Облучение цилиндрических тел

Рассмотрим звуковое поле, возникающее на поверх­ности и внутри круглого сплошного вала, при падении на него параллельного пучка лучей УЗК от дискового излучателя, расположенного на расстоянии h от оси ва­ла (рис. 36). Пусть оси излучателя и вала взаимно пер-

J — вал; 2 — пьезоэлемент; 3 — пучок лучей продольных волн; NZP —
граничная линия участка облучения поверхности вала

пендикулярны и пересекаются, a Da3.4=DB h<ro pici< <рцСц, где pi Сі— удельное акустическое сопротивление среды, из которой продольные волны падают на рар - сматриваемое тело; рдСд — удельное акустическое со­противление материала вала; DB — диаметр вала.

Продольные волны L падают на поверхность вала на участке, ограниченном линией пересечения двух взаимно перпендикулярных цилиндров: поля излучателя и по­верхности вала (рис. 36, а). На этом участке продоль­ные УЗК, встречаясь с кривой поверхностью, частично отражаются и частично входят в тело вала. Отраженные волны создают в окружающей среде звуковое поле, со­стоящее из продольных L' и сдвиговых S' волн, если ок­ружающая среда — твердая, и продольных L' волн, если окружающая среда — жидкая, распространяющихся вправо и влево от центрального луча под различными углами (рис. 36, б) . Для того чтобы установить характер

звукового поля, возникающего внутри тела, рассмотрим поперечное сечение вала плоскостью, проходящей через центр излучателя 1 (рис. 37).

Из пучка лучей, падающих на поверхность КьКгКіККїКіКв, только центральный луч АК входит в тело вала по нормали. Следовательно, этот луч распро­страняется в теле вала в виде продольной волны, кото-

рая, достигнув противоположной поверхности, отража­ется обратно под тем же углом и по тому же пути (рис. 37, а).

На участках вправо и влево от центрального луча до точек К и К2 соответственно лучи падают на поверх­ность вала под углами, изменяющимися от 0 (в точке К) до угла акрі (в точках Кг и Kz). На этих участках УЗК в теле детали претерпевают трансформацию, рас­щепляясь на продольные и сдвиговые составляющие. В точках Кг и Къ где лучи АхКг и A2Kz падают на по­верхность под первыми критическими углами, продоль­ные волны в теле вала трансформируются в поверхност­ные.

На участках KiKz и KzKn лучи продольных волн па­
дают под углами а>аКрь вследствие чего в теле вала возникают только сдвиговые волны. В точках Кз и К* лучи А3Кз и Л4Д4 падают на поверхность вала под углом акр». Сдвиговые волны трансформируются в поверхност­ные. На участках поверхности К3К5 и КьКъ лучи УЗК в тело входить не будут, так как углы падения а>аКрц, вследствие чего волны испытывают полное внутреннее отражение.

Продолжим рассмотрение формирования звукового поля на рис. 37, б, где показан ход лучей внутри вала 2. Для упрощения покажем пять лучей: центральный АК и два боковых А'К' и А”К", падающих на поверхность К"К'КК'К" под углами а' и а" соответственно, причем углы a/<a'/<aKpi. На этом участке лучи входят в тело вала и расщепляются на продольную и сдвиговую со­ставляющие (кроме центрального луча), которые рас­пространяются до противоположной поверхности. До­стигнув ее, волны отражаются, расщепляясь вновь на составляющие, которые распространяются в теле под соответствующими углами до его границ. Затем проис­ходит новое отражение и расщепление волн и т. д. При этом отражение лучей продольных и сдвиговых волн внутри вала происходит от вогнутой поверхности, благо­даря чему они фокусируются в нижней части сечения вала.

Как видно, при выбранной схеме облучения в рас­сматриваемом сечении тела возникает сложная комбина­ция УЗК различных видов. Качественно аналогичная картина наблюдается в близлежащих к этому сечению параллельных плоскостях. Однако отрезок линии входа лучей и, следовательно, плотность ультразвуковой энер­гии в других сечениях уменьшаются с удалением от центрального луча.

В плоскости продольного сечения вала лучи УЗК падают на образующую вала под прямым углом и рас­пространяются в теле детали расходящимся пучком про­дольных волн с углом расхождения 2 0. Достигнув про­тивоположной нижней поверхности, лучи отражаются от нее под углами от 90 до 90—0, одновременно расщепля­ясь на продольные и сдвиговые составляющие. Отражен­ные лучи, достигнув противоположной верхней поверх­ности, снова отражаются с расщеплением и т. д. В про­дольной плоскости сечения вала вправо и влево от излучателя распространяются продольные и сдвиговые волны сравнительно небольшой мрщности.

