Виды упругих волн. Упругие волны, наблюдаемые в твердых телах, могут подразделяться на несколько групп. Продольные волны или волны сжатия и растяжения, поперечные волны или волны сдвига и поверхностные волны или волны Релея, возникающие в результате совместных деформаций.
Продольные упругие волны — это волны, в которых движение частиц среды совершается в направлении движения волны. Эти волны распространяются с наибольшей скоростью. В неограниченном твердом теле скорость распространения их определяется из уравнения
Поперечные волны или волны сдвига — это волны, при которых; направление движения частиц в материале распространяется перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость поперечных волн примерно в два раза меньше скорости продольных волн и определяется из уравнения из которого при известном коэффициенте Пуассона и найденном модуле упругости Е всегда можно определить модуль сдвига С
Поверхностные волны или волны Релея аналогичны волнам,, возникающим на поверхности воды, характеризуются как продольными, так и поперечными смещениями частиц в плоскости распространения волны. Эти волны быстро затухают и незначительно проникают в глубь материала. Скорость распространения поверхностных волн в твердых телах составляет около 0,9 от скорости распространения поперечных волн.
В твердых телах могут наблюдаться еще и поверхностные поперечные волны или волны Лява. Последние возникают в том случае, когда твердое тело состоит из двух различных по своим физико-механическим свойствам сред в виде соприкасающихся слоев. Эти волны распространяются со скоростью несколько большей, чем поверхностные волны Релея.
Отражение и преломление упругих волн. При распространении упругих волн на поверхность твердого тела они отражаются и преломляются аналогично лучам света. При отражении основная часть энергии сосредоточивается в отраженной волне, так как акустическое сопротивление твердого тела значительно больше, чем акустическое сопротивление воздуха. Если перпендикулярно к поверхности твердого тела падает упругая волна (продольная или поперечная), то и отраженная и проходящая (преломленная) волны будут такого же типа, как и падающая волна.
При падении упругой продольной волны на границу раздела двух сред под углом происходит расщепление волн с образованием четырех новых волн: двух отраженных — продольной и поперечной и двух проходящих преломленных волн — продольной и поперечной (черт. № 149). Причем для падающей и отраженной продольных и поперечных волн угол падения равен углу отражения.
Преломление волн и соотношение между скоростями и углами падения и отражения при падении упругих волн под углом выражается формулой.
Теоретические основы методов испытаний
черт. № 149. Схема преломления и отражения продольной волны на границе двух сред:
При падении упругой волны на границу раздела двух сред ее энергия распределяется между отраженными и преломленными волнами в зависимости от свойств и акустического сопротивления этих сред.
Акустическое сопротивление среды характеризуется произведением плотности материала на скорость распространения упругих волн в этом материале.
По данным А. С. Дурасова и Н. А. Крылова, значения акустических сопротивлений основных материалов, входящих в состав бетона, приведены в табл. 30.
Теоретические основы методов испытаний
На характер распространения упругих волн в твердом теле оказывает влияние и дифракция волн, т. е. нарушение их прямолинейности в результате огибания встречающихся препятствий и других явлений, связанных с рассеянием энергии волн.
Дисперсия упругих волн — явление изменения фазовой скорости (скорость отдельной синусоидальной волны постоянной амплитуды бесконечной протяженности во времени) упругих волн в зависимости от их длины и условий распространения.
Дисперсия бывает нормальной или геометрической, если длинноволновые колебания распространяются быстрее коротковолновых, и аномальной, если скорость коротковолновых колебаний будет больше скорости распространения длинных воли.
Аномальная дисперсия наблюдается при распространении упругих колебаний в упруго-вязко-пластической среде, к которой относится и бетон.
В бетоне (материале, обладающем структурной неоднородностью) распространение упругих волн сопровождается одновременно всеми вышеуказанными процессами отражения, преломления, дифракции и дисперсии волн, что и вызывает значительное рассеяние их энергии.
Следует отметить также, что ультразвуковые волны, распространяясь в твердых телах, не вызывают никаких изменений в них, тате как уплотнения и разряжения, связанные с их прохождением, составляют ничтожно малую величину.
