Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г.
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

VI.2. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП)

     Если бы собственные колебания слоев-резонаторов действительно шли на продольных волнах, то изучать этот процесс следовало бы с помощью эффекта монохроматора. Для того чтобы подойти к экспериментальным исследованиям, напомним некоторые моменты, связанные с этим эффектом.
     Согласно утверждениям теоретической акустики, энергия звукового потока I0, нормально (то есть перпендикулярно) падающего на плоскую границу так, как это показано на рис. VI.1, делится на две составляющие - отраженный от границы поток I1, и прошедший сквозь эту границу поток I2.
     При этом коэффициенты отражения ß и прохождения определяются следующим образом:
     ß0 = I1 / I0 ;   0 = I2 / I0      (VI.2)

Поскольку I0=I1+I2 , то
     0 + ß0 = 1      (VI.3)
     Таким образом, выражение (VI.3) является условием выполнения закона сохранения энергии.
     Значения 0 и ß0 определяются следующими соотношениями между акустическими удельными сопротивлениями по обе стороны от границы R1 и R2:

где R = рV ;  р - плотность среды; V - скорость распространения упругого процесса.

     Из выражения (VI.4) видно, что если по обе стороны от границы среды имеют одинаковое удельное акустическое сопротивление, то границы, с позиции акустических измерений, как бы и не существует.
     Надо сказать, что весь этот материал, изложением которого мы начали параграф VI.1, выведен теоретически, а если точнее, то умозрительно, по аналогии с оптическими процессами. Дело в том, что если отражение и прохождение через границу света может быть изучено экспериментально, и это не составляет большого труда, то в акустике это большая проблема.
     Сложность экспериментального наблюдения процессов отражения и прохождения упругих колебаний заключается в следующем.
     Если для этих целей использовать измерения, описанные в предыдущих разделах, то мы столкнемся с фактом, заключающимся в том, что очертания сигналов, соответствующих потокам I0, I1 и I2 (см. рис. VI.1), различаются между собой настолько, что оперировать их амплитудами для определения коэффициентов отражения и прохождения просто неправомерно. Если же в подобной измерительной установке применить в качестве зондирующего сигнала гармонический незатухающий процесс, то тогда не представляется возможным разделить между собой волны падающую и отраженную, что было бы необходимо для определения коэффициента отражения. А, кроме того, при излучении непрерывного гармонического сигнала в измерительной установке типа изображенной на рис. II.19 возникают стоячие волны, в присутствии которых какие бы то ни было измерения осуществить просто невозможно.
     Использование в качестве зондирующего сигнала радиоимпульса (см. рис. II.8) также приводит (из-за наличия у него удароподобных составляющих) к различию очертаний всех трех (зондирующего, отраженного и прошедшего насквозь) сигналов.
     Выручило применение импульсно-гармонического сигнала, изображенного на рис. II.9. Измерения и ß, выполняемые при использовании такого зондирующего сигнала, правомерны, поскольку различие очертаний всех трех сигналов если и будет иметь место, то касается оно лишь участков плавного нарастания и спада амплитуды. В средней части импульсно-гармонического сигнала амплитуда при измерениях остается неизменной, и величина ее может быть зарегистрирована с достаточной степенью точности.
     Для наблюдения отражения сигнала от поверхности пластины на вход I осциллографа 8 установки, изображенной на рис. VI.2, подаем сигнал с пьезопреобразователя 2.

     Совмещение оси измерительной установки с диагональю бассейна 5 и установка рассеивателей 6 – это все меры, направленные на уменьшение влияния отражений от стенок бассейна.
     Для разделения во времени зондирующего и отраженного сигналов минимальное расстояние между преобразователями 2 и 3 должно определяться длительностью импульсно-гармонического сигнала, которая, в свою очередь, зависит от минимальной частоты заполнения, а, следовательно, связана с максимальной (для данной установки) толщиной образца. Не будем формализовывать эти связи, поскольку задача эта чисто геометрическая, и решение ее видно непосредственно во время измерений.
     На рис.VI.3 приведены полученные в результате применения импульсно-гармонического сигнала и установки, изображенной на рис.VI.2, частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения ß(f) и (f), а также U(f) при нормальном прозвучивании пластины толщиной h. Речь о зависимости U(f) пойдет в дальнейшем.

     При снятии подобных зависимостей особый интерес представляют разного рода резонансные эффекты, и в частности, известный из литературы эффект монохроматора, аналогичным которому в оптике является эффект просветления. Этот эффект заключается в отсутствии отражения от пластины и полном через нее прохождении звукового потока. Эффект монохроматора (мх) должен наблюдаться при следующем условии:

h = n v / 2, или, иначе, h = n Vv / ( 2fмх ) ,      (VI.6)

где Vv - скорость объемных (продольных) волн;
v - длина волны объемных колебаний; n - любое целое число.

