9. Систематические погрешности. Классификация.

Систематические погрешности - есть величины постоянные или изменяющиеся по определенному закону. Появление этих погрешностей обусловлено действием вполне определенной величины, напри­мер:

I) ошибки, природа которых известна: влияние температуры, статистического давления, влияние приемника на характер излучаемого акустического поля, неточность расстояния до источника звука и т.д. Величина их может быть определена расчетом или при дополнительном эксперименте. Эти ошибки могут быть устранены введением соответствующих поправок в результаты измерений;

2) ошибки известного происхождения, но неизвестной величины и знака. К ним относятся погрешности измерительных индикаторных приборов, определяемые классом точности прибора;

3) систематические ошибки, существование которых неизвестно, следовательно, не учтено при постановке эксперимента. Выявить такого рода ошибки можно лишь путем проведения намерений искомой величины другим методом, другим измерительным трактом и при других условиях эксперимента.

4) систематические ошибки, обусловленные свойствами измеряемого объекта. Такие ошибки легко можно перевести в разряд случайных ошибок путем усреднения по времени, по ряду измерительных точек некоторой области частот. Перевод систематической ошибки в случайную позволяет существенно увеличить точность получаемых результатов.

10. Погрешности при проведении акустических измерений. Способы их уменьшения.

Основные принципы акустических измерений базируются на преобразования упругой энергии акустической волны с помощью различ­ных эффектов (первичных и вторичных), которые возникают при взаимодействии полей со средой, в другие вида энергии: электри­ческую, тепловую, механическую, химическую, которые легко можно измерить известными методами.

Преобразование энергии, а соответственно и методы измерения акустических величин, зависят от интенсивности акустических волн. Обычно в акустических измерениях применяют малые интенсивности упругих полей, т.е. такие интенсивности, при которых в исследуемых средах не возникают необратимые явления. Но в практических применениях приходится иметь дело с большими интенсивностями акустических волн. Это имеет место при исследовании параметров акустических нолей в ультразвуковых ваннах для очистки в расплаве припоя при ультразвуковом лужении, в акустических узлах ультразвуковых сварочных агрегатов и др.

Под действием этих полей в облучаемых средах возникают такие аффекты, которые иногда приводят к изменениям физико-химических свойств сред. Нужно отметить, что даже, казалось бы, при малых интенсивностях акустических колебаний возникают нежелательные эффекты, суть которых состоит в следующем.

Причиной различных аффектов, которые возникают в акустичес­ких полях, является легкость, с которой можно получить предельную амплитуду смещения в ультразвуковом диапазоне. При выводе волнового уравнения считают, что если амплитуды смещения малы по сравнению с длиной возбуждаемой волны, то и переносным ускорением (член, учитывающий переносное ускорение в уравнении движения) пренебрегают. При высоких частотах это утверждение становится неверным.

Так, если в слышимом диапазоне частот ~ имеет порядок 10 при средних значениях интенсивности, то в ультра­звуковом при I=10Вт/см - он становится в раз больше.

Это объясняется тем, что в ультразвуковом диапазоне длина волны становится соизмеримой с амплитудой смещения λ~7, что приводит к распространению упругих волн в виде направленных пучков.

Соизмеримость длины волны с амплитудой смещения и распростра­нения упругих волн в виде направленных пучков в покоящейся среде приводит к нелинейному характеру распространения упругих полей.

В работе представлена систематизация различных аффектов ультразвука, возникающих, как при "бесконечно малых амплитудах", так и при конечных амплитудах смещения. Эти эффекты подразделяются на первичные и вторичные. К ним относятся: Первичные эффекты: переменное давление, переменный поток, .радиационное давление, постоянный поток, эффект Римана, кавитация, поверхностное трение, температурные волны, поглощение.

Вторичные эффекты: электрокинетический аффект, оптический эффект, эффекты ориентировки, разделения и гидродинамическое притяжение частиц, коагуляция, дегазация, люминесценция, восстановление, конденсация, окисление, деполяризация, дисциргирование, тепловой эффект.

Рассмотрим кратко применение некоторых эффектов для измерения параметров акустических полей.

В акустических измерениях наибольшее распространение получили методы преобразования акустических величин в электрические. Здесь, кроме термоэлектрических устройств, важное значение имеют пьезомагнитные и пьезоэлектрические измерительные устройства, которые являются обращением соответствующих излучателей звука. Сюда не могут быть отнесены электродинамические и электростатистические микрофоны.

Для преобразования упругой энергии в механические эффекты используют эффекты ориентирования частиц в звуковом поле (эффект Бернулли ( )). На этом эффекте работает диск Рэлея, который применяют для измерения колебательной скорости в волне; устройства визуализации полей (частицы стремятся ориентироваться перпендикулярно направлению ультразвукового поля ).

Механический эффект в виде радиационного потока проявляется там, где имеются перепады плотностей, скоростей звука, при явлениях отражения и поглощения звука. Этот поток всегда направлен от среды с большей плотностью энергии к среде с меньшей плотностью энергии. Так, при отражении от границы раздела радиационное давление определяется по формуле:

,

где I - интенсивность звука, - угол падения звуковой волны на препятствия. Кроме радиационного потока в роле акусти­ческой волны возникает постоянный поток (звуковой ветер) - при­чина его появления - конечность амплитуды смещения, ограничен­ность поперечного сечения пучка, различные свойства структуры среды, объемная вязкость, поглощение звука и релаксационные про­цессы. Ультразвуковой ветер создает динамическое давление, за­висящее от квадрата скорости потока и возрастающее при увеличе­нии угла падения. Оно складывается с радиационным давлением.

Эти два эффекта используются для измерения интенсивности акустических полей, поскольку радиационное давление легко изме­ряется весовым методом.

Влияние ультразвуковой энергии на интенсификацию химических процессов (окисление, восстановление, конденсация) применяют для построения приборов контроля, измерения интенсивности УЗК, визу­ализации полей и т.д.

Эффект люминесценции - газовый разряд или иначе звуколюминесценция - свечение жидкости при акустической кавитации—может быть использован для приборов, измеряющих интенсивность звука.

Электрокинетический эффект - появление разности потенциалов из-за сдвига двойного слоя ионов, образующихся на границе раздела. С помощью этого эффекта можно измерять интенсивность звука.

Эффект Дебая проявляется только в ионных жидкостях, из-за разделения возникают периодические изменения расстояния между ио­нами различных масс, а следовательно появляется электрическое по­ле, менявшееся с частотой.

Оптические эффекты - изменение оптического коэффициента преломления среды, вследствие периодических изменений плотности и из­менение поляризационных свойств, возникавших под действием переменного давления. Эти эффекты применяют для визуализации УЗ - полей, изменения скорости, изменения интенсивности УЗ-колебаний.

В акустических измерениях также могут использоваться методы кавитационной эрозии и другие эффекты.

К основным характеристикам ультразвукового поля, которые мож­но использовать как параметры для контроля за физико-химическими свойствами вещества и соответственно применять для акустических измерений, относятся:

скорость распространения ультразвуковых волн. При распростра­нении в среде упругой волны скорость ее зависит от длины волны, формы, протяженности, плотности и упругих свойств среды;

рассеяние ультразвуковых волн. Рассеяние УЗК - волн происходит за счет частичного отражения волн от неоднородностей среды. За счет рассеяния происходит уменьшение амплитуды ультразвуковых вол: Это свойство можно использовать при контроле строительных матери­алов, имеющих зерна наполнителя различных размеров;

затухание ультразвуковых волн. Затухание УЗК - волн - это умень­шение амплитуды сигнала в пространстве и во времени за счет по­тери энергии на внутреннее трение и излучение;

поглощение ультразвуковых волн. Поглощение - это необратимое уменьшение энергии за счет перехода ее в тепло. Поглощение растет с увеличением частоты, но иногда наблюдаются максимумы поглощение на некоторых частотах. Это явление обусловлено дисперсией скорос­ти. Во всех случаях поглощение приводит к ослаблению волны по экс­поненциальному закону. Для различия поглощения от рассеяния его называют "истинным поглощением";