Файл: Рохлин, Л. Л. Акустические свойства легких сплавов.pdf

вии, что торцы образца парал­ лельны и изготовлены в достаточ­

ной степени плоскими. Неизбежные при изготовлении образцов от­ клонения от плоскостности и параллельности торцов должны вно­ сить определенную погрешность при измерении коэффициента зату­ хания ультразвука.

В работе [90] влияние непараллельное™ торцов образцов на из­ мерение затухания ультразвука изучалось экспериментально. Было установлено, что недостаточная параллельность торцов приводит к искажению картины монотонно убывающих импульсов на экране осциллографа. Вместо плавного спадания величины импульсов наэкспоненте наблюдается более резкий спад их величины вначале и затем несколько периодов возрастания и убывания. В общем наблюдается картина, показанная на рис. 7. При этом эффект «мо­ дуляции». величины импульсов может быть выражен в большей или меньшей степени. Отклонение от экспоненциального закона убывания величины импульсов приводит к неправильному опре­ делению величины затухания ультразвука в образце.

В [28, 79] влияние непараллельное™ отражающих поверхностей на измерение затухания ультразвука импульсным методом рас­ сматривалось теоретически. Согласно [28] серия импульсов, наблю­ даемых на экране осциллографа, при многократном отраженииультразвука от двух поверхностей может быть представлена в виде

где и — напряжение, возникающее на приемном преобразователе; а — радиус излучающего и приемного пьезопреобразователя; со — угловая частота; k — волновое число; L — расстояние между от­

15

Вработе М. А. Криштала, С. А. Головина и др. [91] подробно рассмотрен вопрос о влиянии непараллельное™ торцов образца на величину дифракционных потерь.

Влитературе встречаются чрезвычайно высокие требования в отношении отражающих поверхностей образцов, предназначенных для проведения измерений коэффициента затухания ультразвука. Например, согласно [26], непараллельное™ не должна превышать 10". Следует, однако, иметь в виду, что требования в отношении параллельности зависят от частоты, с уменьшением ее они должны становиться менее строгими.

для образцов с параллельными (а) и непараллельными (б, в) торцами

При проведении исследований достаточная параллельность тор­ цов образцов легко контролируется по характеру убывания импуль­ сов, видимых на экране осциллографа. Образец считается годным для измерений, если наблюдается монотонное убывание импульсов по величине. В случае измерений при 10—20 Мгц плавное умень­ шение величины импульсов, видимых на экране осциллографа в на­ ших опытах, наблюдалось, когда торцы образцов были параллель­ ны в пределах 0,02 мм. Такая точность могла быть достигнута уже при обработке на токарных станках. Несколько образцов, харак­ теризующихся низким затуханием ультразвука, были изготовлены с повышенной точностью (путем притирки с использованием спе­ циальных абразивных материалов) до 2 мкм, что соответствовало углу между отражающими поверхностями не более 25". Повышение точности изготовления образцов практически не сказалось на за­ тухании ультразвука.

Потери при отражении на торцах образца. Измерение потерь ультразвуковой энергии при отражении на торцах и учет этих по­ терь при определении истинного коэффициента затухания ультра­ звука в материале могут быть выполнены в соответствии с формулой (1,4) так, как это было описано выше. Возможные изменения потерь ультразвуковой энергии при отражении на торцах при испытаниях, обусловленные зависимостью их от различных факторов, должны сказаться на точности измерений.

При отражении на торце, к которому прикреплен пьезопреобра­ зователь, потери ультразвуковой энергии могут быть связаны с за­ туханием ультразвука в связывающем слое, в материале пьезо-

16

преобразователя и в материале электрода, а также вследствие пре­ образования механической энергии в электрическую в пьезопреобра­ зователе.

Вопрос о потерях ультразвуковой энергии при отражении вслед­ ствие преобразования в электрическую энергию в пьезопреобразо­ вателе теоретически рассмотрен в работе А. С. Голубева, В. Е. Иванова, Л. А. Яковлева [92]. По данным [92], коэффициент отражения на торце образца зависит от волнового сопротивления образца, пьезопреобразователя и связывающего слоя и эквивалент­ ного сопротивления контура.

Рис. 8. Зависимость потерь при отражении на торцах от часто­ ты. Резонансная частота пьезо­ кристаллов ~ 10 Мгц

Согласно [92] уменьшение акустического сопротивления исследу­

изменении частоты ультразвука в узких пределах вблизи резонансной частоты пьезокристаллов кварца В изменяется по кривой с максимумом, расположенным около резонансной частоты (рис. 8). Повышению величины В при этом соответствует увеличение высоты первого импульса в серии, наблюдаемой на экране осциллографа, и уменьшение их числа. Отмеченная зависимость потерь ультразву­ ковой энергии на отражение от частоты физически объясняется тем, что при частоте, близкой к резонансной частоте пьезокристалла, условия преобразования электрической энергии в механическую и наоборот наиболее благоприятны. Вследствие этого при частоте, близкой к резонансной, большая часть энергии ультразвукового импульса на торцах образца преобразуется в энергию электриче­ ского высокочастотного импульса и меньшая часть отражается обрат­ но в образец. При этом потери на отражение достигают максималь­ ной величины.

