ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Экспериментальные методы исследования нелинейных явлений из "Введение в физическую акустику " Разнообразие экспериментальных методов исследования акустических нелинейных явлений в твердых телах настолько велико, а заслуживающие внимания интересные научные результаты настолько многочисленны, что нам придется лишь очень кратко остановиться на этих вопросах. [c.298] Измерение содержания гармоник в твердых телах дает в принципе возможность определения адиабатических модулей третьего порядка. Знание этих модулей необходимо в ряде задач физики твердого тела эти модули, как и модули более высокого порядка, начинают играть все возрастающую роль в техническом материаловедении. Об особенностях определения этих модулей и об их численных значениях для большого числа кристаллов и изотропных твердых тел можно прочитать в [5, 6, 22. Поскольку рэлеевские поверхностные волны не обладают дисперсией, а интенсивность их может быть получена достаточной, измерение амплитуд гармоник и комбинационных частот таких волн, возникающих из-за решеточной нелинейности, может быть осуществлено без особых трудностей [12—14]. [c.299] В работе [51] спектральным методом в изотропном твердом теле была обнаружена генерация второй сдвиговой гармоники в сдвиговой волне конечной амплитуды, которой не должно было бы быть согласно пятиконстантной нелинейной теории упругости. Эта гармоника при прочих равных условиях оказывается существенно (на порядок и более) меньшей по амплитуде, чем гармоника продольной волны, но наблюдать ее несложно. В ряде случаев, в особенности если образец представляет собой кристалл с выраженными пластическими свойствами и на него оказывается локальное воздействие (например, приложение сосредоточенной силы), а также в случае, когда поперечный звук распространяется вдоль плоскости легкого скольжения, эффект генерации такой запрещенной гармоники значительно возрастает. [c.299] Далее было выяснено, что сдвиговая гармоника возникает вследствие появления асимметрии упругих свойств в направлениях смещений в поперечной волне ( запрет на генерацию второй сдвиговой гармоники при этом снимается). В случае однородного изотропного твердого тела члены с четными степенями сдвиговых деформаций в обобщенном законе Гука отсутствуют, тогда как при наличии остаточных деформаций и напряжений в таких телах (которые уже не могут считаться однородными и изотропными) такие члены появляются. В кристаллах же, как об этом говорилось в 4, генерация сдвиговых гармоник может происходить из-за анизотропии упругих свойств по различным направлениям. [c.299] Поэтому такой метод дает прямое определение относительной интенсивности гармоник и отпадают многие трудности, связанные с настройкой и калибровкой преобразователей. На рис. 11.6 представлены результаты измерения содержания гармоник при распространении продольной волны основной частоты /=62 МГц в кристалле кварца по оси 2 в зависимости от расстояния. Как видно, амплитуда второй гармоники достигает (при электрической мощности в импульсе 1—10 Вт) около 20% от амплитуды основной частоты, т. е. форма волны существенно искажена ( о— расстояние образования разрыва). [c.301] Коллинеарное взаимодействие волн применяется для исследования поведения нелинейных свойств твердых тел, подвергнутых тем или иным физикомеханическим воздействиям. Нелинейные свойства в значительной степени отражают, как мы уже отмечали выше, структурные характеристики этих тел. [c.301] Одним из интересных применений является нелинейный акустический метод исследования фазовых переходов второго рода в пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических кристаллах. В 4 кратко говорилось о теории таких переходов. Экспериментальные методы и результаты исследований поведения амплитуд комбинационных частот при фазовых переходах второго рода описаны в [50, 56—58]. [c.301] Из рис. 11.7 видно, что волна суммарной частоты сильно растет по амплитуде при Т хТ(. (ср. с выводами 4). [c.302] Такое аномальное поведение, по-видимому, объясняется взаимодействием звуковой волны с пространственно-неоднородными флуктуациями параметра порядка, нарастающими вблизи перехода. Подробнее об этом можно прочитать в обзоре [22]. При вынужденных колебаниях нелинейных резонаторов, если одна из возникающих в результате нелинейнг сти частот совпадает с одной из собственных частот, можно ожидать возникновения особенностей нелинейных резонансов [15— 18]. [c.302] На рис. 11.8 приведена блок-схема для наблюдения явления детектирования модулированного акустического сигнала нелинейной упругостью резонатора, выполненного в виде металлического стержня. Модуляционный метод изучения нелинейностей в образцах из твердых стержней с большой акустической добротностью весьма чувствителен и позволяет наблюдать нелинейное взаимодействие упругих волн при таких интенсивностях звука и ультразвука, которые еще недавно относили исключительно к области линейной акустики. [c.302] На приведенной блок-схеме 1 — низкочастотный модулятор-генератор с большой стабильностью частоты. Сигнал с модулятора подается на генератор высокой частоты 2. Модулированный сигнал далее проходит через фильтр-пробку 3, настроенный на частоту модуляции. После этого фильтра сигнал подается на пьезопреобразователь 5 (кварцевая пластинка Х-среза), прикрепленный к стержню 6. В стержне распространяются компоненты спектра модулированного сигнала со, o Q и т. д. [c.302] В результате нелинейного взаимодействия этих компонент спектра между собой выделяется низкая частота — частота модуляции, т. е. происходит детектирование на нелинейной упругости стержня. Если частота модуляции совпадает с одной из собственных частот стержня, имеет место резонанс. На блок-схеме 7 — ферромагнитная тонкая пластинка, приклеенная к стержню (если этот стержень немагнитен), 8 — бесконтактный магнитоэлектрический приемник, 9 — усили тель, 10 — осциллограф, 4 11 — вольтметры. При больщой добротности стержня детектированный сигнал достаточно велик. [c.302] Амплитуда акустически детектированного сигнала зависит не только от совпадения частоты модуляции с собственной частотой стержня, но в случае, если затухание несущей частоты на длште стержня мало, также и от этой несущей частоты. [c.303] На рис. 11.9 показаны расчетные зависимости амплитуд продольных колебаний стержня длины L на частоте й от несущей частоты для двух алюминиевых стержней, =25 см (кривая I) и Ь=75 см (кривая II), штриховая и пунктирная кривые — экспериментальные результаты (а=2-10 1/см). [c.303] Виден характерный тройной резонанс . Он связан с тем, что в спектре излучения есть три частоты — несущая и две боковые максимумы соответствуют условию, когда стержень, кроме резонанса на частоте , резонирует еще и на несущей или боковых частотах. [c.303] Приведенные здесь результаты соответствуют акустическому числу Рейнольдса Reaк=Ыo /a(o O,05 (здесь — амплитуда смещения, — волновое число основной волны, — коэффициент затухания). Обнаружение нелинейных эффектов при такой малой нелинейности оказывается возможным благодаря резонансному методу измерений и высокой добротности стержня (около 10 ). Подобные измерения были сделаны и на стоячих поперечных волнах. Изложенная методика благодаря своей простоте и высокой чувствительности находит применение для изучения нелинейных свойств твердых тел и измерения модулей упругости третьего порядка [5, б, 22]. [c.303] Пока мы имели дело с нелинейным искажением и взаимодействием волн, распространяющихся в одном направлении. Сделаем теперь несколько замечаний по экспериментальной методике исследования взаимодействий волн, пересекающихся под углами, при которых возможно комбинационное рассеяние звука на звуке. [c.303] Вернуться к основной статье