Устройство для измерения скорости распространения акустических волн в оптически прозрачных средах в условиях высоких давлений Советский патент 1991 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости распространения акустических волн в оптически прозрачных средах при высоких давлениях, например при изучении термодинамических характеристик веществ при высоких давлениях (адиабатической сжимаемости, теплоемкости при постоянном объеме и др.), функционально связанных со скоростью распространения в исследуемом веществе акустических волн.

Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения возможности измерений в ультразвуковом диапазоне частот акустических волн.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для измерения скорости распространения акустических волн в оптически прозрачных средах при высоких давлениях.

Устройство для измерения скорости распространения акустических волн в оптически прозрачных средах при высоких давлениях содержит соосно расположенные источник 1 света, первый объектив 2, первый 3 и второй 4 ин- денторы, расположенную между послед- ни-ти прокладку 5, второй объектив 6 и регистратор 7 оптического спектра, механизм 8 нагружения инденторов 3 и 4, в центре прокладки 5 выполнено цилиндрическое отверстие для размещения в нем образца 9 исследуемой среды, инденторы 3 и 4 выполнены в виде усеченных конусов из оптически прозрачного матер зла и обращены друг к другу малыми основаниями, а большие основания инденторов 3 и 4 по периметру связаны с механизмом 8 осевого нагружения, предназначенным для создания осевой нагрузки, сжимающей инденторы 3 и 4, последовательно соединенные генератор 10 синусоидального напряжения и кольцевой пьезоэлектрический преобразователь 11, установленный соосно с отверстием в прокладке 5 и акустически связанный с последней, источник 1 света выполнен точечным и установлен в фокальной плоскости первого объектива 2, а регистратор 7 оптического спектра установлен в фокальной плоскости второго объектива 6.

Устройство кроме того, содержит элементы, образующие механизм 8 осевого нагружения, а именно верхнюю н нижнюю опоры 12 и 13, связанны тремя винтами (на чертеже показан один) 14, и тарельчатую пружину 15, установленную под каждый из винтов 14. Нагрузка инденторов 3 и 4, установленных в опорах 12 и 13, осуществляется поочередным закручиванием винтов 14.

Устройство работает следующим образом.

В цилиндрчческое отверстие прокладки 5 вводится капля жидкой исследуемой среды 9. Прокладка 5 с исследуемой средой 9 сжимаютсi индентора- ми 3 и 4 с помощью механизма 8 осевого нагружения до требуемого давления. Величина последнего MokeT измеряться каким-либо известным способом, например по люминесценции м. кроеконического образца рубина

(порядка нескольких микрометров), помещаемого в исследуемую жидкость (длина волны люминесценции рубина смещается с ростом давления по известному закону до давлений порядка нескольких миллибар (v10 атм) , близкому к линейной зависимости). С помощью точечного источника 1 монохроматического света и первого объектива 2 создают параллельный пучок света, который проходит через индентор 3, исследуемую жидкость 9 и индентор 4 и далее с помощью второго объектива

5 6 фокусируется в своей фокальной плоскости (на расстоянии), образуя светящуюся точку. С помощью генератора 10 синусоидального напряжения возбуждают кольцевой пьезоэлектричесQ кий преобразователь 11, поляризованный радиально. Последний излучает в прокладку 5 концентрически сходящиеся акустические волны с частотой, задаваемой генератором 10. Акустические

5 волны проходят в исследуемую жидкость и вызывают в последней изменения показателя преломления в виде концентрических окружностей (в сечении, перпендикулярном оптической оси).

QВследствие дифракции света на периодической структуре, образованной радиально сходящимися акустическими волнами в исследуемой жидкости, в фокальной плоскости второго объектива 6 образуются дифракционные макснмумы также в виде концентрических окружностей (на чертеже показана лишь первая окружность с наименьшим диаметром) , диаметр которых связан с искомым значением скорости и распространения акустических волн в жидкости (с длиной волны) соотношением

J D 1/2

й7г р

где D - диаметр кольца в дифракционной картине (максимум первого порядка); F - фокусное расстояние второго

объектива 6;

0 - длина волны оптического из- 0лучения;

А - длина волны акустической

волны.

В общем случае для диаметра кольца в дифракционной картине, образован- 5 ного максимумом k-ro порядка, имеет место соотношение

(1)

2ё/2

F

(2)

Учитывая, что U , где f - частота излучаемого ультразвука (задается генератором 10 и определяется по лимбу генератора или, что точнее, с помощью цифрового частотомера, искомое значеш е скорости и распространения акустических волн в исследуемой жидкости находят из уравнения (2):

и .f(3)

Dk

Для достижения в исследуемой жидкости требуемого высокого давления необходимо уменьшение размеров инден- торов 3 и 4 и образца среды 9. При необходимости создавать давление порядка 50 - 100 тыс.атм. диаметр цилиндрического отверстия в прокладке 5 составляет около 1-0,5 мм. Таким образом, нижний предел исследуемых частот определяется в устройстве возможностью размещения нескольких длин волн (ультразвука), что необходимо для формирования дифракционного спектра в фокальной плоскости вто- iporo объектива 6. Для указанных раз- меров камемы Д ft 0, ,1 мм и следовательно, минимальная рабочая частота может составлять (согласно соотношению f U/Л) порядка 7,5т15МГц (при скорости около 1500 м/с и порядка 15-30 МГц для скорости около 3000 м/с, Чо обеспечивает возможность измерений на частотах ниже 100 МГц (Ю9 Гц).

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости распространения акустических волн в оптически прозрачных средах в условиях высоких давлений, содержащее со- осно расположенные источник света, первый объектив, ннденторы, выполненные в виде усеченных конусов оптически прозрачного материала, размещенную между ними прокладку с цилиндрическим отверстием для размещения в нем исследуемой среды, второй объек5 тив и регистратор оптического спектра и механизм осевого нагружения, жестко соединенный с большими основаниями ннденторов, отличающееся тем, что, с целью расшире0 ния области применения за счет обеспечения возможности измерений в ультразвуковом диапазоне частот акустических волн, оно снабжено последовательно соединенными генератором

5 синусоидального напряжения и кольцевым пьезоэлектрическим преобразователем, установленным концентрично с отверстием в прокладке и акустически связанным с последней, источQ ник света выполнен точечным и установлен в фокальной плоскости первого объектива, а регистратор оптического спектра установлен в фокальной плоскости второго объектива.

7

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости распространения акустических волн в оптически прозрачных средах при-высоких давлениях, например при изучении термодинамических характеристик веществ при высоких давлениях (адиабатической сжимаемости, теплоемкости при постоянном объеме и др.), функционально связанных со скоростью распространения в исследуемом веществе акустических волн. Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения возможности измерений в ультразвуковом диапазоне частот акустических волн. Цель достигается за счет снабжения устройства генератором синусоидального напряжения и кольцевым пьезоэлектрическим преобразователем, с помощью которого излучают концентрические радиально сходящиеся акустические волны в образец жидкости малых разамеров. Через сформированную таким образом акустическую решетку пропускают монохрома- Т1гческий пучок света и регистрируют образующуюся при этом дифракционную картину, по параметрам которой определяют скорость ультразвука. Используемая форма акустической волны обеспечивает уменьшение искажений ее на границе исследуемой жидкости и по сравнению с прототипом позволяет проводить измерения на более низзшх частотах. 1 ил. с « CD