Come reagiscono le onde sonore alle interfacce?
Per la propagazione del suono esistono dei limiti quando due mezzi con proprietà elastiche diverse si uniscono. Se un'onda sonora con fronte d'onda piano colpisce un'interfaccia tra due mezzi altrimenti infiniti, viene parzialmente riflessa come onda piana e in parte attraversa l'interfaccia (fig. 28). Il rapporto tra la pressione sonora dell'onda riflessa pr e la pressione dell'onda in entrata pe è il fattore di riflessione R:
Il rapporto tra l'onda passante pd e l'onda incidente pe è il fattore di trasmissione passante D
Decisive per la grandezza di R e D sono le impedenze acustiche Z, = p, c, e Z, = p 2 c 2 di entrambi i mezzi, equazioni (25) e ( 26).
(Un'analisi è riportata nella tabella 1).
Tra le equazioni ( 25) e ( 26) esiste la relazione ( 27)
La pressione che passa attraverso l'interfaccia e l'ampiezza della pressione riflessa non si sommano affatto a 1, cioè la loro somma non è la pressione dell'onda incidente. Questa relazione si applica solo all'energia.
Se si inverte la disposizione delle interfacce, cosa che avviene forzatamente con il metodo dell'eco, si ottiene ( 25'):
La quantità di ampiezza riflessa rimane la stessa, solo la fase è invertita.
Poiché i fattori Rand D o R' e D' rappresentano rapporti, possono anche essere indicati come valori in dB. Questo dovrebbe essere rappresentato dall'esempio del trasferimento del suono dall'acciaio all'acqua:
L'ampiezza dell'ampiezza riflessa è quindi inferiore di soli 0,6 dB rispetto a quella dell'ampiezza incidente (riflessione quasi ideale).
L'onda che passa dall'acciaio all'acqua ha una pressione sonora inferiore di circa 24 dB alla pressione sonora dell'onda incidente. Se l'onda sonora colpisce l'interfaccia con un angolo, le onde riflesse e le onde che attraversano l'interfaccia sono più complicate da calcolare. Ma occorre affrontare un altro importante effetto dell'impatto inclinato: la rifrazione quando passa attraverso l'interfaccia cambia la direzione di propagazione dell'onda sonora secondo la legge di rifrazione di Snell (fig. 29)
Nei corpi solidi ci sono anche conversioni in modalità onda quando le onde vengono rifratte nelle interfacce. Un'onda longitudinale incidente in Fig. 29 genera, nel mezzo 2, un'onda longitudinale rifratta e anche un'onda trasversale rifratta. Qui vale la legge di rifrazione (32):
Se seno ß lungo = 1 allora l'angolo limite è (fig. 30) equazione (33)
Per l'angolo di rifrazione a> a non c'è più alcuna onda longitudinale nel mezzo 2, ci sono solo onde trasversali. Se sin f trans = 1 allora c'è una seconda equazione dell'angolo limite "a" (fig. 31) (34).
Per un angolo di rifrazione maggiore di a" non c'è né un'onda longitudinale né una trasversale nel mezzo 2, ci sono onde superficiali ed esistono solo all'interfaccia. Con la legge di rifrazione si può calcolare solo la direzione di propagazione dell'onda rifratta ma non la sua ampiezza. A parte questo, la legge di rifrazione non chiarisce che le onde trasversali sono sempre polarizzate lineari dopo essere state riflesse o rifratte. Con la pratica dei test c'è un'ulteriore complicazione: non esistono mai fronti d'onda piani illimitati: il fascio sonoro è limitato e i fronti d'onda non sono piani. Tuttavia, la riflessione nelle interfacce è il fenomeno più importante nelle prove a ultrasuoni dei materiali. Con le sonde a fascio angolare (fig. 11) si utilizza la rifrazione con un angolo di rifrazione maggiore di a' per generare una sola onda trasversale polarizzata lineare nel materiale. Il comportamento dell'onda riflessa in prossimità degli angoli limite può essere sfruttato per valutare le proprietà elastiche del materiale (riflettività angolare critica).
