Способ измерения скорости звука в вязкоупругих материалах

Способ измерения скорости звука в вязкоупругих материалах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

/ +P t3 ( мятика" .,""км

Q от ф я я

ОПЫ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

<и) 792 1 29 -59

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено140778 (21) 2651434/25-10 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 301 2.80. Бюллетень №48

Дата опубликования описания 301?80 (я) . кл.

С 01 и 29/00

С 01 Н 5/00

Гесуяярстмнкый коиитет

СССР яе дмаи изобретеимй я открытий (53) УДК 534. 22. .8(088.8) (72) Авторы изобретения

T.Ñ. Квятковская, Ф.Ф. Легуща, Б.А. Финагин и Г. И. Швец

Ленинградский ордена Ленина кораблестроительный институт

{71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА

В ВЯЗКОУПРУГИХ МАТЕРИАЛАХ

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использонано для исследований акус-. тически методом различных нязкоупругих материалов.

Известны способы измерения скорости звука в материалах: пряьые, н которых скорость звука С вычисляют по формуле

С

t где S - расстояние, проходимое знуконой волной н исследуемом образце; нремя прохождения, которое определя:зт импульсным методом; и косвенные, н которых скорость звука С вычисляют по формуле

С- .Я, где f — нзнестная частота звука; л - длина звуковой волны, кото- 20 рую определяют преимущестненно оптическими методами, используя явле- . ния резонанса, дифракцни, итерференции и другие (1) и(2) .

Недостатками указанных способов 25 являются необходимость использонания сложного электронного и другого оборудования для определения нремени прохождения звука н исследуемом образце н прямых способах и длины волны 30 звука н исследуемом образце н косвенных способах. Кроме того, эти способы неприменимы для исследования вязкоупругих материалов, например резины, оргстекла, пластмассы и т.д., так как точность измерения н этом случае мала в следствие большой величины поглощения ими звука.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения скорости энука в вязкоупругих материалах, заключающийся н облучении погруженного в жидкость исследуемого образца н виде плоскопараллельной пластины ультразнуковой нолной и последующего оп1 ределения скорости энука по резонансной частоте образца, которую находят, измеряя амплитуды падающего и отраженного от образца импульсон на различных частотах, причем по минимуму отношения амплитуды отраженного импульса к амплитуде падающего определяют резонансную частоту f< >., по которой при известной толщине образца, сняэанной с резонансной длиной волны бреу. (8 - (2К+1 — 4вст-,. Где К = О, 1

2...), вычисляют скорость звука С по формуле С Г, аз у юез (37 °

7921?9

Недостатками данного способа являются малая точность измерения скорости звука в вязкоупругих материалах эа счет большого поглощения ими звука, необходимость применения электронной анализирующей аппаратуры для сравнения амплитуд прямого и отраженного импульсов и специальных измерительных камер (заглушенные бассейны, измерительные трубы и т.п.), необходимость проведения измерений на образцах большого размера для исключения дифракционных явлений при отражении.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости звука н няэкоупругих материалах и упрощение измерений.

Поставленная цель достигается тем, что. в известном способе измерения скорости звука в вяэкоупругих мате1 риалах, заключающемся в облучении погруженного в жидкость исследуемого образца в виде плоскопараллельной. пластины ультразвуковой волной и последующего определения скорости звука по резонансной частоте образца, в жидкость, температуру которой поддерживают постоянной, помещают одну поверхность испытуемого образца материала, облучают обраэец иэ жидкости непрерывной ультразвуковой волной, регистрируют температуру на противоположной стороне образца, а резонансную частоту определяют по минимальной энергии, затраченной ультразвуком на нагревание наблюдаемой поверхности образца до фиксированной температуры в интервале от температуры жидкости до температуры стационарного процесса теплообмена между образцом и окружающей средой.

Минимальную величину энергии, затраченной ультразвуком, определяют по минимальной величине времени достижения наблюдаемой понерхностью образца фиксированной температуры в зависимости от частоты ультразвука при постоянной мощности ультразвукового облучения.