     То есть, если собственные колебания слоев-резонаторов действительно идут на продольных волнах, то выражение (VI.6) при n = 1 должно совпадать с выражением (VI.1).
     При выполнении этого условия, когда на толщине пластины укладывается целое число (n) объемных полуволн, сигналы, отраженные от передней и задней стенок пластины, оказываются в противофазе. Вследствие этого, интерферируя между собой, они взаимно уничтожаются, и результирующее отражение поэтому равно нулю.
     Внутри пластины при выполнении условия (VI.6) прошедший через переднюю стенку зондирующий сигнал оказывается в фазе с сигналом, возникшим в результате многократного отражения между стенками, и поэтому прошедший через пластину поток увеличивается по амплитуде.
     Правда, резонансные свойства не могут быть связанными с интерференционными процессами, и поэтому особенно интересно было установить соответствие эффекта монохроматора с колебательными свойствами слоев - резонаторов.
     Как видно на рис.VI.3, на частоте fмх действительно отсутствует отражение [ß0(fмх) = 0], а также полное прохождение [0(fмх) = 1], что соответствует выражению (VI.3), и, стало быть, выполнению закона сохранения энергии. Это очень важный момент, так как доказывает правомерность наших измерений.
     Кроме того, продемонстрированный здесь эффект монохроматора, насколько мне известно, является первым экспериментальным его подтверждением, поскольку до сих пор этот эффект, как уже говорилось, в акустике рассматривался лишь умозрительно, на основании аналогии с оптикой.
     И еще. Исполнение условия (VI.3) свидетельствует об отсутствии поглощения в среде прозвучиваемой пластины, что также пригодится нам в дальнейшем.
     Исчезновение отражения на частоте монохроматора наблюдается так, как это показано на рис. VI.4б. Исчезает не весь отраженный от пластины сигнал, а только его средняя часть, поскольку крайние участки импульсно-гармонического сигнала, где амплитуда от периода к периоду изменяется, не являются монохроматическими.

     Получив эффект монохроматора, мы совершенно случайно увидели еще один эффект.
     Изменяя частоту заполнения импульсно-гармонического сигнала, можно увидеть, как на частоте, несколько большей, чем fмх, обращается в нуль коэффициент прохождения.
     Обозначим эту частоту как f0. То есть таким же образом, как при наблюдении эффекта монохроматора на частоте fмх исчезает отражение, на частоте f0 можно наблюдать отсутствие прохождения поля через прозвучиваемую пластину.
     Вообще говоря, это оказалось весьма неожиданным, поскольку при нормальном прозвучивании пластины никакая интерференция не может дать отсутствие прохождения через нее поля упругих колебаний. Но еще более неожиданным оказалось, что при исчезновении прохождения сигнала через пластину коэффициент отражения не увеличивается, как это можно было бы ожидать по аналогии с эффектом монохроматора. То есть получается как бы энергетический дефект: та часть поля, которая на других частотах проходит сквозь пластину, на частоте f0 через пластину не проходит, но при этом и не идет на увеличение отраженного сигнала, а стало быть, неизвестно куда девается.
     Поиски пропавшей на частоте f0 энергии поля упругих колебаний, в конце концов, увенчались успехом. Однако обнаружить недостающий сигнал удалось не на оси излучения, а в ортогональном ей направлении, там, где, как это показано на рис.VI.2, установлен акустоэлектрический преобразователь 4.
     При этом график U(f), приведенный на рис.VI.3, как оказалось, имеет двоякий смысл. Во-первых, это частотная зависимость электрического напряжения, снимаемого с ортогонально ориентированного пьезоприемника 4. А во-вторых, такую же зависимость мы получим, если в качестве прозвучиваемого образца используем пьезокерамическую пластину, и тогда зависимость U(f) является также и зависимостью от частоты электрического напряжения, снимаемого с самой этой пластины. Но тогда получается, что f0 является собственной частотой исследуемой плоскопараллельной структуры. Резонанс – это совпадение собственной частоты с частотой внешнего воздействия. Поэтому явление исчезновения прохождения сигнала на этой частоте является резонансным эффектом. По аналогии с известными в физике явлениями резонансного поглощения описанный здесь эффект был назван акустическим резонансным поглощением (АРП).
     Первоначально эффект АРП показался настолько сложным и непонятным, что был описан в работе [16] в общем, для того, чтобы вызвать его обсуждение. Обсуждение не состоялось за отсутствием, как оказалось, интереса.
     Надо сказать, что, как оказалось, эффект АРП имеет очень много следствий, и осознание его нельзя считать исчерпанным и до сих пор. Сформулируем его на первом этапе знакомства.
     Эффект АРП заключается в том, что на собственной частоте по толщине h пластины-резонатора f0 первичный поток поля упругих колебаний переориентируется в ортогональном направлении. Переориентация зондирующего сигнала в поперечном направлении свидетельствует о поперечном характере волн, на которых идут собственные колебания пластин-резонаторов.
     Отметим несколько сравнительных моментов, характерных как для эффекта монохроматора, так и для эффекта АРП:

Эффект монохроматора

Эффект АРП

наблюдается в пластинах из любых материалов

наблюдается только в слоях-резонаторах

наблюдается на всех гармониках частоты fмх

наблюдается только на нечетных гармониках частоты f0

идет на продольных волнах

идет на поперечных волнах

пластина-монохроматор относительно объемных волн является полуволновой

пластина-резонатор относительно сдвиговых волн является волновой

позволяет выделять продольные волны

позволяет выделять поперечные (сдвиговые) волны

     Выражение (VI.7) вынесено в раздел I как (I.1).
     В связи с этим, особое значение приобретает исследование одночастотных колебательных систем как наиболее простого случая для продолжения изучения физики собственных упругих колебаний.
     Вернемся к исследованиям стеклянного шара, описанным в параграфе V.I. Подставив значения f0 и D в выражение (VI.7), получим для стекла Vсдв= 3025 м/с. Полагая, что размеры шара и чистота его обработки могут быть обеспечены на весьма высоком уровне, можем считать, что точность определения скорости сдвиговых волн ограничивается разрешением частотно-измерительного устройства. Спектрально-акустическое исследование стеклянного шара является для нас очень важным моментом, поскольку эти измерения в принципе могут носить характер калибровочных, позволяющих определять, с одной стороны, скорость Vсдв материала шара с как угодно высокой точностью, а с другой, позволяющих сделать шаг в сторону метрологического обеспечения акустоэлектрических преобразователей. В самом деле, имея объект с заведомо известным значением собственной частоты, мы можем теперь оценивать искажения, вносимые в измерения теми или иными аэп.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: