Плоская продольная стоячая волна возникает, например, при нало­жении падающей и отраженной плоских волн, если угол падения равен нулю и коэффициент отражения равен единице, т. е. если от­ражение происходит от среды с очень большим или очень малым акустическим сопротивлением. При этом в однородной среде вдоль оси поля наблюдаются неподвижные точки, называемые узлами (ко­лебания частиц отсутствуют), и точки с максимальным смещением, называемые пучностями стоячей волны (колебания совершаются с максимальной амплитудой). Расстояние между двумя соседними уз­лами или пучностями в стоячей волне равно Л/2.

В стоячей волне все частицы среды, находящиеся между двумя соседними узлами, колеблются в одной фазе, но с разными ампли­тудами. При переходе через узел фаза колебаний скачкообразно из­меняется на я.

В отличие от бегущих волн в стоячей волне отсутствует перенос энергии, благодаря чему положение в пространстве узлов и пучно­стей не изменяется с течением времени (поэтому волны называются стоячими), так как образующие эту волну прямая и обратная волны переносят энергию в равных количествах и в противоположных на­правлениях.

Явление дифракции широко распространено в акустике. Оно свя­зано с тем, что в случае наличия в среде препятствий, размеры ко­торых соизмеримы с длиной звуковой волны или меньше ее, уже нельзя рассматривать распространение звука на основе лучевых пред­ставлений. В этом случае звук может огибать препятствия, образуя звуковое поле в таких местах, куда не проникает прямой луч от источника.

Если размеры препятствия равны длине волны или меньше, то лучи почти не отражаются от него, а огибают препятствие и рас­сеиваются в окружающей среде. Лучи будут отражаться только в том случае, если размеры препятствий больше длины волны ультра­звука.

Интерференция и дифракция взаимно связаны и существуют од­новременно. Они значительно усложняют измерения с помощью уп­ругих волн, особенно в режиме непрерывного излучения. Поэтому более предпочтительным является эхо-метод, при котором падающая я отраженные волны не встречаются и не интерферируют.