1.10.2 Методы измерения скорости распространения звука

Н аиболее точным методом измерения скорости распространения звука в жидкости (в том числе и в нанодисперсной системе с жидкостной матрицей) является метод интерферометра. Ультразвуковой интерферометр, принцип действия которого основан на явлении интерференции (наложения) прямой и обратной акустических волн. Блок-схема типичного ультразвукового интерферометра представлена на рисунке 18.1.

Акустическая кювета 1 заполняется исследуемой средой, в котором пьезоэлектрическим преобразователем 2 возбуждается плоская ультразвуковая волна.

Высокочастотное напряжение на пьезопреобразователь поступает от стабилизированного по частоте и амплитуде генератора 3 и измеряется схемой регистрации 4. Плоский рефлектор (отражатель) 2 устанавливается параллельно поверхности пьезопластины с возможностью плавного перемещения вдоль направления распространения волны. Расстояние от рефлектора до пьезопреобразователя измеряется отсчетным механизмом 6

Т ак, если в качестве регистрирующего прибора использовать осциллограф, на У – вход которого подать переменное напряжение, то на экране можно будет наблюдать при перемещении рефлектора периодические «всплески» амплитуды (рис. 18.2а). На рисунке 18.2а рефлектор и излучатель параллельны друг другу. Если в результате перемещения рефлектора на расстояние L наблюдалось N всплесков, то это значит, что на указанном отрезке разместилось N – 1 стоячая волна, и что λ=2L/(N – 1). Искомая скорость определяется как

.

О тносительная ошибка измерения скорости звука определяется суммой погрешностей измерения L и ν и, как правило, при условии термостатирования, не превосходит 0,05%. Однако, при отсутствии параллельности между рефлектором и излучателем в картине «пиков» появляются так называемые сателлиты (рис. 18.2б), которые ошибочно могут быть восприняты как «истинные» максимумы, что, безусловно, приведет к грубой ошибке.

Интерферометрический метод измерения скорости звука является абсолютным. Им предусматривается использование непрерывных синусоидальных колебаний, что является немаловажным обстоятельством с точки зрения спектральной «чистоты» сигнала и интерпретации полуаемой информации.

Существует большое разнообразие приборов, предназначенных для измерения скорости ультразвука в импульсном режиме. Применение импульсного режима работы измерительной схемы характеризуется наличием спектра частот, обусловленного Фурье – представлением сложного периодического процесса. Причем чем короче радиоимпульсы, поступающие на пьезоэлементы, тем шире соответствующий спектр и тем более неоднозначным становится вопрос - к какой именно частоте относится полученный результат.

Для измерения скорости звука в различных жидкостях применяется, в частности, специальная электронная схема, получившая название синхрокольца (автоциркуляции). На рисунке 18.5 показана блок-схема измерителя скорости, работающего по принципу синхрокольца. Генератор очень коротких импульсов длительностью ~1мкс при длительности переднего фронта ~0,1мкс и напряжением до 50 В, которые поступают на пьезопреобразователь 2, преобразующий их в короткие ультразвуковые сигналы.

В качестве пьезопреобразователей обычно применяются кристаллические кварцевые пластинки X-среза с частотой собственных колебаний 4  5 МГц. Ультразвуковой сигнал проходит через исследуемую среду 3, преобразуется пьезоэлектрическим приёмником 4, усиливается и формируется приёмным устройством 5, после чего запускает блокинг-генератор 2. Скорость звука с рассчитывается по формуле:

,

где l – расстояние между излучающей и приемной пьезопластинками, ν – частота следования импульсов.

ЗАДАЧА:

11. Если частота колебаний меньше критической, то в трубе могут существовать только плоские волны, которые распространяются с фазовой скоростью . Критерий распространения плоской волны в круглой трубе заключается в выполнении неравенства Рэлея: R_c0,61. Рассчитать критическую частоту для =1000 м/с.