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