обложка | архив номеров | редколлегия | информация для авторов | вернуться   
Научно-методический журнал
Основан в 2001 году. Выходит 2 раза в год
Издается по решению Ученого Совета
физического факультета БГПУ
топ 25 | Номер 4   
Е.О. Бураков
Физический факультет БГПУ

Лабораторная установка для демонстрации возможностей импульсных ультразвуковых методов

Акустические методы находят широчайшее применение в технике и в практике научных исследований. Это связано с неразрушающим характером метода, высокой точностью и быстротой проведения измерений, малым объемом и относительной простотой изготовления образцов, а также возможностью применения при изменении условий окружающей среды (температуры, давления и т.д.). Изучая распространение упругих волн в кристалле, принципиально возможно получить информацию о любых его свойствах, связанных с решеткой. Так, по данным измерений скорости звука и плотности могут быть определены упругие модули твердого тела, которые непосредственно связаны с межатомными силами. Кроме того, на характеристики распространения упругой волны существенно влияют тип, характер распределения и плотность дефектов. Определенный интерес представляет изучение взаимодействия упругих волн с электронами проводимости в металлах и полупроводниках. Акустические методы дают ценную информацию о структуре и молекулярной подвижности полимеров.

   Многообразны и прикладные аспекты физической акустики. Это дефектоскопия, ультразвуковые методы обработки материалов, ультразвуковая сварка, ультразвуковая диагностика в медицине и т.д. и т.п. Трудно найти такую область науки и техники, где не применялись бы акустические методы.

   Поэтому при изучении курса физики желательно не только теоретическое, но и практическое ознакомление хотя бы с некоторыми ультразвуковыми методиками. В педагогическом вузе это трудно осуществить в рамках курса общей физики, но вполне реально в специальном физическом практикуме. Мы убеждены, что такое знакомство с ультразвуковыми методами (разумеется, на адекватном уровне) возможно в рамках факультатива и в условиях школы.

   К сожалению, вся промышленная ультразвуковая аппаратура, выпускающаяся в нашей стране, является узко специализированной. Это дефектоскопы, приборы для медицинской диагностики (звуковизоры) и т.д. Специального оборудования для научных либо учебных целей, насколько нам известно, не производится. Поэтому целью представляемой работы является изготовление экспериментальной установки и постановка лабораторной работы по изучению методов ультразвуковых измерений в образцах твердых тел и в жидкостях.

   При создании лабораторной установки были поставлены следующие задачи:
     1. Установка должна быть простой и надежной.
     2. Иметь физически наглядный принцип действия.
     3. Обладать достаточно высокими метрологическими характеристиками и позволять проведение измерений с разными материалами.
     4. При минимуме оборудования демонстрировать достаточно большое число методов измерения скорости звука, а также принцип измерения поглощения.
     5. Позволять производить демонстрацию основных волновых явлений: прямолинейность распространения звукового пучка, отражения, преломления.

   В результате анализа существующих методик было принято решение остановиться на варианте импульсного иммерсионного метода. С помощью описанной установки можно продемонстрировать такие явления, как прямолинейность распространения ультразвуковой волны, отражение, преломление и преобразование звуковой волны на границе двух сред. Она может служить полезным пособием при изучении физических принципов и импульсных методов измерения скорости и затухания ультразвуковых волн в твердых и жидких средах. При некоторой модернизации акустического тракта ее можно исполь-зовать для изучения концентрационной и температурной зависимостей скорости и поглощения звука в растворах, а также для измерения скорости и затухания ультразвуковых волн в твердых образцах самых разных материалов: от металлов до полимеров и композитов.

Описание установки.

