Способ измерения скорости звука в вязкоупругих материалах Советский патент 1980 года по МПК G01N29/00 G01H5/00 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано для исследований акустически методом различных вязкоупру гих .материалов. Известны способы измерения скорости звука в материалах: прямые, в которых скорость звука С вычисляют по формуле где S - расстояние, проходимое звуковой волной в исследуемом образце; t - время прохождения, которое определяют импульсным методом; и косвенные, в которых скорость звука С вычисляют по формуле С f.. где f - известная частота звука; Д - длина звуковой волны, которую определяют преиму цественно оптическими методами, используя явяения резонанса, дифракции, итерферен ции и другие 1 и 2 . Недостатками указанных способов являются необходимость использования сложного электронного и другого оборудования для определения времен прохождения звука в исследуемом обр це в прямых способах и длины волны звука в исследуемом образце в косвенных способах. Кроме того, эти способы неприменимы для исследования вязкоупругих материалов, например резины, оргстекла, пластмассы и т.д., так как точность измерения в этом случае мала в следствие большой величины поглощения ими звука. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения скорости звука в вязкоупругих материалах, заключающийся в облучении погруженного в жидкость исследуемого образца в виде плоскопараллельной пластины ультразвуковой волнойи последующего определения скорости звука по резонансной, частоте образца, которую находят, измеряя амплитуды падающего и отраженного от образца импульсов на различных частотах, причем по минимуму отношения амплитуды отраженного импульса к амплитуде падающего определяют резонансную частоту . по которой при известной толщине образца, связанной с резонансной .опиноп волны . (d - (2K+1J , где К О, 1, 2...), вычисляют скорость звука С по формуле

Недостатка ш данного способа являются малая точность измерения скорости звука в вязкоупругих материалах за счет большого поглощения ими звука, необходимость применения электронной анализирующая 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 в вязкоупругих материалах и упрощение измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения скорости звука в вязкоупругих материалах, 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 образец из 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 поверхностью 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 устройства для измерения скорости звука в вязкоупругих 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 фиксированной температуры наблюдаемой поверхности образца от частоты ультразвука ПРИ постоянной мощности излуиения излучателя.

Устройство содержит исследуемый образец 1 с нанесенной на ее верхнюю

поверхностьпленкой 2 температурочувствительных 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 G ультразвуOка с известной амплитудно-частотной характеристикой непрерывно облучают нижнюю поверхность образца 1, при этом ультразвуковая волна частично отра кается 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 ллической пленки 2 и во время измерений поддерживают постоянной. Затем устанавливают частоту генератора 7 близкой к ожидаемой резонансной частоте . e,i/, , соответствующей ожидаемой скорости звука гС,;«4/д. при выбранной величине

к - 1 7

Лl,.i,J...КС;.,

Ч/ off 44Q1Л с

fiei.ojHUy

Крв.2d

Величину К выбирают исходя из частотного диапазона излучения излучателя 6 ультразвука (фиг. 2). После этого медленным изменением напряжения подбирают такое его значение U, при котором появляетсяи сохраняется во времени (благодаря стационарности процесса теплообмена) при подобранном напряжении синий цвет жидкокристаллической пленки 2.

Затем устанавливают новую частоту f,j генератора 7, такую что af fj - f я 0,5% рез I и снова медленным изменением напряжения подбирают такое его значение Ujj , при котором появляется и сохраняется во времени при подобранном напряжении синий цвет жидкокристаллической пленки 2. Если при этом Ujj Uy то частоту изменяют в другую сторону.

Повторяют описанную процедуру измерения до получения четко выраженлого минимума напряжения н ПР котором появляется и сохраняется синий цвет температурочувствительиой жидкокристаллической пленки 2. При определении IUUH учитывают амплитудночастотную характеристику излучателя 6.

Частота, при которой подаваемое на излучатель 6 напряжение U U

5 соответствует резонансной частоте

pet . При ЭТОЙ частоте поглощение энергии ультразвука в образце максимально (резонансное поглощение). Затем определяют скорость звука С в исследуемом образце по формуле

. С f

рв.

2d

где Л, при уже выбранной для

. 1Г определения . величине К.

Минимальная величина энергии, затраченная ультразвуком, может быть определена также по минимальной величине времени достижения поверхностью образца фиксированной температуры. .

Для этого наблюдают в исходном положении при отключенном напряжении и О на излучателе 6, например, красный цвет жидкокристаллической пленки 2, соответствующий начальной температуре образца (когда он не нагрет под действием ультразвука). Затем устанавливают частоту fy генератора 7 (фиг. 3) близкой к ожидаемой резонансной частоте f,e3 после чего подают напряжение U на излучатель 6 и измеряют время t , через которое появляется синий цвет жидкокристаллической пленки 2. После этого выключают напряжение и ожидают возвращения жидкокристаллической пленки 2 к первоначальному красному цвету. Затем устанавливают частоту fj

7 такую,что Л f - f -

генератора «%0,5% f,, и подают на излучатель 6

f.-.

напряжение , 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 tj, за которое появляется синий цвет жидкокристаллической плёнки 2. Если tj t, то частоту измеряют в обратном направлении.

Повторяют описанную процедуру измерения дополучения четко выраженного минимума времени juatf за которое при постоянной мощности излучателя 6 появляется синий цвет жидкокристаллической пленки минимгшьно, соответствует резонансной частоте

рв9.

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

Использование предлагаемого способа измерения скорости звука в вязк упругих материалах позволяет повысит точность определения скорости звука за счет физических свойств вязкоупругих материалов - большого поглоаденн

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

Кроме того, отпадает необходимость использования дорогостоящих - электронной аппаратуры и специальных приспособлений (заглушения резервуаров, гидроакустических труб для звуковых измерений и т.п.), а также отпадает необходимость измерений на образцах большого размера в связи

с возможностью измерений в центральной части ультразвукового пучка, так как в предлагаемом способе дифракционные явления не играют роли. Для исключения влияния дифракционных явлений в

5 иммерсионном импульсном способе (прототипе) размер отражающей пластины (исследуемого образца) - длина и ширина образца - должны превы1иать длину волны ультразвука f 10 кГц, размер

0 пластины - образца должен быть.

(15x15)см, в то время, как при предлагаемом способе, размер образца может быть порядка (2х2)см . Изготовление 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-образ1лы большого размера требулот увеличения размеров измерительной (заглушенной) камеры, которая необходима при применении иммерсионного импульсного способа.

Формула изобретения

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, отличающийся 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 нагревание наблюдаемой поверхности образца до фиксируемой температуры в интервале температуры жидкости до температуры стационарного процесса теплообмена между обраэцом и окружающей его средой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что минимальную величину энергии, затра«1енную ультразвуком, определяют по минимальной