ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Резонанс и отражение из "Ультразвук " Резонанс является основой, на которой построен ря/д ультразвуковых приборов. Ультразвуковые приборы можно применять в качестве эхолотов, локаторов подводных лодок и устройств для измерения толщины слоя того или иного материала. [c.108] В то же время наличие резонансов значительно мешает работе тех ультразвуковых приборов и установок, которые хотя и имеют свои резонансные свойства, но работают не по резонансному принципу резонансы могут приводить к ложным отсчетам, и интерпретировать результаты измерений бывает затруднительно. [c.108] Приборы, описание которых дано в этой главе, работают, главным образом, с непрерывным излучением, а поэтому мы сначала подробно рассмотрим процесс возникновения резонансов в конечном участке среды, когда в ней распространяются ультразвуковые волны. [c.108] Приборы, основанные на принципе использования резонансов среды, применяются также для испытания качества сварки и нахождения дефектов в листах металла. При этом, если это требуется, измерения могут проводиться только с одной стороны поверхности образца. Используя основные резонансы, удается измерять толщины стальных листов до 1 см (при этой толщине собственная частота колебаний листа порядка 0,5 мггц). Используя гармоники колебаний листа, можно измерять толщины листов до 10 см, однако в этом случае правильная интерпретация результатов измерений затруднительна. Все, что ранее говорилось о- кривизне поверхности или ее части, остается справедливым и в этом случае. [c.108] Резонанс. Резонанс проявляется в том, что если вблизи гела, способного совершать колебания, колеблется какое-нибудь другое тело с частотой собственных колебаний первого, то при условии передачи этих колебаний через среду, первое тело также начинает совершать колебания. Такой опыт можно проделать с камертонами или струнами фортепиано. Возбужденные колебания могут иногда продолжаться в течение значительного промежутка времени, постепенно затухая вследствие трения. [c.108] Если частота вьшуждаюш,ей силы не совпадает с частотой собственных колебаний тела, то амплитуда колебаний мала и при прекращении действия силы колебания быстро прекращаются. В случае тел или систем с малым затуханием амплитуда вынужденных колебаний вне области резонанса оказывается значительно меньше, чем при резонансе, и для получения заметных амплитуд колебания вынуждающая сила должна быть гораздо больше. Так обстоит дело при возбуждении кристаллического преобразователя на частоте, отличной от его собственной частоты. [c.109] В ультразвуковых системах резонанс можно получить при изменении частоты приложенного напряжения до того значения, когда на толщине слоя укладывается целое число полуволн. В этом случае от генератора электрических колебаний берется незначительная мощность, и большая часть этой мощности излучается в материал в форме ультразвука. [c.109] Таким образом, при ультразвуковом резонансе подбирается такое соотношение между размерами тела и частотой, при котором получается максимальная отдача мощности. При резонансе тело может продолжать колебаться продолжительное время после прекращения действия вынуждающей силы это время тем больше, чем меньше внутреннее трение среды. В импульсных устройствах в исследуемый материал посылается короткий возбуждающий импульс, и свойства материала проявляются в том, как долго после этого образец из этого материала будет совершать собственные колебания. [c.109] Обычно излучатели и приемники ультразвуковых колебаний имеют резко выраженную настройку. Для исследуемых тел резонансные частоты также обычно бывают резко выражены. [c.110] Если системе или ее части сообщить затухание, резонансные свойства ее будут менее сильно выражены, т. с. полоса резонанса для этой системы будет более пп рокой. Для исследования образцов резонансным методом желательно иметь возможно более острые резонансы при этом ультразвуковая система будет способна совершать колебания только на некоторых частотах. [c.110] Резонансные эффекты при распространении ультразвука в телах могут вызвать сложные явления, в которых часто трудно разобраться. Эти эффекты обусловливаются образованием дополнительных стоячих волн, получающихся при наложении различных систем прямых и отраженных волн. Образование таких волн может происходить не только по толщине образца, но также и в других направлениях за счет отражения ультразвука от