27.6. Акустические методы
Ультразвуковые дилатометры, известные в настоящее время, могут быть условно разделены на два типа. К первому типу относятся дилатометры, в которых ультразвуковая волна распространяется непосредственно по исследуемому образцу. В дилатометрах второго типа исследуемый образец представляет собой резонансную ячейку, заполненную газом. Ультразвуковая волна распространяется в газообразной среде.
Рис. 27.12. Схема тензометрического дилатометра
В
дилатометре первого типа, строго говоря,
нет чувствительного элемента, так как
чувствительным элементом является
ультразвуковая волна, распространяющаяся
в образце. Конструкция измерительной
ячейки чрезвычайно проста. На исследуемый
образец наклеивается пьезоизлучатель,
питаемый ультравысокочастотным
генератором модулируемой амплитудой.
Отражающими поверхностями служат
торцевые поверхности образца. Если
частота генератора соответствует
резонансной частоте образца, наблюдается
затухание ультразвука, которое
регистрируется по изменению амплитуды
выходного сигнала генератора. При
изменении температуры образца его длина
изменяется, что приводит к периодическому
появлению резонанса в образце,
соответствующего изменению длины
образца на 1/2 длины волны. В результате
на выходе генератора наблюдается
осциллирующая кривая поглощения
ультразвука (рис. 27.13). Период осцилляции
связан с коэффициентом расширения
образца соотношением
Рис. 27.13. Параллельность отражающих плоскостей образца порядка 1 угл. мин (1), порядка 5 угл. мин (2)
, (27.2)
где
- частота ультразвуковой волны;
- скорость распространения ультразвуковой
волны в образце. Коэффициент расширения,
вычисленный по приведенной формуле,
относится к средней температуре данного
периода осцилляции.
Описанный метод предъявляет жесткие требования к исследуемым образцам. Параллельность торцевых отражающих поверхностей должна быть очень хорошей, что необходимо для получения хорошей осцилляционной картины. При худшей параллельности осцилляции практически исчезают рис. 27.16. Чувствительность метода 10-5 см. Точность метода ограничена точностью определения скорости распространения ультразвуковой волны.
Дилатометр второго типа (рис. 27.14). Основной частью измерительной ячейки является звуковой интерферометр, который, состоит из пьезоизлучателя 1, (Х-срез кристаллического кварца), цилиидрического образца 2 и отражающего диска 3. детали интерферометра в точках соединения, имеют оптический контакт. В образце предусмотрены два отверстия 13 для свободной конвекции газа, заполняющего измерительную ячейку. Ультразвуковая волна от пьезоизлучателя распространяется в газообразной среде. При изменении температуры размеры резонатора изменяются вследствие изменения длины образца.
Рис. 27.14. Измерительная ячейка акустического дилатометра. 1 — пьезоизлучатель, 2 — образец, 3 — отражающий диск,4, 7 - опорный диск, 5 — контакт, 6 — пружина, 8 — хромелевая проволока, 9 — изоляторы, 10 — хромелевый ввод, 11 — сварка, 12 — трубка, 13 — отверстия для конвекции газа
При этом на выходе регистрирующего устройства так же, как для дилатометров первого типа, описанных выше, появляется осциллирующий сигнал. Минимумы соответствуют температурам, при которых выполняются условия резонанса, длина резонатора т. е. длина образца, при температуре резонанса может быть вычислена из соотношения
, (27.3)
где
- порядок минимума;
- параметр, зависящий от свойств газа,
заполняющего резонатор.
Порядок
минимума вычисляется из этого же
соотношения при условии:
,
K). Для определения температурной
зависимости
проводится калибровка прибора по
плавленому кварцу, коэффициент расширения
которого хорошо известен. При вычислении
длины образца используются точные
значения
и
.
Температура и частота определяются
экспериментально в точках минимумов.
Таким образом, при использовании данного
метода измеряется не удлинение образца,
а его длина при температурах, соответствующих
условиям резонанса. Отсюда следует, что
чувствительность данного метода не
может быть слишком высокой (10-5
см).
Из вышеизложенного следует, что при измерении теплового расширения акустическими методами исследуемые образцы должны быть обработаны с высокой степенью точности. Точность обработки образцов такая же, как при измерении интерференционным методом, чувствительность которого выше на два порядка. Акустические методы для исследования теплового расширения целесообразно применять в том случае, если для исследуемых материалов необходимо одновременно определять их упругие свойства.