Влияние нелинейных и дифракционных эффектов при измерении коэффициента поглощения ультразвука в жидкости

• Автор: Шацкий, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 148 с. : ил.

1. Общие аспекты проблемы нелинейного распространения и взаимодействия акустических волн в ультразвуковых приборах

^ 1.1. Краткий анализ достижений и проблем существующих методов

исследований нелинейных явлений в ультразвуковых приборах

1.2. Основные закономерности распространения ультразвуковых волн конечной амплитуды в жидкостях

1.3. Стоячие ультразвуковые волны конечной амплитуды в жидкостях

2. Определение амплитуды возбуждения ультразвукового сигнала и оценка влияния нелинейных эффектов на результаты измерений коэффициента поглощения ультразвука в жидкости импульсным методом

2.1. Физические основы импульсного метода измерений

2.2. Основные пьезоэлектрические соотношения. Электрический импеданс пьезопреобразователя

^ 2.3. Определение амплитуды возбуждения ультразвукового сигнала в

импульсном методе измерения поглощения

2.4. Определение поправок, к ультразвуковым измерениям, связанных с нелинейным распространением ультразвукового импульса
3. Исследование нелинейных эффектов, возникающих в резонаторном методе измерения коэффициента поглощения ультразвука
3.1. Физические основы резонаторного метода измерений
3.2. Стоячие волны конечной амплитуды в одномерном жидкостном резонаторе
3.3. Нелинейные эффекты, возникающие в одномерном ультразвуковом резонаторе с плоскими пьезопреобразователями
3.4. Измерение коэффициента поглощения ультразвука в жидкости при условии нелинейного распространения и взаимодействия волн

4. Исследование влияния дифракционных эффектов на измерение коэффициента поглощения в жидкости импульсным методом
4.1. Распространение ультразвуковых волн, возбуждаемых источниками конечных размеров
4.2. Дифракционное поле ультразвукового луча, проходящего нормально слои сред
4.3. Исследование влияния линий задержки на дифракционное затухание
ультразвукового луча
Заключение
Библиографический список

Актуальность работы. Исследование коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвуковых волн в жидкости является важным средством изучения таких вопросов молекулярной физики, как природа межмолекулярных сил и кинетика молекулярных процессов, имеющих большое значение для дальнейшего развития молекулярной теории. Существуют различные методы для измерения акустических параметров жидких сред, к которым в первую очередь относятся методы прецизионной ультразвуковой спектроскопии, успешно применяемые в диапазоне 0,1-100 МГц. Однако исследования в широком диапазоне частот требуют учета разнообразных эффектов, оказывающих влияние на точность определения акустических параметров веществ. Анализ большого числа экспериментальных работ показывает, что наиболее существенное влияние на результаты измерений оказывают нелинейные и дифракционные эффекты. Так, в резонаторном методе, экспериментально обнаружены области частот, на которых, в спектре приемного сигнала, неизбежно появляются высшие гармоники даже при работе достаточно малых амплитудах возбуждающего напряжения. Это ведет к значительному завышению измеренного коэффициента поглощения и проведение экспериментов в данных областях частот становится невозможным. При проведении экспериментов импульсным методом на низких частотах диапазона, измеренное значение коэффициента поглощения также существенно отличается от “истинного”. Это связывается с дифракционными эффектами, поскольку диаметр ультразвукового пучка, излучаемого источником конечного размера, будет увеличиваться с расстоянием, а что еще более существенно, волновой фронт пучка будет сильно отличаться от плоского, причем его конфигурация будет изменяться вдоль пучка. В результате возникают дифракционные потери, которые следует отличать от “истинного” поглощения ультразвука, обусловленного диссипативными потерями. Помимо дифракционного
пьезопластин с резонансной частотой 7 МГц, а в воде (нижний график) - с пьезопластинами с резонансной частотой 5,5 МГц.
® -101!,mV
«4
«4 *гексан, 298Г
о вода,291К

-о о в в О"
/,МГу
20 40 60 80 100 f 120 140 160 180
Рис. 2.2 Графики зависимости величины а / / от частоты / в эталонных жидкостях, полученные импульсным методом
Анализ большого числа работ показывает, что неточность импульсного метода на низких частотах диапазона обусловлена в основном дифракционными эффектами и особенно велика при малом поглощении в жидкости. Для учета дифракционного завышения, как правило, используют поправочные формулы, рассчитанные для дифракционного поля поршневого излучателя. Однако, для воды экспериментальный коэффициент дифракционного затухания адиф на частоте / = 26,03 МГц, в три раза
больший теоретического, а на частоте 16,60 МГц адиф < 0. Это связано с тем,
что в поправочных формулах для поля поршневого излучателя не учитываются отражения от стенок линий задержки и их диаметр. Таким образом, для улучшения метрологических характеристик импульсного метода необходимо дальнейшее изучение дифракционных явлений, некоторые из которых будут рассмотрены в четвертой главе. Также, на низких частотах, при больших амплитудах ультразвукового импульса