книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

сопротивлением среды.

Исследуем прохождение ультразвуковой волны через границу

возникает отраженная волна, движущаяся навстречу падающей:

Найдем коэффициент отражения на границе. Приравнивая смещения частиц слева и справа от границы, найдем

A sin (at — k±x) -f В sin (at -\-kxx) = D sin (at — k2x).

Пусть граница расположена при х — 0. Полагая х = 0 и сокращая равенство па sino>/, найдем

Приравняем теперь поток энергии в падающей волне сумме потоков в преломленной и отраженной волнах:

Введем обозначение:

Величина R равна отношению акустических сопротивлений сосед­ них сред. Наша формула при этом приобретает вид

Деля это равенство на (16), найдем

Система уравнений (16) и (18) дает

Формулы (19) определяют отражение и преломление на границе. Коэффициентом отражения волны называют отношение потоков энер­ гии в отраженной и в падающей волне. Формулы (12) и (19) дают

Формула (20) показывает, что коэффициенты отражения при пере­ ходе ультразвука из первой среды во вторую и из второй в первую равны друг другу.

При переходе ультразвуковой волны из стали в воздух отра­ жается 99,9%, а при переходе из воды в сталь 88% энергии волны.

Проходя через среду, ультразвуковая волна испытывает зату­ хание. Амплитуда колебаний в плоской волне уменьшается с рас­

как интенсивность колебаний пропорциональна квадрату ампли­

Затухание ультразвука является следствием того, что часть энер­ гии поглощается веществом, превращаясь в тепловую энергию.

В жидкостях и газах поглощение обусловливается в основном вязкостью и теплопроводностью среды. Как показывает (9), в один и тот же момент времени различные элементы среды имеют разные скорости. Это различие приводит к появлению сил вязкости, ана­ логичных трению. Разная степень сжатия различных участков волн приводит к появлению температурного распределения в среде. Возникающая при этом теплопроводность также приводит к умень­ шению энергии волны. Коэффициент затухания а связан с коэф­ фициентами вязкости 1] и теплопроводности х формулой

структура вещества. В однородных аморфных средах и в моно­ кристаллах затухание определяется, в основном, теплопроводно­ стью и вязкостью. В поликристаллических средах, состоящих из большого числа мелких кристаллов, затухание ультразвука

182 III. МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ II МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

квадрату частоты ультразвука. В тех случаях, когда К и d соизме­ римы, преобладает диффузное рассеяние ультразвука на неодно­ родностях поликристалла, и затухание оказывается пропорцио­

нальным УО . Экспериментальные данные о затухании ультра­ звука позволяют, таким образом, судить о структуре вещества.

Одним из распространенных методов определения скорости и коэффициента затухания ультразвука является импульсный метод.

В исследуемую среду посылается короткий ультразвуковой импульс и измеряется время пробега т, которое тратит ультразвук на про­ хождение некоторого расстояния 5. Скорость ультразвука определяется по очевидной фор­ муле

два импульса, возникающие в момент генерации и в момент реги­ страции сигнала. Время т измеряется по расстоянию между импуль­ сами (скорость развертки осциллографа калибруется). Измеренная таким образом скорость ультразвука является групповой ско­ ростью волн, которая, вообще говоря, отлична от их фазовой ско­ рости, о которой мы говорили до сих пор. При отсутствии дис­ персии (дисперсией называется зависимость фазовой скорости распространения волн от их частоты) эти две скорости равны друг другу.

Затухание ультразвука определяется по уменьшению интенсив­ ности ультразвуковой волны. Существуют различные способы из­ мерения коэффициента затухания импульсным методом. В жидко­ стях и газах удобно изменять длину пробега волны, увеличивая или уменьшая расстояние между излучателем и рефлектором. Сравнивая величину отраженных импульсов на экране осциллог-

рафа J) при двух фиксированных положениях рефлектора к и /, (рис. 83), нетрудно определить коэффициент затухания а по формуле

немедленно следующей из (21). Преимущество описываемого метода заключается в том, что результаты измерений не зависят от коэф­ фициента отражения волн от реф­ лектора.

