Wie reagieren Schallwellen auf Grenzflächen?
Sie existieren für die Schallausbreitung dort, wo zwei Medien mit ungleichen elastischen Eigenschaften zusammenstoßen. Trifft eine Schallwelle mit ebener Wellenfront auf eine Grenzfläche zwischen ansonsten unbegrenzten Medien, so wird sie teils als ebene
Welle reflektiert, teils durchgelassen (Bild 28). Das Verhältnis zwischen dem Schalldruck der reflektierten Welle pr und dem Druck der einfallenden Welle pe heißt Reflexionsfaktor R (23).
Das Verhältnis von durchgelassener Welle pd zu einfallender
Welle pe heißt Durchlässigkeitsfaktor D (24).
Entscheidend für die Größe von R und D sind die Schallwellenwiderstände Z1 = p1 c1 and Z1 = p2c2 der beiden Medien Gl. (25), (26).
(Eine Übersicht zeigt die Tabelle 1).
Zwischen Gl. (25) und Gl. (26) besteht die Beziehung (27)
Durchgelassener Druck und reflektierte Druckamplitude addieren sich also keineswegs zu 1, d. h. die Summe ergibt nicht den Druck der einfallenden Welle. Diese Beziehung gilt nur für die Energie. Kehrt man die Reihenfolge der Medien um, was ja bei der Echo- Methode zwangsläufig vorkommt, so erhält man (25')
Die Beträge der reflektierten Amplituden bleiben gleich, nur die Phase kehrt sich um.
Da die Faktoren R und D bzw. R' und D' Verhältnisse darstellen, lassen sie sich auch als dB- Werte angeben. Dies soll am Beispiel des Schallübergangs Stahl- Wasser dargestellt werden:
Der Betrag der reflektierten Amplitude liegt also nur um 0,6 dB unter dem Betrag der einfallenden (fast ideale Reflexion).
Die durchgelassene Welle in Wasser hat nur einen Schalldruck, der etwa 24 dB unter dem Schalldruck der einfallenden Welle in Stahl liegt. Trifft die Schallwelle schräg auf die Grenzfläche, so sind die reflektierten und durchgelassenen Wellen komplizierter zu berechnen. Aber ein zweiter wichtiger Effekt beim schrägen Auftreffen muss behandelt werden: die Brechung. Beim Durchgang durch die Grenzfläche ändert sich die Ausbreitungsrichtung der Schallwelle nach dem Brechungsgesetz von Snellius (Bild 29).
In festen Körpern treten bei der Brechung an Grenzflächen auch noch Wellenumwandlungen auf. Eine einfallende Longitudinalwelle in Bild 29 erzeugt im Medium 2 sowohl eine gebrochene Longitudinalwelle, als auch eine Transversalwelle. Hier gilt das Brechungsgesetz (32).
Wird der sinβlong = 1, so liegt ein Grenzwinkel α' vor (Bild 30) Gl. (33).
Für Einschallwinkel α > α' gibt es im Medium 2 keine Longitudinalwelle mehr, sondern nur noch Transversalwellen. Wird der sinβtrans = 1, so ergibt sich ein zweiter Grenzwinkel α" (Bild 31) Gl. ( 34)
Für größere Einschallwinkel als α" existiert im Medium 2 weder eine
Longitudinal- noch eine Transversalwelle, nur an der Grenzschicht
entstehen Oberflächenwellen. Mit dem Brechungsgesetz kann nur die Ausbreitungsrichtung der gebrochenen Schallwelle, nicht
aber ihre Amplitude ermittelt werden. Außerdem läßt das Gesetz
nicht deutlich werden, daß Transversalwellen nach Reflexion oder
Brechung immer linear polarisiert sind. Bei der praktischen Prüfung kommt als Komplikation hinzu, daß nie unbegrenzt ebene Wellenfronten existieren: das Schallbündel ist begrenzt, die Wellenfronten sind nicht eben. Trotzdem ist die Reflexion an
Grenzflächen der wichtigste Effekt in der Ultraschall-Werkstoffprüfung. Bei der Schrägeinschallung durch Winkelprüfköpfe (Bild 11) benutzt man die Brechung bei einem Einschallwinkel oberhalb von a', um im Werkstück nur noch eine linear polarisierte TransVersalwelle zu erzeugen. Das Verhalten der reflektierten
Welle in der Nähe der Grenzwinkel kann man gezielt ausnutzen, um
die elastischen Eigenschaften des Werkstoffs zu beurteilen (critical
angle reflectivity).
Was sind die Eigenschaften von Schallreflexionen an Ungänzen?
