Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

5.3.5. Выбор методики и оценка ошибок при измерении внутреннего трения

При изучении внутреннего трения в конкретном материале чрезвычайно важным является выбор методики измерения, так как от выбора зависит надежность и достоверность экспериментальных данных. Выбор метода и конструкция установки определяется характером поставленной задачи, природой изучаемого материала и физического явления.

Например, использование низкочастотного крутильного маятника оправдано, если проводится исследование термически активируемых процессов. Этот метод позволяет получать непрерывный спектр внутреннего трения в зависимости от температуры в интервале температур от 4,2 до 1500 К. Таким образом, процессы, активируемые температурой, проявляют себя и появляется возможность их наблюдать и изучать, не нарушая внутренней структуры объекта. Достоинством этого метода является также то, что имеется возможность производить измерения при больших амплитудах деформации, т.е. активировать некоторые процессы с помощью большого поля напряжений.

Высокочастотные методы в большинстве своем не позволяют получать температурный спектр затухания упругих колебаний, однако позволяют получать сведения о взаимодействии фононов с электромагнитным полем электронов и ионов, взаимодействие звуковых волн с магнитными моментами атомов, спинами магнитных моментов электронов и т.д.

Свойства материала оказывают решающее влияние на выбор методики. В самом деле, бесполезно применять высокочастотные методы к исследованию пористых, мелкозернистых материалов. Затухание в них настолько велико, что сигнал любой мощности быстро рассеивается. В то же время вряд ли имеет смысл использовать низкочастотную

256

методику для изучения процессов с длительностью изменения

10-9-10-10 сек.

Для получения надежных данных Q-1 следует обратить особое внимание на конструкцию и исполнение установки для измерения затухания. Нужно полностью исключить или свести к минимуму потери энергии, не связанные с рассеянием энергии в материале образца. Это, прежде всего, потери, обусловленные проскальзыванием образца в зажимах; энергия, рассеиваемая в местах крепления датчиков (пьезодатчики, проволочные подвесы и т.д.), а также потери за счет демпфирования окружающей средой. Система крепления образца должна быть достаточно жесткой, исключающей сухое трение в сочленениях. Для уменьшения акустических потерь колеблющуюся систему нужно помещать в вакуум с давлением не выше 10-4 Торр.

При любом методе измерений величина Q-1 не является точной. Ошибка измерения Q-1 складывается из систематической ошибки, обусловленной погрешностями измерительных приборов, и случайной ошибки, связанной с неконтролируемыми изменениями окружающих условий и субъективными особенностями экспериментатора.

Вполне понятно, что систематическая ошибка измерения различна для разных установок на основе одного и того же метода. Так, например, при измерении декремента затухания крутильного маятника можно пользоваться визуальным отсчетом «зайчика» на полупрозрачной шкале, а также использовать дискриминатор и электромеханический счетчик числа колебаний. Период колебаний крутильного маятника можно измерять секундомером или электронным частотомером. Погрешность измерений будет различной.

Предельная относительная ошибка может быть найдена по следующей формуле

257

Видно, что величина ошибки зависит от значения измеряемого внутреннего трения. При увеличении Q-1 уменьшается число колебаний N между фиксированными уровнями 1 и 2 и ошибка возрастает (см. рис. 5.15).

Ошибка определения Q-1 по методу затухающих колебаний зависит от отношения амплитуд и уменьшается с увеличением этого отношения. При Q-1 0,1 ошибка становится слишком большой и измерения этим методом теряет смысл.

В заключение следует отметить необходимость развития работ, связанных с разработкой высокочастотных методик на частотах 1010-1012 Гц. Наиболее целесообразно использова-ние для генерации гиперзвука тонких пленочных пьезоэлектрических преобразователей.

258

5.4.Применение метода ВТ для исследования твердых тел

5.4.1.Феноменологическое описание релаксационных

процессов

Приложенное к твердому телу напряжение вызывает релаксационные процессы. Рассмотрим феноменологические основы тех процессов, которые возникают при упругом деформировании. Пусть мы имеем твердое тело, к которому в момент времени t = 0 прикладывается и поддерживается постоянным в течение некоторого периода времени. Деформация, отвечающая приложенному напряжению, возникает не сразу. Мгновенно возникает упругая компонента деформации у, а конечное значение деформации к достигается через некоторое время. Скорость приближения к равновесной деформации к тем больше, чем значительнее отклонение от равновесного состояния, т.е.

Из выражения (5.31) выявляется смысл . Оно представляет

собой время, необходимое для достижения равновесного значения деформации при постоянном напряжении. На рис. 5.16 представлена зависимость деформации от времени при постоянном .

На рис. 5.17 приведен график зависимости - в процессе нагружения и разгружения образца. Некоторое время при деформировании образец остается под постоянной нагрузкой. Тангенс угла наклона линии ОМн дает модуль упругости материала образца, в котором ещё не успела произойти полная деформация. Этот модуль отвечает адиабатическому процессу формирования, при котором релаксация не успела осуществиться. Модуль называется адиабатическим или нерелаксированным модулем упругости (Мн). Затем напряжение не снимаем, а оставляем постоянным.

259

В этот период времени деформация растет и достигает своего конечного значения к.

Наклон линии ОМр дает значение модуля упругости материала образца, в котором деформация достигла своего равновесного значения в связи с окончанием релаксационного процесса. Если проводить деформирование очень медленно, т.е. так, чтобы время деформирования было значительно больше времени протекания релаксационного процесса, то величина модуля упругости Мр меньше, чем Мн. Модуль Мр называют релаксированным или изотермическим модулем упругости. В области упругих деформаций конечное значение модуля всегда соответствует релаксированному модулю упругости Мр.

Возможна и обратная постановка опыта. Создадим в какой-то момент времени деформацию к и будем её

260