Другой способ измерения коэффи­ циента затухания основан на иссле­ довании последовательных отражений ультразвука от излучателя и рефлек­ тора. Отражающими поверхностями в твердом теле могут служить его свободные концы. Расстояние, про­ ходимое ультразвуковым импульсом между двумя последовательными воз­ вращениями к излучателю, равно 21, где I — длина тела. Расчетная фор­ мула в этом случае приобретает вид

фициента затухания ультразвука в жидкостях и твердых телах используется стандартный дефектоскоп УДМ *2). Генератор возбуж­ дает в излучателе (изготовленном из титаната бария ВаТі03) ко­ роткие импульсы высокочастотных колебаний. Ультразвуковые импульсы передаются в образец через тонкий слой жидкой смазки и, отражаясь на границе раздела двух сред, возвращаются в из­ лучатель, который вновь преобразует их в электрические сигналы. После усилителя сигналы подаются на электронно-лучевую трубку дефектоскопа. На экране трубки сигналы видны в виде вертикаль­ ных импульсов: излучаемый —=слева, в начале развертки, отра­ женный — справа, на линии развертки. Расстояние между импуль­ сами пропорционально времени т прохождения ультразвука от

*) Мы предполагаем, что величина сигнала на экране осциллографа пропор­ циональна амплитуде смещений в звуковой волне.

2) Прибор предназначен для определения глубины залегания дефектов в раз­ личных изделиях.

184 Ш . МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ II МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

излучателя до отражающей поверхности и обратно. Это рассто­ яние измеряется при помощи метки глубиномера’ (ступеньки на линии развертки), передвигаемой вдоль линии развертки ручкой шкалы глубиномера.

Схема измерительной установки изображена на рис. 84. Излу­ чатель 1, соединенный экранированным кабелем с дефектоскопом 2,

вмонтирован в дно измерительной стойки 3. С помощью под­ держивающего цилиндра 4 на стойке устанавливается исследуемый стержень или цилиндрический сосуд из нержавеющей стали с ис­ следуемой жидкостью 5. Их контакт с излучателем осуществля­ ется с помощью жидкого масла, передающего в образец только про­ дольные волны. В твердых образцах импульс отражается от верх­ него свободного конца; при работе с жидкостями отражающей по­ верхностью служит изготовленный из нержавеющей стали пор­ шень 6, высота поднятия которого над дном отсчитывается по шкале на его штоке 7,

Для градуировки шкалы глубинометра используется вода (ско­ рость распространения vtt — 1497 м/с при 25° С, температурный коэффициент Дув/ДТ — 4-2,5 м/с • град).

При измерении скорости ультразвука (и при градуировке при­ бора) можно измерять интервал времени между излученным и отра­ женным сигналами или между двумя последовательно отраженными сигналами. Последний способ является предпочтительным, так как он не содержит ошибки, связанной с прохождением ультразвука через дно сосуда.

При не слишком большой интенсивности сигнала величина им­ пульса на экране дефектоскопа пропорциональна амплитуде смеще­ ний пришедшей волны. При очень больших сигналах их величина передается неверно из-за ограничения сигнала усилителем. При работе следует проверить линейность шкалы прибора. Это можно делать, следя за тем, как уменьшается величина отраженного импульса при понижении интенсивности излучателя. Более подроб­ ное описание дефектоскопа можно найти в его заводском описании.

I.Измерение скорости распространения ультразвука

1.Включите дефектоскоп в сеть переменного тока. Включе­ ние производится поворотом ручки «Яркость» по часовой стрелке.

2.Прогрейте прибор 1-ь2 минуты, а затем ручками «Яркость»

и«Фокус» добейтесь наибольшей четкости линии развертки. Ручкой «Смещение X» установите начало развертки около левого края экрана. Поставьте переключатель «Частота» в положение «5 МГц», что соответствует резонансной частоте излучателя. Остальные ручки установите в следующие положения: «Электронная лупа» —

вположение «Выкл.», «Вид измерений» — в положение «Развертка плавно», «Зона автоматического контроля» — в крайнее правое положение, «Чувствительность» — в среднее положение, «ВРЧ» (временная регулировка чувствительности) — в крайнее левое по­ ложение, «Мощность импульса» — в крайнее правое положение,

«Отсечка» — в среднее положение, Переключатель «I и I + II» —

вположение «I».

