Экспериментальная установка

Установка для измерения дифракции ультразвуковых волн содержит корпус 8, заполненный водой (рис. 1). В корпусе расположен образец 1. На торцовой поверхности исследуемого образца установлен генерирующий пьезоэлектрический преобразователь 2 с возможностью пропускания ультразвуковых колебаний вдоль исследуемого образца, а также сферический элемент, выполненный из того же материала, что и исследуемый образец. Сферический элемент обращен полусферой к вогнутым акустическим линзам 4 и 5 с возможностью перемещения его вдоль исследуемого образца с помощь шпилек 3 и пропускания ультразвуковых колебаний в направлении акустических вогнутых линз. На корпусе 8 сверху находится металлическая рама 9, на которой закреплена металлическая скамья 7. Линзы расположены на одной общей главной акустической оси, имеют с одной стороны сферическую поверхность, а с другой стороны – поверхность с переменными радиусами кривизны. Причем линзы расположены поверхностями с переменными радиусами кривизны навстречу друг к другу, а сферическими поверхностями – наружу. Они закреплены на металлической скамье 7, с возможностью перемещения вдоль общей главной акустический оси, посредством перемещения скоб. Пьезоэлектрический преобразователь 6, регистрирующий дифрагированные ультразвуковые волны от образца 1, можно перемещать вдоль вертикальной оси.

Установка для измерения дифракции ультразвуковых волн работает следующим образом. В корпус 1 наливают воду таким образом, чтобы скрылись акустические вогнутые линзы 4 и 5. Импульсы ультразвуковых колебаний в исследуемом образце 1, генерируют пьезоэлектрическим преобразователем 2 и пропускают в направлении, перпендикулярном общей главной акустической оси линз 4 и 5. Импульсы ультразвуковых волн дифрагируются от внутренней области исследуемого образца 1, находящейся в фокальной плоскости первой линзы 4.

Рис. 1. Экспериментальная установка.

Поскольку скорость ультразвуковых волн в исследуемом образце значительно больше, чем ее скорость в воде, передающей ультразвуковые колебания, то на границе образца исследуемого образца 1 и воды указанные волны испытывают значительное преломление. Сферический элемент, изготовленный из того же материала, что и исследуемый образец уменьшает углы преломления ультразвуковых волн на поверхности исследуемого образца 1. Дифрагированные ультразвуковые волны проходят через первую 4 и вторую 5 линзы, расположенные в воде, и регистрируются пьезоэлектрическим преобразователем 6.

Две одинаковые акустические линзы были изготовлены из органического стекла на токарном станке с ЧПУ по патенту США № 5235553 [2]. При этом коэффициент уменьшения линейных размеров линз по сравнению с размерами, заявленными в указанном патенте, составил 0,875. Одна из вогнутых поверхностей линзы была сферической с радиусом = 23,81 см, а другая – с переменным радиусом кривизны от 23,809 до 24,766 см для исключения астигматизма линзы.

Фокусное расстояние акустической линзы рассчитывалось по формуле [3]:

, (1)

где – показатель преломления линзы, равный ; - скорость ультразвука в среде; - скорость ультразвука в линзе; и – радиусы кривизны поверхностей линзы; – толщина линзы по ее главной акустической оси.

Радиусу кривизны приписывается знак плюс, если соответствующая поверхность линзы обращена выпуклостью к падающему лучу, в противном случае – знак минус.

При условиях, что ; = 23,81 см; = 24,29 см; скорость ультразвука в воде = 1480 м/с и скорость ультразвука в органическом стекле = 2700 м/с при комнатной температуре, рассчитанное фокусное расстояние линзы равно 26,6 см.

Радиус рабочей поверхности дисковых пьезоэлектрических преобразователей, использованных в экспериментах, составлял 2,5 мм. На рис. 2 показана структура акустического поля дискового пьезоэлектрического преобразователя в зависимости от расстояния на оси [4]. Область пространства перед преобразователем в интервале от 0 до , где – длина ультразвуковой волны в среде, называется ближней зоной (зоной Френеля). Эта область акустического поля, где в результате интерференции наблюдаются осцилляции интенсивности волны I. Из рис. 2 следует, что в интервале от 0 до – волна плоская, а при s w:val="28"/></w:rPr><m:t>Р‘</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> – волна сферическая. Область монотонного убывания интенсивности волны I, где , называется дальней зоной (зоной Фраунгофера). В лучевом приближении в дальней зоне акустическое поле имеет вид расходящихся лучей из точки эффективного излучающего акустического центра. Угол расхождения волны определяется по формуле [4]:

, (2)

где – коэффициент, для круглого дискообразного преобразователя = 0,61.

Рис. 2. Структура акустического поля преобразователя в зависимости от

расстояния на оси : I – интенсивность волны; – угол расхождения волны.

Были рассчитаны параметры акустического поля пьезоэлектрического преобразователя при его эффективной частоте r w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> и скорости ультразвука в воде = 1480 м/с: . При этих параметрах точка эффективного излучающего акустического центра находится в центре рабочей поверхности дискового пьезоэлектрического преобразователя.

Поиск по сайту: