Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Внутрирезонаторная спектроскопия.doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
07.07.2019
Размер:
1.08 Mб
Скачать

Введение

В изучении молекулярной структуры жидкостей широко представлены оптические методы регистрации изменений свойств среды под влиянием ориентирующего и поляризующего действия электрического и магнитного полей. Физические свойства жидких сред, связанные с ориентацией молекул в ультразвуковом поле, анализируются по возникновению двойного лучепреломления. Инструментальная точность оценки изменений оптических свойств среды недостаточно высока в данном случае из-за сложности создания однородного акустического поля в измерительном объеме [1]. Влияние этого фактора снижается в условиях резонансных измерений. Примером является метод резонансной ультразвуковой спектроскопии твердых тел, в котором определяются собственные частоты образца со свободными границами [2].

В акустике жидких сред велики потери, связанные с неконтролируемой утечкой энергии резонансной структуры в виде излучения акустических волн. Добротность кварцевого резонатора, достигающая значений Q ~ 107, при погружении в жидкость снижается до уровня Q < 10 [3].

Создание высокодобротной механической резонансной системы в жидкости представляет несомненный интерес для решения задач акустической спектроскопии высокого разрешения. По аналогии с лазерной спектроскопией, в качестве технического средства, реализующего резонансный метод, предлагается рассматривать автогенератор, формирующий в измерительном объеме резонатора одномодовое поле акустических волн, частота и затухание которых определены свойствами жидкости. В таких исследованиях могут быть получены данные о структуре вещества, как под воздействием создаваемого акустического поля, так и при изменениях состава среды и внешних условий - температуры, давления, напряженностей электрического и магнитного полей, освещенности, интенсивности проникающих излучений.

В данной работе представлено описание аппаратных средств и представлены экспериментальные результаты, полученные новым методом акустической спектроскопии жидкостей. Метод [4] основан на известных принципах частотной селекции, реализованных в конструкции лазера с резонатором Фабри-Перо [5].

  1. Возбуждение ультразвуковых волн в одномерном жидкостном резонаторе.

Одночастотный генератор для анализа жидких сред [4] представляет собой усилитель с запаздывающей обратной связью в виде селективной цепи – одномерного резонатора продольных акустических волн, заполненного исследуемой жидкостью (Рисунок 1). Длина жидкостного резонатора открытого типа ограничена параллельными плоскостями, в качестве которых применены пьезокварцевые резонаторы АТ- среза на сдвиговых колебаниях. Пьезокварцевые резонаторы являются устройствами возбуждения и приема продольных акустических волн и, кроме того, в окрестности своей резонансной частоты осуществляют селекцию продольных мод.

Периферийные области вне электродной структуры пьезорезонатора практически свободны от упругих колебаний, что позволяет крепить кристалл, используя всю площадь вокруг электродных структур без заметного ухудшения добротности [3]. Преобразователи, закрепляемые соответствующим образом и имеющие одинаковую собственную частоту резонанса , устанавливаются в жидкости параллельно друг другу вдоль оси симметрии на фиксированном или изменяемом расстоянии. Электроды излучающей и приемной плоскостей преобразователей соединяются с общим проводом. Между этими электродами также может быть создано электрическое поле для осуществления воздействия на анализируемую среду. Для исключения акустической связи с жидкостью обратных сторон пьезорезонаторов, эти стороны изолируются от жидкости воздушным промежутком. Нагрузкой выхода усилителя является излучающий пьезорезонансный преобразователь.

Напряжение приемного преобразователя поступает на высокоомный вход усилителя, что позволяет минимизировать соответствующие потери добротности этой резонансной структуры. Система автоматической регулировки усиления (АРУ) в данном случае обеспечивает квазилинейный режим работы и фиксированную амплитуду выходного генерируемого сигнала.

Рисунок 1 - Одночастотный генератор для анализа жидких сред

Механизм возбуждения продольных волн в жидкости в результате сдвиговой деформации в плоскости излучателя обусловлен компрессионной составляющей механических колебаний, возникающей вследствие взаимосвязи растяжения – сжатия с поперечной деформацией. Визуализация такого типа колебаний получена авторами [6] методом спекл - интерферометрии.

Гармоническое колебание в объеме резонатора может существовать в том случае, если его стенки воспроизводят одночастотный волновой процесс в выбранных пространственных сечениях. В жидкости это требование выполнимо при создании граничных условий, воспроизводящих режим бегущей волны. Известно аналогичное техническое решение: одночастотный генератор с запаздывающей обратной связью с фильтром на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [7].

Условие баланса фаз генератора [4] можно представить в виде:

(1.1)

- собственная частота одномерного жидкостного резонатора с номером l;

- частота в пределах полосы пропускания приемного кварцевого резонатора, погруженного в жидкость;

и - частоты резонанса и антирезонанса [8], ограничивающие интервал существования индуктивного характера динамической проводимости приемного кварцевого резонатора, функционирующего в режиме вынужденных колебаний;

k – волновое число акустического сигнала в жидкой среде, заполняющей резонатор.

Баланс фаз выполняется при = в пределах той полосы частот фильтрации приемного кварцевого резонатора , в которой система АРУ обеспечивает достаточное усиление для выполнения баланса амплитуд. Изменение может быть следствием как изменения состояния жидкости, заполняющей резонатор, так и изменением длины L резонатора (известен в оптике как метод сканирующего интерферометра).