Температуру поверхности исследуемого образца регистрируют с помощью нанесенного на нее температурочувствительного жидкокристаллического .слоя.

На фиг. 1 изображена схема устроЯства для Измерения скорости звука в вяэкоупругих материалах предлагаемым способом; на фиг. 2 — кривая зависимости напряжения, подаваемого на излучатель ультразвука от..частоты при стационарном процессе теплообмена; на фиг. 3 - кривая зависимости времени достижения фиксиронанной температуры наблюдаемой поверхности образца от частоты ультразвука при постоянной мощности излуыения излучателя.

Устройство содержит исследуемый образец 1 с нанесенной на ее верхнюю поверхность пленкой 2 температурочувстнительных жидких кристаллов холестерического типа, подвешенный на нитях 3 над ванной 4 с водой 5 ультразвуковым излучателем 6, соединенным с генератором 7 таким образом, что нижняя поверхность образца 1 погружена в воду.

По предлагаемому способу измерение производится следующим образом.

С помощью излучателя б ультразвука с известной амплитудно-частотной характеристикой непрерывно облучают нижнюю поверхность образца 1, при этом ультразвуковая волна частично отражается и частично поглощается.

Энергия поглощенной образцом ультразвуковой волны нагревает образец.

Температурочувствительная жидкокристаллическая пленка 2 регистрирует температуру наблюдаемой поверхности образца 1 изменением своего цвета в отраженном белом свете, наблюдаемого визуально.

Температуру воды 5 устанавливают близкой к температуре соответствующей выбранному цвету температурочувствительной жидкокрист аллической пленки

2 и но время измерений поддерживают постоянной. Затем устанавливают частоту генератора 7 близкой к ожидаемой резонансной частоте fpgg. o uy, соответствующей ожидаемой скорости звука,Сс..., . при выбранной величине с кс.. раз. смчиУ р з 4

Величину К выбирают исходя из частотного диапазона излучения излучателя б ультразвука (фиг. 2). После этого медленным изменением напряжения подбирают такое его значение О, при котором появляется и сохраняется во времени (благодаря стационарности процесса теплообмена) при подобранном напряжении синий цвет жидкокристаллической пленки 2.

Затем устанавливают новую частоту f> генератора 7, такую что

0 5% fрез и снова медленным изменением напряжения подбирают такое его значение U®, при котором появляется и сохраняется во времени при подобранном напряжении синий цвет жидкокристаллической пленки 2. Если при этом Uд > 0, то частоту изменяют в другую сторону.

Ы

Повторяют описанную процедуру измерения до получения четко выраженного минимума напряжения U,,при котором появляется и сохраняется синий цвет температурочувствительной жидкокристаллической пленки 2. При оп"

40 ределении U,„ учитывают амплитудночастотную характеристику излучателя

6.

Частота, при которой подаваемое на излучатель 6 напряжение U U „

65 соответствует резонансной частоте

792129 звука матеоиалом используемого в предлагаемом способе (резонансное поглощение звука материалом ).

Кроме того, отпадает необходимость использования дорогостоящих электронной аппаратуры и специальных приспособленнй (эаглушения резервуаров, гидроакустических труб для звуковых измерений и т.п.), а также отпадает необходимость измерений на образцах большого размера в связи с воэможностью измерений в центральной части ультразвукового пучка, так как в предлагаемом способе дифракцнонные явления не играют роли. Для исключения влияния дифракционных явлениЯ в иммерсионном импульсном способе (прототипе) размер отражающей пластины (исследуемого образца) — длина и ширина образца — должны превышать длину волны ультразвука f = 10 кГц, размер пластины — образца должен быть. (15x15)см, в то время, как при предлагаемом способе, размер образца может быть порядка (2х2)см . Изго2 товление больших пластин-образцов требует большой затраты труда, так как требуется однородность и плоскопараллельность пластины. Для нежестких образцов затрудняется их крепление с целью исключения деформации. Кроме того, пластины-образцы большого размера требуют увеличения раэмеров измерительной (заглушенной) камеры, которая необходима при применении иммерсионного импульсного способа.

