انکسار (شکست موج) و قانون اسنل ( Snell Law)

هنگامی که یک موج صوتی از سطح مشترک بین دو ماده با زاویه ای غیر از 90 درجه عبور می‌کند و این مواد دارای شاخص‌های انکسار متفاوت باشند، هر دو نوع موج انعکاسی و انکساری تولید می‌شود. چنین چیزی برای نور هم اتفاق می‌افتد به همین دلیل است اجسامی که از یک سطح مشترک دیده می‌شوند، با کمی جا به جایی نسبت به مکان واقعی‌شان به نظر می‌آیند. به طور مثال اگر شما به طور مستقیم و به سمت پایین به جسمی که در ته یک لیوان آب قرار دارد نگاه کنیم، جسم نزدیک‌تر از چیزی که هست به نظر می‌آید. یک راه خوب برای تصور چگونگی انکسار نور و صوت این است که نور چراغ قوه را به درون جامی که حاوی آبی که دارای کمی تیرگی است، بتابانیم و به زاویه انکسار با توجه به زاویه برخورد، توجه کنیم.

انکسار به دلیل سرعت‌های متفاوت امواج صوتی درون دو ماده در یک سطح مشترک رخ می‌دهد. سرعت صوت در هر ماده بوسیله ی خواص آن ماده (مدول الاستیستیه و چگالی) برای آن ماده تعیین می‌شود. در تصویر زیر می‌توانید دسته ای از موج‌های ساده را ببینید که در حال حرکت در یک ماده و ورود به ماده‌یدوم که دارای سرعت صوت بالاتری است، می‌باشد. بنابراین هنگامی که موج به سطح مشترک بین این دو ماده برخورد می‌کند، آن قسمت از موج که در ماده‌ی دوم قرار دارد. سریع‌تر از آن قسمت از موج حرکت می‌کند که در ماده‌ی اول است. می‌توان دید که چنین چیزی موجب خم شدن موج می‌گردد.


قانون اسنل ( Snell Law) رابطه‌ی بین زوایا و سرعت‌های امواج را توصیف می‌کند. قانون اسنل نسبت سرعت‌هایv_1 و v_2 در مواد را با نسبت سینوس‌های زوایای برخورد (θ_1) و انکسار (θ_2) برابر می‌دانند.


در این جا V_(L_1 ) سرعت موج طولی در ماده‌ی 1 و V_(L_2 ) سرعت موج طولی در ماده‌ی دوم است.
توجه کنید که در شکل بالا می‌توانید یک موج طولی منعکس شده را ببنید. این موج با همان زاویه‌ی موج برخورد کننده منعکس می‌شود، زیرا هر دو موج در یک ماده حرکت می‌کند و از این رو سرعت‌های برابری دارند. این موج منعکس شده در توضیحات ما برای قانون اسنل (Snell Law) اهمیت چندانی ندارد. اما باید به خاطر بسپاریم که مقداری از انرژی در سطح مشترک منعکس می‌شود.
هنگامی که یک موج طولی از یک ماده ای با سرعت صوتی پایین‌تر به یک ماده‌ی با سرعت صوتی بالاتر حرکت می‌کند، زاوایه ای وجود دارد که می‌تواندزاویه‌ی انکسار موج را 90 درجه کند. این زوایه را با نام زاویه‌ی بحرانی اول می‌شناسیم. زاویه‌ی بحرانی اول را می‌توان از قانون اسنل و با قرار دادن مقدار 90 درجه برای زاویه‌ی انکسار (شکست)، بدست آورد. در این زاویه‌ی بحرانی برخورد قسمت اعظم انرژی صوتی بوسیله ی یک موج فشاری ناهمگن است که در امتداد سطح مشترک حرکت می‌نماید و نسبت به عمق از سطح مشترک، به صورت نمایی تضعیف می‌شود. گاهی از این موج با نام موج خزشی ( Creep Wave) نام برده می‌شود. موج‌های خزشی به علت ماهیت ناهمگنشان و این که سریعاً از بین می‌روند به گستردگی امواج سطحی رایلی در NDT مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. اما از آن جا که این امواج خزشی به علت طول موج بلندتر کمتر تحت تأثیر نامنظمی‌های سطحی و ریزساختارهای مواد دانه درشت قرار می‌گیرند، گاهی مواقع از امواج رایلی مفیدتر واقع می‌شوند.