Значительно сложнее картина в других сечениях, па­раллельных центральному вследствие падения лучей на цилиндрическую поверхность под углами а#90°. Кроме расщепления продольных УЗК на составляющие, изме­няются также плоскости их распространения.

Сложное звуковое поле наблюдается также при об­лучении наружной поверхности цилиндрической трубы параллельным пучком лучей. Здесь волны также входят

в тело трубы под различными углами с расщеплением на продольные, сдвиговые и поверхностные (рис. 38). Однако ход лучей в трубе иной, чем в сплошном вале, где они отражаются всегда от вогнутой поверхности, что приводит к некоторой их фокусировке внутри вала. В трубе лучи продольных и сдвиговых УЗК отражаются попеременно от выпуклой и вогнутой поверхностей, что приводит к рассеянию УЗК и распространению большей части их по окружности и частично вдоль трубы вправо и влево от излучателя.

Чтобы УЗК распространялись вдоль вала (трубы) на большее расстояние, необходимо наклонить излучатель относительно нормали к поверхности на угол а. Форми­рование поля в продольной плоскости вала при его облу­чении наклонным параллельным пучком лучей аналогич­но показанному на рис. 35.

Если для данного сечения подобрать угол а равным <хКрп, то вдоль образующей цилиндра будут распростра­няться преимущественно поверхностные волны. Анало­гичная картина наблюдается в близлежащих к этому сечению параллельных плоскостях, где лучи входят в тело вала под углами, мало отличающимися от акрп. Однако в плоскостях, расположенных дальше от цент­рального сечения, углы встречи лучей с поверхностью вала (трубы) значительно отличаются от аКрп (а<акри), вследствие чего волны, проникшие в тело детали, рас­щепляются на продольные и сдвиговые составляющие.

Значительный интерес представляет звуковое поле, возникающее в стенке трубы при облучении ее парал­лельным пучком лучей УЗК, падающих на внутреннюю (вогнутую) поверхность.

Пусть оси излучателя и трубы взаимно перпендику­лярны и пересекаются, а £>изл=^тр, Я<г0 и рі£т<рііСц. Здесь dTP — внутренний диаметр трубы; Н — расстояние от излучателя до внутренней поверхности трубы в точке падения центрального луча (рис. 39).

На участке падения параллельного пучка лучей часть их отразится от вогнутой поверхности, а часть войдет в тело трубы. Рассмотрим поперечное сечение трубы пло­скостью, проходящей через центр излучателя.

Отраженные волны создают в окружающей среде звуковое поле, состоящее из продольных V (если среда жидкая) или продольных L' и сдвиговых S' (если среда твердая) лучей, которые сходятся и фокусируются в плоскости центрального луча (рис. 39, а). Центральный луч входит в тело и отражается обратно без трансфор­мации. На участках KKi и ККч в теле детали возникают продольные и сдвиговые волны, а на участках ККг и КіКі — только сдвиговые (рис. 39, б, в). В точках К и Кі продольная, а в точках Кг и Кі — сдвиговая составля­ющие трансформируются в поверхностные волны. Воз­никшие продольные, сдвиговые и поверхностные волны «стекаются» к плоскости, проходящей через центральный луч и образующую цилиндра (сравните с облучением наружной поверхности цилиндра на рис. 38), повышая плотность энергии в направлении облучения. Если на­клонить излучатель относительно оси цилиндра так, что­бы оси их составляли угол а, то трансформированные волны распространяются вдоль стенки более плотным и направленным пучком, ічем в аналогичном случае при расположении излучателя над выпуклой поверхностыо цилиндра. ‘

Таким образом, с помощью дискового излучателя практически нельзя возбудить в цилиндрическом вале или трубе только сдвиговые, распространяющиеся под

определенным углом а, или поверхностные УЗК. Наряду со сдвиговыми волнами, распространяющимися под уг­лом а, всегда возникают сдвиговые и, возможно, другие виды колебаний, распространяющиеся под другими уг­лами. Нетрудно видеть, что в цилиндрических изделиях возбуждение комбинаций УЗК с преобладанием тех или иных видов волн определяется относительными размера­ми детали и излучателя, их взаимным расположением, толщиной стенок трубы, конструкцией преобразователя (формой контактной поверхности), расстоянием от излу­чателя до контролируемой поверхности и т. д. При до­статочно большом внешнем диаметре цилиндра и узком пучке УЗК в деталь можно ввести продольные волны под заданным углом а на ограниченном участке поверх - яости, что позволяет получить в детали комбинацию УЗК с преобладанием одного какого-либо вида волн, распро­страняющихся в заданном направлении под рассчитан­ным или близким к нему углом.