Имеется также в общем экспериментальное подтверждение зави­ симости потерь ультразвуковой энергии на отражение от волно­ вого сопротивления исследуемого материала. В проведенных нами исследованиях при одинаковых условиях испытаний на частоте

10 Мгц потери на отражение в сплавах различных металлов умень­ шались с увеличением волнового сопротивления. Так, например, в одной серии испытаний при 10 Мгц магниевого сплава МА17, имеющего волновое сопротивление рс; = 1,02• 10е г/дм2'Сек, потери на отражение составили В — 1,56 дб[дв. отр., а для молибдена и вольфрама, имеющих волновое сопротивление соответственно 6,57-10е и 10-106 г1см2-сек, потери на отражение составили около. 0,5 дб/дв. отр.

Зависимость потерь на отражение от электрических характери­ стик цепи, на которую нагружены пьезопреобразователи, прояв­ ляется в том, что величина этих потерь оказывается различной при измерениях на различных установках.

При измерении коэффициента затухания ультразвука желатель­ но, чтобы потери при отражении были как можно меньше. Это обусловлено тем, что потери на отражение вычитаются из общего ослабления ультразвука при распространении его в образце; по­ этому чем больше потери на отражение, тем в большей степени неточность их определения должна сказаться на точности опреде­ ления коэффициента затухания. Особенно сильно погрешность в- определении потерь на отражение должна сказаться на точности измерения коэффициента затухания образцов, которые характе­ ризуются низким затуханием ультразвука, так как в этом случает величина затухания ультразвука в материале получается как раз­ ность двух близких по значению величин.

В соответствии со стремлением работать с самыми меньшими потерями на отражение частота ультразвука должна выбираться равной около 0,9 от резонансной частоты пьезопреобразователей, т. е. меньшей, чем максимум полосы пропускания линии задержки, включающей в себя пьезопреобразователи и образец.

Следует иметь в виду, что при измерении образцов с высоким за­ туханием ультразвука работа на частотах, отличных от соответ­ ствующей максимуму полосы пропускания, может оказаться неце­ лесообразной. Это обусловлено тем, что решающим фактором в- измерении образцов с высоким затуханием в некоторых случаях является возможность получения достаточно сильных сигналов на экране .осциллографа, что может быть в большей степени обеспечено, когда частота ультразвука соответствует максимуму полосы про­ пускания.

Толщина связывающего слоя составляет при контактном методе измерений величину порядка 10"4 см, так что потерями в самом слоеможно пренебречь и учитывать лишь акустические эффекты, связан­ ные с толщиной пленки. В соответствии с этим замена трансформа­ торного масла.глицерином и другими маслами, используемыми при. возбуждении продольных волн, мало сказывается на величине за­ тухания. Ввиду малой толщины пьезопреобразователей затухание ультразвука в них также принимается достаточно низким, чтобы им можно было пренебречь [92].

18

На возбуждении и приеме ультразвуковых волн должны также сказываться акустические характеристики электродов, которые ис­ пользуются для связи пьезопреобразователей с электрической ча­ стью установки и через которые пьезопреобразователи прижимаются к образцу [9]. Обычно при проведении исследований потери ультра­ звуковой энергии, связанные с этим фактором, являются постоян­ ными и учитываются вместе с другими потерями при отражении в величине В формулы (1, 4). Поскольку определение потерь, не свя­ занных с поглощением в материале, может быть проведено лишь ■с некоторой погрешностью, в ряде случаев оказывается целесо­ образным сравнивать между собой различные материалы по общему затуханию в образце (а', дб1дв. путь, в использованных в наших исследованиях обозначениях.) Такое сравнение предполагает, что форма и размеры образца, а также все остальные условия испыта­ ний материалов идентичны.

Измерение скорости ультразвука

Мы рассмотрим лишь три типичных метода измерения скорости ультразвука. Эти методы использовались в проведенных нами ис­ следованиях.

Метод непосредственного отсчета. Измерение скорости ультра­ звука проводится на основании измерения длины образца и опре­ деления времени распространения в нем ультразвука. Поскольку измерение длины образца, даже с очень высокой точностью, не пред­ ставляет затруднений, вся проблема измерения скорости сводится к измерению времени распространения ультразвука в образце, ко­ торое иногда называют временем задержки. В импульсных мето­ дах — это время распространения импульса ультразвука. Таким образом, для определения скорости ультразвука при многократных отражениях импульсов на торцах необходимо установить время задержки между двумя последовательными импульсами в серии, видимой на экране осциллографа. Наиболее простой способ, кото­ рый при этом может быть использован,— непосредственное изме­ рение времени задержки на экране осциллографа путем использо­ вания калиброванных разверток или меток времени.

Блок-схема соответствующей установки приведена на рис. 9. Для измерения времени задержки между первым и вторым импуль­ сом в серии, видимой на экране осциллографа, используется калиб­ ратор дистанций 27ИМ и метки времени осциллографа длительно­ стью 0,1 мксек, которые подаются через канал Z.

Точность метода непосредственного отсчета определяется в ос­ новном точностью измерения времени задержки: +0,05 мксек и со­ ставляет + 0 ,2% . Эта точность обычно достаточна для исследований зависимости скорости ультразвука сплавов от состава, а также при сравнении акустических характеристик сплавов на основе различ­ ных металлов

19