боковых граней тела. В результате может образоваться весьма сложная система стоячих волн. [c.110] Можно использовать стоячие волны для того, чтобы отме- тить, какова разница в уровнях энергии, когда испытуемый образец передвигается поперек ультразвукового луча между двумя преобразователями. Эта разница получается благодаря малейшим изменениям в толщине образца, которые все же являются заметными пО сравнению с длиной ультразвуковой волны. Таким образом, при передвижении образца картина стоячих волн может непрерывно изменяться. [c.112] При работе с незатухающими волнами ультразвука может иметь место возникновение резонансов и связанных с ними стоячих волн как в исследуемом теле, так и в теле, соприкасающемся с ним, а также в отдельных частях тела или в какой-нибудь части всей ультразвуковой системы, в которой имеется отражение от участков, где изменяется акустическое сопротивление. Поэтому показания индикатора могут быть вызваны действием каких-либо паразитных стоячих волн, а не действием основного ультразвукового сигнала, проходящего через образец, и работа всей установки становится бесполезной, так как невозможно интерпретировать результаты. [c.112] В теле, тем больше в нем будет и поглощение энергии. Таким образом, при определенной величине излучаемой энергии, чем больше отражений внутри тела, тем больше поглощается энергии. [c.113] Так как даже незначительная разница в акустических сопротивлениях приводит к отражению ультразвуковых волн и поскольку такое различие имеется на границе любых сред или даже внутри одного и того же тела, то на этих границах всегда имеет место отражение. Для того чтобы избежать образования стоячих волн, следует каким-либо образом избавиться от отражений. Для этого необходимо, чтобы тела с различными значениями плотности и скорости ультразвука были акустически согласованы, другими словами, излучатель должен быть акустически согласован с образцом, а образец — с приемником и т. д. Однако получить такое согласование в большинстве случаев не так просто. Например, если в некоторой полосе частот удается избежать появления резонансов, то вне этой полосы, в частности, при увеличении частоты, это уже сделать не представляется возможным. Тело, в котором образуются стоячие ультразвуковые волны, в некоторых случаях ведет себя как резонансный электрический контур, пропускающий только узкую полосу частот. Чем больше величина отражения на границах, тем более остро настроен этот контур. Если различие в акустических сопротивлениях между отдельными частями системы незначительно, система будет менее чувствительна к изменению частоты и отражения становятся слабей. [c.113] С другим подходом к рассматриваемой проблеме мы встречаемся в часто применяемых ультразвуковых модуляторах света. В этом случае, после того как свет промодулирован ультразвуковым пучком, для поглощения ультразвука ставят поглотители из соответствующего материала, которые предотвращают образование стоячих волн. [c.113] Эффект ослабления стоячих волн можно наблюдать при измерениях толщины образца резонансным методом если нажать пальцем на противоположную поверхность образца или поместить на этой поверхности какой-либо поглощающий материал, то резонансные пики пропадают, поскольку отражения уменьшаются. [c.113] Тот факт, что при измерениях имеется лишь один пик, еще ие говорит о том, что этот пик соответствует основной частоте колебания. Число появляющихся пиков зависит от способа их регистрации и от способа возбуждения образца. [c.114] Подобным образом можно исследовать любые тела твердые, жидкие и газообразные толщину их можно определить, если знать значения частоты двух последующих резонансов. Всегда желательно производить измерения с образцом в возможно большем диапазоне изменения частоты, так как при этом точность определения собственной частоты повышается. Чем шире применяемый диапазон частот, тем больше можно отсчитать резонансных частот. [c.115] разумеется, значит, что можно ограничиться только основной частотой колебания, т. е. случаем, когда в образце имеется только одна узловая плоскость. На самом деле, на практике возможно проводить измерения, ограничиваясь отсчетом только на основной частоте до толщин 1 см (для стали) при этом получаются достаточно хорошие результаты. Однако для тел, имеющих большую толщину, уже нельзя ограничиться измерением только на основной частоте и приходится определять частоты гармоник. [c.115] Вернуться к основной статье