3.Отградуируйте шкалу глубинометра. Для этого установите сосуд с водой в измерительную стойку. Устанавливая сосуд или образец, не забудьте смазать поверхность излучателя жидким маслом! Переключатель «Вид измерений» поставьте в положение «Дпр». Переключатель «Диапазоны прозвучивания» установите на нужный диапазон (в соответствии с расстоянием / от излучателя до поверхности отражающего поршня). Градуировку прибора произ­ ведите по нескольким (пять-шесть) значениям расстояний I между излучателем и поршнем. Постройте градуировочный график, откла­ дывая по одной из осей деления шкалы глубинометра, а по другой — вычисленное значение времени пробега импульса. Расстояние I

186 III. МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

измеряется по линейке на штоке отражающего поршня. Скорость ультразвука в воде указана выше.

4. Измерьте скорость распространения ультразвука в образ­ цах из различных материалов (железо, алюминий, латунь, орга­ ническое стекло и т. д.) и в различных жидкостях (четырех-хлори- стый углерод, масло). Длину / образцов твердых тел измерьте мил­ лиметровой линейкой, а расстояние I между дном сосуда и отража­ телем — по линейке на штоке поршня. Время прохождения импульса определите по шкале глубинометра с помощью градуировочной прямой. Вычислите скорость распространения ультразвука в каж­ дом из исследуемых материалов.

Указание. При проведении опыта следует убедиться, что выбран­ ные вами для измерений импульсы действительно соответствуют двум последовательно отраженным импульсам. Помимо них, на экране осциллографа обычно наблюдаются различные побочные импульсы, возникающие, например, из-за отражения непосредст­ венно от нижней границы образца.

При измерениях с самыми короткими образцами амплитуды отраженных импульсов мало отличаются друг от друга, тогда как для самых длинных образцов разность амплитуд двух соседних отраженных импульсов может оказаться существенной. Иногда для того, чтобы увидеть второй отраженный сигнал, приходится уве­ личивать чувствительность усилителя (ручкой «Чувствитель­

II.Измерение коэффициентов затухания ультразвука

вжидких и твердых телах

1.Поместите в измерительную стойку сосуд с исследуемой жид­

костью. р 2. Перемещая отражающий поршень, наблюдайте за величиной

отраженного импульса на экране трубки осциллографа. Если его величина не меняется, уменьшите мощность посылаемого импульса (ручкой «Мощность импульса»).

3. По шкале на экране дефектоскопа измерьте высоты отражен­

4. Используя соотношение (25), определите коэффициент зату­ хания а ультразвука в исследуемой жидкости.

5.Измерьте длину I твердого образца и поместите его в изме­ рительную стойку.

6.Получите на экране два последовательно отраженных импуль­ са. Убедитесь, что усилитель дефектоскопа не ограничивает их амплитуду. Для этого изменяйте амплитуду посылаемых импуль­ сов и наблюдайте за высотой отраженных (она должна изменяться

всоответствии с изменением амплитуды колебаний излучателя).

Рис. 85. Расхождение ультразвуковой волны, излучаемой пластинкой.

7.Измерьте высоту импульсов А х и Л2 по шкале на экране дефектоскопа.

8.Используя формулу (26), определите коэффициент затуха­ ния ультразвука в исследуемом материале.

9.Оцените погрешность полученных результатов.

При исследовании коэффициента затухания ультразвука сле­ дует иметь в виду, что измерения целесообразно проводить на образцах небольшой длины. В противном случае к имеющимся ошибкам измерения добавляется ошибка, связанная с расхожде­ нием ультразвуковой волны, — волна перестает быть плоской. Расхождение можно оценить по формуле

Дер— 1,22K/D,

где Дф — угол расхождения (рис. 85), к — длина ультразвуковой волны, D — диаметр излучателя.

10. По окончании измерений выключите дефектоскоп и выньте образец из измерительной стойки.

Контрольные вопросы

1.При определении скорости распространения ультразвука с помощью дефектоскопа на его экране, помимо последбвательно отраженных импульсов, наблюдаются побочные импульсы. Какие причины приводят к появлению этих импульсов? Как от них избавиться?

2.В работе используется дефектоскоп, предназначенный для определения глубины залегания дефектов в различных изделиях. Какой размер должен иметь дефект в образце, чтобы его можно было обнаружить при помощи такого дефектоскопа? Критерием «разрешения» можно считать неравенство d !> Я,