III.3. Вторая попытка измерения скорости продольных волн
О том, в чем состоит различие акустических свойствах в двух видах материалов (ряда стекла и ряда оргстекла), речь пойдет в следующих разделах, а пока что мы проверим известное предположение, заключающееся в том, что величина Vфр
, являясь наибольшей из всех остальных определяемых скоростей, и есть не что иное, как скорость распространения продольных волн Vпр.
Но если это действительно так, то скорость Vфр должна оставаться постоянной в пределах соответствующих сред. Для того, чтобы это предположение проверить, повторим измерения, направленные на получение значения Vфр, но варьируя при этом не только материалом модели, как мы это уже делали, но и толщиной пластин h.
Для измерений использовались пластины опять же из оргстекла, а кроме того, из стекла, стали и дюралюминия. Характер получающихся при этом зависимостей оказался подобным приведенным на рис.III.2.
Рис. III.2
График а показывает зависимость Vфр от h для оргстекла. Как и в предыдущем исследовании, разброс значений если и есть, то определяется он исключительно погрешностью измерений. В материалах группы стекла (график б) наблюдается явная зависимость Vфр от толщины пластины h. С уменьшением толщины пластины скорость фронта уменьшается3.
Факт изменения величины скорости Vфр при изменении толщины прозвучиваемой пластины не дает нам права считать, что определяемая таким образом величина Vфр соответствует скорости продольных волн. Это весьма серьезный вывод, и, несмотря на наличие контрольных пластин из оргстекла, минимальный анализ погрешности измерений представляется необходимым. Тем более что с уменьшением измерительной базы (в данном случае - толщины пластины) погрешность измерений неизбежно увеличивается.
Для получения зависимостей, приведенных на рис.III.2 производились измерения не собственно Vфр, а изменений измеряемой скорости при переходе от одной пластины к другой. При этом использовалась установка типа показанной на рис. III.3.
Пьезокерамический излучатель 1, возбуждаемый коротким электрическим импульсом, излучает в обе стороны, что показано стрелками.
Рис. III.3
Непосредственно измерение заключается в том, чтобы перемещать пьезоприемник 2 до положения, при котором на экране двухканального осциллографа наблюдается совпадение моментов первого вступления, регистрируемых приемниками 2 и 3. В случае отсутствия исследуемой пластины 4 это условие выполняется при одинаковых расстояниях этих приемников от излучателя.
Измерения осуществляются при заполнении бассейна 6 жидкостью – маслом или водой.
Поскольку скорость звука в материале пластины Vфр больше, чем в жидкости (Vж), то при наличии прозвучиваемой пластины совпадение моментов первого вступления будет, если приемник 2 переместить вправо (в плюсовом направлении). Определяемая при этом скорость имеет значение в соответствии со следующим выражением:
(III.3)
где 
l - величина смещения приемника 2. В отсутствии образца l = 0
Погрешность измерений по выражению (III.3) складывается из погрешности определения h (то есть зависит от качества обработки и плоскопараллельности поверхностей пластины), погрешности измерения скорости звука в жидкости и погрешности нониуса 5. Считая скорость звука в жидкости постоянной в течение одного кратковременного цикла измерений, погрешность при определении изменений скорости Vфр определяется целиком погрешностью нониуса, и не превышает 1% при h
2 мм.
Для того, чтобы как-то освоиться с мыслью об изменении (уменьшении) измеряемой скорости Vфр с изменением (уменьшением) толщины пластины, еще раз напомним сам принцип измерения скорости.
Скорость движения любого материального объекта прямому измерению не подлежит. Определяя ее как отношение x/t, мы тем самым определяем усредненную по пути x или, иначе говоря, крейсерскую скорость. Обратимся к аналогии со скоростью обычного транспортного средства. Поскольку любой автомобиль при начале своего движения скорость увеличивает плавно, а также плавно уменьшает ее перед своей остановкой, то в силу наличия этих (начального и конечного) участков с пониженной скоростью, чем меньше будет расстояние между началом и концом движения, тем больше на величине определяемой скорости будут сказываться эти концевые участки пути, и, стало быть, тем меньше будет средняя скорость его движения.
Опираясь на эту аналогию, выдвигаем предположение о том, что при сквозном прозвучивании большинства твердых сред (группы стекла) фронт упругих колебаний замедляется в своем движении вблизи обеих границ.
При проведении измерений с помощью установки, приведенной на рис. III.3, следует обратить внимание на то, что при прозвучивании пластин из оргстекла форма зондирующего сигнала никак не изменяется, а при прозвучивании пластин из материалов группы стекла изменяется очень сильно, и при этом не остается постоянной при изменении толщины пластины. Установка, показанная на рис. III.3, позволяет в этом убедиться достаточно наглядно. А именно, путем совмещения изображений сигналов, снимаемых с пьезоприемников 2 и 3. Если компенсировать ослабление сигнала при прозвучивании пластин из оргстекла, то оба сигнала совпадут полностью. При прозвучивании пластин ряда стекла ни о каком совпадении даже речи быть не может. Это наблюдение очень пригодится нам в дальнейшем при изучении собственных колебательных процессов.
Забегая вперед, скажем, что действительно, скорость распространения фронта упругих колебаний при сквозном прозвучивании пластин из большинства твердых сред изменяется так, как это показано кривой 4 на рис. III.4.
Рис. III.4
Vфр.max. – это величина скорости распространения скорости фронта, к которой стремится измеряемая величина скорости Vфр.ср. при увеличении толщины пластины.
Vфр.min. – это величина скорости распространения скорости фронта, к которой стремится измеряемая величина скорости Vфр.ср. при уменьшении толщины пластины.
h - это приповерхностная зона, в пределах которой происходит плавное изменение скорости распространения фронта упругих колебаний.
3 Измерения скорости Vфр на пластинах из материалов ряда стекла оказались возможными лишь при толщинах пластин, не превышающих 20 мм, поскольку с увеличением толщины пластины удароподобное начало сигнала исчезает, а при переходе к сигналу с плавным нарастании величина измеряемой скорости скачком уменьшается примерно вдвое.
