Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

Наблюдая многократные отражения этого импульса от параллельных торцов образца, можно судить, как быстро в зависимости от времени и пройденного расстояния последовательно отражающиеся импульсы затухают по амплитуде. Для введения звукового импульса используется кварцевый преобразователь, который приклеивается к одному из плоскопараллельных торцов образца. Радиоимпульс от передатчика, работающего на основной частоте преобразователя, прикладывается к двум параллельным плоскостям пластинки преобразователя, и в ней в результате пьезоэлектрического эффекта возбуждается упругая волна, которая распространяется в образец. При работе на «отражение» такой одиночный преобразователь является одновременно и источником исходного импульса и приемником всех последовательных отражений зондирующего импульса. При работе «на прохождение» в качестве приемника нужно использовать второй преобразователь на противоположном торце образца. С помощью кварцевого преобразователя можно возбуждать как продольные, так и поперечные волны.

Исходный импульс, пройдя по образцу, почти полностью отражается от противоположной границы образецвоздух и возвращается к границе образец-преобразователь, откуда почти вся энергия колебания, за исключением лишь небольшой её части, снова отражается в образец. Малая часть энергии отраженного импульса с помощью преобразователя превращается обратно в электрический сигнал. Этот электрический сигнал усиливается и наблюдается на осциллографе. С каждым прохождением упругой волны по образцу часть её энергии поглощается и благодаря рассеянию уходит из звукового пучка. На экране осциллографа наблюдается серия отражений, убывающих по амплитуде.

Если энергия, теряемая в месте склеивания преобразователя с образцом, а также потери, связанные с дифракцией и рассеянием ультразвукового пучка, малы по

251

сравнению с потерями звуковой энергии в материале образца, то скорость спадания амплитуд последовательных отражений может служить мерой затухания упругих волн в образце.

Рассеяние энергии может быть охарактеризовано коэффициентом затухания , если затухание характеризуется огибающей высокочастотной волны. В этом случае для определения можно воспользоваться соотношением

Составим разность таких выражений для двух различных точек х1 и х2 (х1 – координата начала образца и х2 – координата второго конца образца). Тогда х1 < х2

ln A x1 ln A x 2 ln A0 x1 ln A0 x 2 ln A0 ln A0x1 x 2

Отсюда

где А(х1) и А(х2) – амплитуды импульсов в начальный и конечный момент измерения соответственно 1 непер – это такое затухание, когда амплитуда колебаний уменьшается в «е» раз. (1 дб/ед.длины = 8,68 непер/ед.длины).

Между коэффициентом затухания и логарифмическим декрементом существует следующее соотношение:

Для возбуждения (генерации) продольных волн применяют кварц х-среза, а для сдвиговых волн – кварц у-

252

среза. При работе обычно используют несколько гармоник кварцевой пластины. Так, имея кварцевую пластину с основной частотой 20 МГц, можно работать на частотах до 1000 МГц. Хотя конструкция такого типа сама по себе проста, необходимо обращать особое внимание на точность изготовления рабочих поверхностей образца, особенно при работе на частотах выше 100 МГц. Рабочие поверхности должны быть плоскими с точностью до 100 Å, а отклонение от параллельности плоскостей не должно быть более 10 .

Важную роль играет качество склейки датчика с образцом. Среди имеющихся сортов клея наилучшие результаты дают клеи на основе полистирола. Клей на основе полистирола пригоден как для продольных, так и для сдвиговых волн. Если в процессе измерения происходят значительные изменения температуры, то для склейки нужно применять другие материалы. При низких температурах пользуются кремнийорганическими жидкостями.

5.3.4.2.Импульсный метод для измерения скорости звука

икоэффициента поглощения

Структурная схема высокочастотной импульсной установки представлена на рис. 5.14. Она предназначена для измерения скорости звука и коэффициента поглощения в образце. Принцип действия установки заключается в непрерывной регистрации разности времени прохождения акустического импульса через исследуемый образец и через эталонную акустическую линию задержки. Коэффициент поглощения определяют, сравнивая на экране осциллографа амплитуду импульса после однократного прохождения через образец с амплитудой импульса, прошедшего через образец n раз. Импульсы задающего генератора 4 поступают на излучающие пьезопреобразователи (3, 3 ) измерительной и эталонной линии, где они преобразуются в импульсы

253

ультразвуковых колебаний с частотой, равной резонансной частоте пьезопреобразователя.

Рис. 5.14. Структурная схема высокочастотной импульсной установки:

1 – образец; 2 – эталонная акустическая линия задержки; 3, 3 - пьезокварцевые пластины; 4- генератор;

5, 6 – усилители; 7 – схема формирования; 8 – схема электронной задержки; 9 – осциллограф

Одновременно импульс генератора подается на схему электронной задержки 8, предназначенную для запуска развертки осциллографа 9, незадолго до прихода импульсов с измерительной и эталонной линий. Импульсы, прошедшие через измерительную и эталонную линии, преобразуются приемными преобразователями и поступают на усилители 5,6. Импульсы измерительной линии после прохождения усилителя 5 и эталонной линии после прохождения усилителя 6 и схемы формирования подаются на осциллограф, где просматриваются на его экране в виде вертикальных всплесков. Разность времени между приходом импульсов эталонной и измерительной линий фиксируется визуально.

Таким образом, окончательную продолжительность прохождения акустического импульса через измеряемый образец определяют суммированием времени прохождения

254

через эталонную линию и отрезка времени на линии развертки между передними фронтами эталонного и измерительного импульсов. Датчик с исследуемым образцом контактирует через слой кремнийорганического или трансформаторного масла.

Формула для определения скорости звука имеет вид

где Сэт – скорость звука в эталонной линии; 0 - длина образца;

t – период следования калибровочных меток; n – число периодов калибровочного напряжения, отсчитанных между принятыми сигналами.

Коэффициент затухания можно определить по следующему выражению:

где Un- амплитуда импульса, прошедшего n раз двойную длину

образца; c эт , c об - акустические сопротивления

0

преобразователей измерительной линии и исследуемой среды. Импульсный метод применяется часто. Если

используются частоты выше 5-10 МГц, то для измерения могут использоваться образцы малых размеров, что имеет определенные преимущества. К сожалению, при этом не всегда можно пренебречь дифракционными потерями. Это особенно относится к измерениям затухания звука в материале с малым коэффициентом затухания.

255