MG"17

5.3.4. Załamanie i odbicie fali na granicy dwóch ośrodków

Przy przechodzeniu fali z jednego ośrodka do drugiego następuje zmiana kierunku propagacji, spowodowana różnicą prędkości rozchodzenia się fali w obu ośrodkach. Zmiana kieninku zachodzi zgodnie z prawem sinusów (rys. 5.19)

sina _ sinP c_p’

gdzie:

a

P

^Ca

^CP

Rys. 5.19

(5.29)

kąt padania, kąt załamania,

prędkość propagacji fali w ośrodku padania,

prędkość propagacji fali w ośrodku załamania.

Zjawisku załamania towarzyszy zwykle odbicie od granicy ośrodka. Energia odbitej fali jest tym większa, im większa jest różnica impedancji akustycznej obu ośrodków. Impedancja akustyczna równa się w przybliżeniu iloczynowi gęstości ośrodka i prędkości propagacji fali ultradźwiękowej

z, ⁸ pc.    (5.30)

W ośrodkach, w których mogą rozchodzić się fale podłużne i poprzeczne (ośrodki wykazujące sprężystość postaciową - ciała stałe), skośnie padająca na granicę dwóch ośrodków wiązka fal podłużnych (lub poprzecznych) ulega załamaniu i odbiciu, przy czym są generowane: podłużna i poprzeczna fala załamana oraz podłużna i poprzeczna fala odbita. Na skutek różnych prędkości propagacji wiązki fal rozdzielają się i biegną pod różnymi kątami.

Rys. 130

W ośrodkach płynnych rozchodzą się tytko falc podłużne. Na rys. 5.20 przedstawiono załamanie i odbicie przy skośnym padaniu fali: a) fala podłuź*

na padająca na granicę dwu ciał stałych, b) fala poprzeczna padająca na granicę dwu ciał stałych, c) fala poprzeczna padająca z ciała stałego na granicę płynu.

5.3.5. Natężenie fali ultradźwiękowej

Natężenie fali ultradźwiękowej spada w miarę oddalania się od źródła drgań. Spadek natężenia jest spowodowany: rozbieżnością wiązki, tłumieniem, rozproszeniem na niejednorodnościach ośrodka i przemianą fali przy odbiciach.

Tłumieniem fal ultradźwiękowych nazywa się przemianę częstotliwości energii fali na energię drgań o innej częstotliwości (na ogół są to drgania cieplne). Towarzyszą temu zjawisku różne mechanizmy fizyczne. Można na przykład rozróżnić tłumienie termosprężyste, tłumienie spowodowane podwyższaniem stanów energetycznych cząsteczek ośrodka, drganiami dyslokacji itd.

Zmianę natężenia fali ultradźwiękowej wywołaną tłumieniem można opisać funkcją wykładniczą

(5.31)

gdzie:

J₀ — początkowa wartość natężenia fali, a — amplitudowy współczynnik tłumienia, x — odległość od źródła drgań.

5.3.6. Prędkość propagacji fal ultradźwiękowych

Prędkość propagacji i tłumienie fali ultradźwiękowej są parametrami zależnymi od właściwości sprężystych i lepkosprężystych ośrodka. Rozróżnia się dwa rodzaje prędkości propagacji fali: prędkość fazową cy i prędkość grupową c . Prędkość fazowa jest to prędkość, z jaką dana faza drgań przesuwa się wzdłuż kierunku propagacji. Prędkość fazową można określić wzorem przybliżonym

(5.32)

gdzie:

M — uogólniony moduł sprężystości zależny od właściwości ośrodka i rodzaju fali, p — gęstość ośrodka.

Między prędkością fazową, częstością drgań / i długością fali istnieje

zależność

189