Формула изобретения

В случае, если волновое сопротивление исследуемого образца сильно отличается от волнового сопротивления 55 воды, то вместо воды в ванну 4 заливают жидкость с волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению исследуемого образца.

Использование предлагаемого спо- 60 саба измерения скорости звука в вяэкоупругих материалах позволяет повысить точность определения скорости звука эа счет физических свойств вяэкоупругих материалов — большого поглощениц 45

f peq . При этой частоте поглощение энергии ультразвука в образце максимально (резонансное поглощение) .

Затем определяют скорость звука С в исследуемом образце по формуле

Л„,„

5 где Я = — при уже выбранной для

2d

/э= К определения f p<:3.o g. величине К.

Минимальная величина энергии, затраченная ультразвуком, может быть (p определена также по минимальной величине времени достижения поверхностью образца фиксированной температуPbl

Для этого наблюдают в исходном положении при отключенном напряжении U 0 на излучателе 6, например, красный цвет жидкокристаллической пленки 2, соответствующий начальной температуре образца (когда он не нагрет под действием ультразвука). °

Затем устанавливают частоту f< генератора 7 (фиг, 3) близкой к ожидаемой резонансной частоте f 93, после чего подают напряжение V< на излучатель 6 н измеряют время с<, через 25 которое появляется синий цвет жидкокристаллической пленки 2. После этого выключают напряжение и ожидают возвращения жидкокристаллической пленки 2 к первоначальному красному цвету. Затем устанавливают частоту f2 генератора 7 такую,что Ь f f — f<ж 0,5% f и подают на излучатель 6 напряжение U> величина которого соответствует той же величине излучаемой излучателем мощности, что и в предыдущем измерении. Эту величину ,подаваемого напряжения U> определяют по амплитудно-частотной характеристике излучателя. После этого измеряют новое время t2, эа которое появляется синий цвет жидкокристаллической пленки 2. Если t2 p t, то частоту измеряют в обратном направлении.

Повторяют описаннУю процедуру 45 измерения до получения четко выраженного минимума времени t, за которое при постоянной мощности излучателя 6 появляется синий цвет жидкокристаллической пленки минимально, 50 соответствует реэонансноЯ частоте

f g

1. Способ измерения скорости звука в вязкоупругих материалах, заключающийся в облучении погруженного в жидкость исследуемого образца в виде плоскопараллельной пластины ультразвуковой волной и последующего определения скорости звука по резонансной частоте образца, о т л и ч а ю

М и и с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений, в жидкость, температуру которой поддерживают постоянной, помещают одну поверхность исследуемого образца материала, облучают образец из жидкости непрерывной ультразвуковой волной, реГистрируют температуру на противоположной стороне образца, а резонансную частоту определяют по минимальной энергии, затраченной ультразвуком на иагревание наблюдаемой поверхности образца до фиксируемоЯ температуры в интервале .от температуры жидкости до температуры стационарного процесса теплообмена между образцом и окружающей его средой.

2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что минимальную величину энергии, затраченную ультразвуком, определяют по минимальной сЪ,. ФФ . ъ.. 792129 рис. 1

А fg Урщ

Ц ае. Л

Составитель E. Литвинов

РедактоР Т. ГоРЯчева ТехРед E,Гаврилещко . КоРРектоР М. ВигУла г

Тираж 1019 Подписное

BHHHtp Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий.113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 9431/42

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ппи „1laxeni" эак. 1691- 56 величине,времени достижения. Наблюдаемой поверхностью образца фиксированной температуры в зависимости от частоты ультразвука: при постоянной мощности ультразвукового облучения.

3. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и A с я тем, что температуру поверхности исследуемого образца регйстрируют с помощью нанесенного на нее температурочувствительного жид. кокристаллического слоя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Брегман Л. ультразвук. М., ",Иностранная литература", 1957, с. 216-234.

2. A.Е.Колесников Акустические измерения в судостроении. Л., "Судостроение", 1966, с. 207.

3. Механ У. Физическая акустика, "Мир", 1966, том. 1, ч. А, с. 239.