Высокочастотные методы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Высокочастотные методы

Импульсные ультразвуковые методы исследования

Импульсный метод впервые был использован для изучения распространения ультразвука в металлах и диэлектриках, позднее этот метод был успешно применен для исследования жидких сред.

В отличие от резонансного метода в импульсном используются бегущие волны. Генератор высокой частоты посылает радиоимпульсы кварцевой пластинке на ее резонансной частоте. Работая как излучатель, пластинка преобразует их (вследствие обратного пьезоэффекта) в механические колебания, которые через тонкий переходный слой вещества, согласующего акустические сопротивления пьезокварца и исследуемой среды, передаются в образец нормально к его плоскопараллельным поверхностям. В результате в образце возникает бегущая ультразвуковая волна. В период паузы между зондирующими импульсами передатчика ультразвуковые акустические сигналы испытывают многократные отражения между торцовыми плоскостями образца для полного затухания и регистрируются тем же пьезопреобразователем, работающем теперь в режиме приема. При работе «на просвет» в качестве пьезоприемника используют вторую кварцевую пластинку с той же резонансной частотой, что и первая, располагаемую на противоположном торце (дне) образца. Усиленные и продетектированные донные эхо-сигналы на экране осциллографа, синхронизированного с частотой посылок радиоимпульсов (рис.1), дадут последовательность затухающих во времени видеоимпульсов. При наличии градуированной развертки осциллографа можно измерить различные расстояния, кратные длине образца, и определить скорость распространения упругой волны. Относительное уменьшение амплитуды отраженных сигналов характеризует затухание ультразвука в исследуемой среде.

Рис.1 Функциональная схема ультразвуковой импульсной установки

Метод совмещения отраженных эхо-сигналов

Серия отраженных эхо-сигналов подается на вход осциллографа, развертка которого синхронизирована с частотой посылок генератора синхроимпульсов. При совпадении или кратности периода повторения ?с синхроимпульсов с периодом следования (временем задержки) ? эхо-сигналов, т.е. при ?с=??n (?n разность между порядками отражения совмещенных эхо), на экране осциллографа возникает картина совмещенных (наложенных друг на друга) импульсов разных порядков отражения n. Точность метода составляет 0,2-0,5% и может быть повышена при совмещении фаз.

Широко используется метод синхронизирующего кольца, основанный на повторном запуске задающего генератора принятым утльтразвуковым импульсом с крутым передним фронтом, время распространения которого в образце t задает чстоту синхронизации, равную 1/t.

Импульсно-фазовый метод измерения скорости ультразвука

Этот метод, описанный в работах, основан на сравнении фаз ультразвуковых волн, прошедших различный путь в исследуемой среде (рис.2). Пьезопреобразователь 1 излучает в образец 2 ультразвуковой импульс 3. В момент прихода на пьезопластинку отраженного эхо-импульса (через интервал времени 2?) на пьезовибратор вновь подается зондирующий импульс 4, благодаря чему в образце происходит интерференция сигналов 3 и 4.

При этом

и

Линейная интерполяция ?1 и ?2 к частоте ?0 позволяет найти истинное время ? распространения волн в образце и, следовательно, фазовую скорость ультразвука. Точность метода составляет ~0,01%.

Рис.2. Распространение акустического импульса в исследуемой среде

Компенсационный фазовый метод

Сущность метода - сопоставление фаз двух высокочастотных сигналов, проходящих по разным каналам ультразвуковой задержки: образцу и эталонной жидкости. Система представляет собой сбалансированный к нулю акустический мост и может регистрировать очень малые (~10-6) относительные изменения скорости звука в образце, вызванные действием внешних факторов. При этом можно использовать как импульсный, так и непрерывный или комбинированный режим работы излучателей; фазовый сдвиг обычно регистрируется точным фазометром.

Установка для измерения затухания и скорости ультразвука эхо-методом. В основу установки, разработанной М.А.Кришталом, С.А.Головиным, И.В.Троицким и В.В.Давыдовым, положена следующая функциональная схема импульсного эхо-метода. Под действием импульсов блокинг-генератора, стабилизированного синусиодальными колебаниями звукового генератора, через делитель частоты модулятор (в режиме внешнего запуска) вырабатывает прямоугольные импульсы регулируемой амплитуды и длительности, запускающие генератор радиоимпульсов (рис. 3).