Блок-схема установки приведена на рис. 1. Акустическая часть установки представляет собой сосуд с иммерсионной жидкостью (водой), на противоположных стенках которого соосно и параллельно друг другу закреплены два одинаковых датчика-преобразователя (излучатель и приемник). Для демонстрации отражения и преломления используется пара аналогичных незакрепленных датчиков, которые можно располагать под углом друг к другу. Для уменьшения отражений акустических сигналов в материале датчиков их тыльные поверхности задемпфированы эпоксидной смолой с мелкодисперсным наполнителем. В качестве преобразователей использованы цилиндрические датчики из пьезокерамики ЦТС (цирконат-титанат свинца) диаметром 18 мм с резонансной частотой 3 МГц. Установка содержит следующие блоки: задающий генератор (1), формирователь (2), излучатель (3), образец (4) приемник (5), аттенюатор (6), стробируемый усилителель (7), блок задержки (8), блок измерения временного интервала (9), осциллограф (10) и задающий генератор.

Рис. 1. Блок-схема установки для измерения скорости ультразвука импульсным иммерсионным методом. Обозначения в тексте.

   Плоский образец помещается в иммерсионную жидкость на пути звукового луча и может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Угол поворота образца измеряется простейшим гониометром.

   Фактически в установке реализованы несколько разновидностей импульсного метода: метод прямого измерения времени распространения акустического сигнала (1 и 2), геометрический метод (3) и метод автоциркуляции импульса (4) , а также измерение затухания в твердых телах при использовании образцов разной толщины. С учетом вариантов возможна демонстрация семи разных методов измерения скорости звука, перечисленных ниже.
   1. Эхо-импульсный метод
   2. Метод прямого измерения времени распространения зондирующего сигнала при нормальном (а) и наклонном (б) падении волны
   3. Метод полного внутреннего отражения для продольной (а) и сдвиговой (б) волн.
   4. Метод автоциркуляции импульса при нормальном (а) и наклонном (б) падении волны.

   При использовании двух первых вариантов метода задающий генератор 1 генерирует прямоугольные импульсы с частотой следования 2,5 кГц и возможностью ручной регулировки длительности в пределах 1 - 20 мкс. Этот генератор управляет работой формирователя 2, который собран на основе генератора ударного возбуждения и позволяет получить радиоимпульсы с регулируемой в пределах 10% частотой заполнения. Сформированный импульс поступает на излучатель 3, который преобразует электрический сигнал в акустический. Зондирующий импульс проходит через иммерсионную жидкость и образец 4 и поступает на приемник 5, который преобразует акустический сигнал в электрический. Этот сигнал поступает на аттенюатор 6, позволяющий осуществлять его ступенчатую (на 20 дБ) и плавную регулировку и усиливается стробируемым усилителем 7. Строб импульс имеет плавно регулируемую блоком 8 задержку и запирает усилитель во время формирования излучаемого сигнала, а также позволяет при необходимости подавить импульс прямого прохождения и ранние серии отражений внутри образца (если они есть).

   Измерение временного интервала между фронтом задающего импульса и интересующим нас сигналом осуществляется встроенным блоком 9, который выдает на табло результат с точностью 0,1 мкс в цифровом виде. Счетчик измерителя временного интервала 9 запускается импульсом задающего генератора 1 и останавливается первым неподавленным сигналом с выхода усилителя 7.

   На экране осциллографа 10 можно визуально наблюдать форму принятого сигнала. Общая синхронизация установки осуществляется задающим генератором.

Методы измерения скорости звука в твердых образцах.

1. При малом затухании и достаточно большой (10 мм) толщине плоскопа-раллельного образца можно легко определить [3, 4] временной интервал между сигналом прямого прохождения и каким либо из отраженных внутри образца ультразвуковых импульсов (метод 1). Скорость звука в образце рассчитывается по формуле:

где n - номер отражения, d - толщина образца, а t - разность времен приема сигнала прямого прохождения и отражения с номером n. Практически этот метод применим только для материалов с малым затуханием типа металлов и сплавов.

   2. Если затухание в образце велико и отражения не наблюдаются, то время прохождения сигнала через образец определяется по разности времен распространения импульса в жидкости с образцом и без образца (метод 2а). Од-нако этот вариант метода также разумно использовать на образцах относительно большой (10 мм) толщины. Рабочая формула в этом случае имеет вид:

Здесь C и C0 соответственно - скорости звука в образце и в иммерсионной жидкости, d - толщина образца, t и t0 соответственно - время распространения зондирующего импульса в жидкости с образцом без образца.

