8.3 Оптический метод регистрации скоростей волн разрежения.

Оптический метод регистрации скоростей волн разрежения [9] основан на свойстве многих прозрачных материалов испускать интенсивное излучение при ударном нагружении до высоких давлений (материалы – индикаторы). Когда ударная волна выходит из образца в материал-индикатор, последний начинает испускать излучение постоянной интенсивности, пока волна разрежения, например, от тыльной поверхности образца не догонит фронт ударной волны, после чего интенсивность излучения начинает спадать. Если регистрировать излучение J (свечение) индикатора, то можно получить всю необходимую информацию о скоростях волн разрежения.

Рассмотрим этот метод подробнее. Схема эксперимента представлена на рисунке 8.6 и по сути не отличается от схемы рисунка 8.4.

СП – светопровод, ФЭУ – фотоэлектрический умножитель

Рисунок 8.6 - Схема эксперимента по регистрации излучения в индикаторной жидкости

При входе ударной волны в вещество - индикатор последний начинает интенсивно светиться. Регистрируемое излучение передается по световодам (СП) к фотоумножителям (ФЭУ), выходные сигналы которых регистрируются при помощи высокоскоростных осциллографов.

Какова будет форма регистрируемых сигналов изменения яркости свечения ударного фронта в веществе - индикаторе при такой постановке эксперимента?

Е

J

сли тыльная волна разгрузки не догоняет ударный фронт за время его прохождения слоя вещества – индикатора, то форма сигнала будет следующей.

Δt

Рисунок 8.7 - Форма сигнала излучения в индикаторной жидкости, если тыльная волна разгрузки не догоняет ударный фронт за время прохождения ее слоя

Свечение возникает в момент входа ударной волны в индикатор и не меняет своей интенсивности вплоть до ее входа в экран из оргстекла.

Если тыльная волна разгрузки догоняет ударный фронт за время его движения по слою вещества – индикатора, то форма сигнала будет следующей.

J

J

J

t

Δt

t

Δt

t

Рисунок 8.8 - Форма сигнала излучения в индикаторе, когда тыльная волна разгрузки догоняет ударный фронт

Таким образом, варьируя толщину пластины - ударника, можно найти такую ее величину L, при которой Δt₁=0 (в жидкости не наблюдается постоянной яркости свечения ударного фронта). Это и будет означать, что волна разрежения догоняет фронт ударной волны в приемнике именно на его поверхности. Далее, пользуясь формулой (8.2), находим скорость звука в приемнике.

8.3.1 Техника эксперимента

В эксперименте поступают иначе. Толщина ударника постоянна, а исследуемый образец имеет ступенчатую форму (см. рисунок 8.9, на котором представлена схема проведения эксперимента).

Рисунок 8.9 – Схема эксперимента по определению скорости звука

методом индикаторных жидкостей

На каждую из ступенек направлен свой светопровод, который и регистрирует изменение интенсивности свечения в веществе – индикаторе во времени. Если на рисунке 8.2 рассматривать только первые характеристики, то легко заметить, что время Δt, за которое волна разрежения догоняет ударную волну, является линейной функцией толщины исследуемого образца, поэтому временной интервал между моментами появления и начала спада интенсивности излучения является линейно убывающей функцией толщины образца; экстраполяция этой функции к нулю дает толщину, при которой волна разрежения догоняет ударную волну как раз на поверхности мишени.

Таким образом, зная из эксперимента продолжительность фазы свечения постоянной интенсивности и толщину ступеньки Δ, строим график х=F[Δ(t)], экстраполируя который к значению Δt = 0, получаем толщину образца L, при которой волна разрежения догоняет ударную волну. Скорость звука определяем по формуле (8.2).

В качестве иллюстрации на графике рисунка 8.10 представлены результаты экспериментов по определению скорости звука в церии [ ]

Рисунок 8.10 – Экспериментальная зависимость времени Δt, за которое волна разрежения догоняет ударную волну, от толщины исследуемого образца в методе индикаторных жидкостей

Основное достоинство метода заключается в его высокой чувствительности, поскольку здесь используется крайне сильная зависимость интенсивности теплового излучения, вызванного сжатием вещества в ударной волне, от амплитуды давления. При измерении во всём спектральном диапазоне зависимость энергии полного излучения чёрного тела (М) от температуры описывается уравнением Стефана-Больцмана М=σT⁴, где  - постоянная величина. Из экспериментов известно, что для многих веществ зависимость температуры от давления ударного сжатия близка к линейной. Следовательно, величина интенсивности теплового излучения пропорциональна четвёртой степени давления, т.е. незначительное изменение давления на фронте ударной волны вызывает существенное изменение регистрируемого фотоприёмником сигнала, соответствующего энергии излучения.

Основные требования к материалу индикатора - прозрачность, испускание излучения желательно близко к черному, интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени давления и по возможности близкое согласование с исследуемым материалом по акустической жесткости. В качестве индикаторов можно использовать плавленый и кристаллический кварц, бромоформ (Br₃HC ρ=2,89 г/см³). Однако жидкости имеют два преимущества перед твердыми веществами в качестве индикаторов: они легко позволяют получить идеальную границу раздела с веществом мишени, и при их использовании не возникает осложнений, связанных с упругопластическими течениями в индикаторе.

Погрешность определения толщины исследуемого образца, при которой волна разрежения догоняет фронт ударной волны, в методе составляет 0,3%.