Рис.3. Функциональная схема импульсного эхо-метода

Последний генерирует импульсы высокочастотных колебаний амплитудой 150-200 В, поступающие на преобразователь. Ультразвуковой импульс, многократно отражаясь между плоскими торцами и затухая в материале образца, возбуждает пьезобразователь, работающий теперь в качестве пьезоприемника. Принятые электрические колебания через ограничитель, уменьшающий амплитуду опорного импульса и предохраняющий тем самым усилительный тракт от перегрузки, усиливаются супергетеродином (УВЧ - усилитель высокой частоты, ПЧ - преобразователь частоты, гетеродин, УАЧ - усилитель промежуточной частоты, детектор, видеоусилитель) и детектируются. Далее серия эхо-сигнала поступает на осциллограф, развертка которого синхронизирована с частотой посылок модулятор. На экране осциллографа возникает картина целого ряда донных эхо-сигналов (переключатель К1 в положении 0-1), следующих друг за другом через равные интервалы времени с постоянно убывающей амплитудой. По относительному изменению амплитуды сигналов можно судить о коэффициенте затухания, а по временным интервалам - о скорости ультразвука в исследуемом материале.

Установка для измерения скорости ультразвука в твердых телах импульсно-фазовым методом.

Рис.4. Функциональная схема установки для измерения скорости звука в твердых телах импульсно-фазовым методом

Скорость звука измеряется путем сравнения фаз двух эхо-сигналов, прошедших различные акустические пути в образце.

Высокостабильный генератор-возбудитель 1 вырабатывает непрерывный высокачастотный сигнал частотой 10 Мгц, который усиливается и модулируется в усилителе-модуляторе 3 прямоугольными импульсами генератора импульсов 4, 5. Модулированный сигнал представляет собой две последовательности радиоимпульсов, задержанных одна относительно другой на время, приблизительно вдвое большее, чем время, за которое акустический импульс проходит через образец. Несущая частота импульсов контролируется частотометром 2.

Радиоимпульсы преобразуются кварцевым пьезопреобразователем 6, приклеенным к образцу 7, в акустические и излучаются в образец. В образце происходит взаимное наложение и интерференция акустических импульсов разных последовательностей. Суммарные акустические импульсы после ряда отражений принимаются этим же преобразователем, преобразуются им в электрические импульсы и усиливаются приемником 8. На экране осциллографа 9 можно наблюдать серию затухающих эхо-сигналов.

Амплитуда суммарного эхо-сигнала определяется

,

Где U0 - амплитуда исходного эхо-сигнала;

? - частота заполнения эхо-сигнала;

? - время распространения волны через образец;

? - дополнительный фазовый сдвиг при отражении упругой волны от преобразователя.

Гиперзвуковые методы

Микроволновая ультраакустика - это новое направление физики твердого тела, родившееся в последнем десятилетии. Генерирование акустических волн частотой свыше 109 Гц становится затруднительным при возбуждении высших гармоник пьезокварцевых пластинок. Тем не менее отдельным авторам удалось провести исследования поглощения ультразвука вплоть до гиперзвуковых частот: 2000 Мгц. Высокочастотные микроволны по своей природе подобны термическим фононам, за исключением некогерентности последних. Так, при 1К характеристическая частота термических фононов решетки составляет ~200 Ггц. В настоящее время известно два экспериментальных метода генерирования микроволновых фононов, в которых используется пьезоэффект и ферромагнитный резонанс в пленке никеля.

Баранский впервые обнаружил эффект генерирования ультразвуковых волн частотой 108-109 Гц в кварцевом стержне Х-среза, помещенном в резонатор СВЧ. Впоследствии этот эффект и был использован в качестве метода возбуждения и приема гиперзвуковых колебаний. На рис. **** приведена типичная схема этого метода, примененного для измерения поглощения гиперзвука в кристалле MgO. Кварцевый стержень Х (или Y) среза с плоскопараллельными торцами и диаметром, много меньшим длины электромагнитной волны, но большим длины волны акустической, вводится в СВЧ резонатор и облучается радиоимпульсами несущей частоты 10-20 Ггц и длительностью около 1 мкс. При этом каждый элементарный объем пьезокварца, находящийся в зоне облучения СВЧ, генерирует акустическую волную, направление распространения которой определяется ориентировкой торцовой плоскости. По выходе из резонатора в стержне плоская гиперзвуковая волна, которая в дальнейшем может быть введена в используемый объект. Отраженные эхо-сигналы принимаются при обратном эффекте возбуждения резонатора акустической волной.

ультразвук фазовый сигнал импульсный

Рис.5. Схема гиперзвукового метода, использующего пьезоэффект

Существует метод возбуждения сдвиговых волн на 1 Ггц, основанный на ферромагнитном резонансе в тонкой никелевой пленке, наносимой на поверхность кварца. Используя пьезоэффект для генерирования гиперзвука в кварце приемного устройства на противоположном конце стержня, расположенном в СВЧ резонаторе, и приняли колебания частотой в 8,9 Ггц. Развитие этого метода для области более высоких частот связано с трудностями получения магнитных полей высокой напряженности.

Обычно гиперзвуковые измерения проводят только при низких температурах, чтобы уменьшить затухание в исследуемой среде.

Размещено на Allbest.ur