   3. Для измерения скорости звука в изотропных материалах независимо от толщины образца можно использовать [2] полное внутреннее отражение (метод 3). Если зондирующий импульс, представляющий собой приблизительно плоскую продольную волну в жидкости, будет падать на поверхность образца под углом, то в образце возникают две преломленные волны: продольная и сдвиговая. При вращении образца можно найти положение (угол падения фи1), при котором продольная волна испытывает полное внутреннее отражение. Если скорость звука в иммерсионной жидкости меньше скорости сдвиговых волн в материале образца, то аналогично можно найти критическое значение фи2 угла падения, при котором полное внутреннее отражение наблюдается для сдвиговой волны. Тогда скорости продольной с1 и сдвиговой с2 волн в материале образца можно найти по известной скорости звука в жидкости c0 из соотношений вида:

Момент исчезновения преломленной волны определяется визуально по исчезновению соответствующего сигнала на экране осциллографа.

   4. Если скорость звука в иммерсионной жидкости больше скорости сдвиговых волн в материале образца (типичный случай для полимерных материалов), то применить метод полного внутреннего отражения в классическом виде не представляется возможным. Однако отсутствие в образце продольной волны позволяет считать, что в материале распространяется только поперечная волна и, измеряя каким либо способом время прохождения зондирующего сигнала через образец, можно рассчитать скорость звука в нем (метод 2б). Если для преломленной поперечной волны в образце выполняется закон Снеллиуса (sin фи/sin тэтта=c0/c), то при наклонном падении время прохож-дения сигнала через плоскопараллельный слой толщины d составляет величину t=d/c*cos тэтта. Здесь фи и - соответственно углы падения и преломления, а c и c0 - скорости волн в образце и в жидкости. Тогда разность (t0-t) времен прохождения зондирующего сигнала в среде без образца и с образцом можно найти по формуле:

из которой и определяется неизвестная скорость звука с.

Измерения скорости звука в жидкостях.

Самый простой метод измерения скорости ультразвука в жидкости связан с прямым измерением времени распространения зондирующего импульса от излучателя до приемника. Если пренебречь толщиной h мембран звукопроводов по сравнению с расстоянием L между датчиками (что в нашем случае, безусловно, можно сделать), то формула для вычисления скорости звука в жидкости примет предельно простой вид:

Очевидный недостаток метода при фиксированном расстоянии между датчиками - необходимость учитывать время распространения сигнала в мембранах звукопроводов.

   5. Во всех перечисленных методах чувствительность установки к изменениям скорости ультразвуковых волн в исследуемом образце имеет тот же порядок, что и точность измерения скорости (реально не выше 2-3%). Существенно (примерно в 100 раз) улучшить чувствительность позволяет использование метода автоциркуляции импульса. Метод основан на измерении частоты автоциркуляции импульса в среде с образцом и без образца. Для этого в установке достаточно изменить положение переключателя S1. При этом блок измерения временных интервалов 9 отключается, а задающий генератор 1 начинает работать в ждущем режиме, повторно запускаясь импульсом прямого прохождения. В этом случае частота следования зондирующих импульсов, измеряемая цифровым частотомером , определяется временем прохождения (циркуляции) сигнала по кольцу: задающий генератор - излучатель - иммерсионная жидкость - образец - приемник - усилитель.

Результаты экспериментов.

Результаты измерения скорости ультразвука в разных материалах, полученные вышеописанными методами, приведены в таблице (в скобках указана для справки толщина образца в мм). Прочерк в таблице означает невозможность либо нецелесообразность (ввиду низкой точности) проведения измерений на конкретном образце данным методом.

   Приведенные в таблице значения не противоречат известным литературным данным.

Данная установка может быть использована в учебном процессе вузов различного профиля в рамках специального лабораторного практикума, а также для научно-исследовательской работы.

Просмотров: 4083
  © 2001-2006, “Методист”, Кафедра МПФ | Дизайн: Александр Вольф | Перейти на сервер физического факультета БГПУ