Бегущие волны
Бегущей упругой волной называются механические возмущения (деформации), распространяющиеся в упругих средах и сопровождающиеся переносом энергии (механической, тепловой и т.д.). При своем распространении бегущая волна вовлекает в колебания все новые и новые частицы среды, которые при этом получают энергию от волны.
Широким классом бегущих волн, имеющим многочисленные практические приложения, являются нормальные волны в упругом волноводе. Под волноводом обычно понимают упругую среду, при распространении вдоль которой волна слабо затухает. При этом поле волны сосредоточено внутри волновода и/или в области, непосредственно к нему примыкающей.
Одним из основных типов нормальных волн в упругом волноводе, получившим распространение в ультразвуковом неразрушающем контроле и мониторинге состояния тонкостенных конструкций, являются волны Лэмба. Данные волны представляют собой упругие возмущения, распространяющиеся в твердой пластине (плоской или изогнутой) со свободными границами, у которых имеются смещения как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. В волноводе такого типа может существовать еще и второй тип нормальных волн – поперечные нормальные волны или SH-волны, в которых движение происходит перпендикулярно направлению распространения и параллельно границам пластины. Другими известными классами нормальных упругих волн являются, например, волны Рэлея, распространяющиеся вблизи свободной границы упругого тела и затухающие с глубиной или волны Лява, Стоунли и Шольте, появляющиеся на интерфейсах упругих и/или жидких сред.
Широкое внедрение волн Лэмба в задачах неразрушающего контроля и мониторинга состояния конструкций сдерживается сложностью их физических свойств и математического описания по сравнению с традиционными объемными волнами. Так, на любой частоте колебаний существует как минимум две волны Лэмба (симметричная и антисимметричная), что затрудняет интерпретацию экспериментальных данных, в частности, в случае взаимодействия волн с дефектом. Волны Лэмба в той или иной степени являются диспергирующими, т.е. их волновые числа, длины волн и групповые скорости зависят от частоты колебаний. Одним из следствий данного свойства является существенное изменение формы многомодового сигнала с увеличением расстояния от источника колебаний. Кроме того, распределение напряжений и перемещений вдоль толщины пластины отличается для симметричной и антисимметричной волн Лэмба и также зависит от частоты.
Анизотропия упругих свойств современных слоистых композиционных материалов еще больше усложняет волновые процессы в них. В частности, для композитов дисперсионные и амплитудные характеристики волн Лэмба и SH-волн зависят не только от частоты колебаний, но и от направления распространения. На рис. 2 для иллюстрации данного явления приводятся полученные с помощью лазерного виброметра сканы поверхности однонаправленной (а) и перекрестно-армированной (б) композитных пластин, возбуждаемых круглыми пьезоактивнымы элементами, расположенными в центре каждого из рисунков.
