Ultradzwiekowe_badanie_materialow_Cwiczenie_nr_10.pdf

(1785 KB) Pobierz
Politechnika Warszawska
Wydział Fizyki
Laboratorium Fizyki II p.
Do użytku wewnętrznego
Ćwiczenie
nr 10
ULTRADŹWIĘKOWE BADANIE MATERIAŁÓW.
Ultradźwiękowe badanie materiałów pozwala na określenie szeregu ich
własności. Metody ultradźwiękowe pozwalają nie tylko na badania makrostrukturalne,
wykorzystywane
w
defektoskopii
wyrobów
przemysłowych
czy
diagnostyce
medycznej, ale również na badanie mikrostruktury dające możliwość wyznaczenia
takich wielkości jak: moduły sprężystości, współczynnik tłumienia, zawartość
domieszek, gęstość dyslokacji,
średnią
długość pętli dyslokacyjnej,
średnią
wielkość
ziarna materiałów polikrystalicznych. Dla poznania struktury krystalicznej metali
szczególnie cenne są badania rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w stanie
przewodnictwa. Badanie wpływu minimalnych zanieczyszczeń na własności
akustyczne monokryształów pozwala, między innymi ustalić strukturę dyslokacji oraz
mechanizm ich powstawania i poruszania się. W płynach do najczęściej
wyznaczanych za pomocą badań ultradźwiękowych wielkości należą: stosunek
ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu i przy stałej objętości, lepkość,
ściśliwość
adiabatyczna,
średnice
cząsteczek, wartości sił międzycząsteczkowych a dla płynów
niejednorodnych koncentracja zawiesin. Częstości drgań sprężystych, jakim może
być poddane jakieś ciało rozciągają się od bardzo niskich, związanych z rozmiarami
ciała stałego, do bardzo wysokich ograniczonych od góry wielkością stałej sieciowej
(odległością sąsiednich atomów). Zakres ten można umownie podzielić na częstości
infradźwiękowe
(poniżej
16Hz),
częstości
akustyczne
(16Hz
–
16kHz),
ultradźwiękowe (16kHz – 100MHz), hiperdźwiękowe (100MHz – 10
10
Hz). Każda
substancja posiada charakterystyczne widmo drgań własnych odpowiadające
stanowi równowagi termodynamicznej. Pobudzenie ciała do drgań z jakąś
szczególną częstością, różniącą się od częstości drgań własnych, stanowi więc
odchylenie od stanu równowagi. Na skutek tłumienia nierównowagowe widmo energii
przechodzi po pewnym czasie w widmo równowagowe. Tłumienie określa się jako
przemianę części energii rozchodzących się fal o danej częstotliwości na energię
drgań o innych częstotliwościach, z reguły na energię drgań cieplnych.. Przemianę
taką powodują różne mechanizmy fizyczne. Jednym z nich jest tłumienie
termosprężyste. W materiale przez
który przechodzi fala ultradźwiękowa, w
miejscach w których następuje zagęszczenie materiału zachodzi podwyższenie
temperatury. Na skutek przewodności cieplnej ciepło rozchodzi się z obszarów
zagęszczenia (ogrzanych) do obszarów chwilowo rozrzedzonych (oziębionych).
Powyższy proces przepływu ciepła odbywa się kosztem energii fali ultradźwiękowej.
Wielkość strat termosprężystych zależy od częstotliwości fali ultradźwiękowej. Straty
te są większe dla niezbyt wysokich częstotliwości, czyli gdy przywrócenie równowagi
cieplnej nadąża za drganiami ultradźwiękowymi, niż dla bardzo dużych częstotliwości
rzędu 10
9
Hz, gdy przepływ ciepła jest zbyt wolny co powoduje,
że
ten rodzaj
tłumienia zanika. Tłumienie termosprężyste charakterystyczne jest dla rodzajów fal
którym towarzyszą lokalne zmiany gęstości a więc przede wszystkim dla fal
podłużnych. Dla fal poprzecznych, którym nie towarzyszą zmiany gęstości ten rodzaj
tłumienia nie występuje. Inny mechanizm tłumienia, nazywamy tłumieniem od zjawisk
relaksacji strukturalnej, spowodowany jest tym,
że
energia fali ultradźwiękowej może
być zużyta na przejście do wyższych stanów energetycznych, jak np. na zmianę
położenia atomu międzywęzłowego względem sieci krystalicznej czy tez na przejście
z jednej konfiguracji makrocząsteczki do drugiej. Maksimum tłumienia w funkcji
częstotliwości występuje wówczas, gdy częstotliwość drgań ultradźwiękowych staje
się równa częstotliwości własnej zmiany stanu energetycznego przez dany układ,
czyli tzw. częstotliwości relaksacji. Tłumienie fali ultradźwiękowej może być również
spowodowane takimi defektami struktury jak dyslokacje, domieszki i granice ziaren.
Dla częstotliwości wysokich, dla których długość rozchodzących się w ośrodku fal
jest porównywalna z wielkością ziarna materiału, zaczyna występować zjawisko
rozproszenia fali ultradźwiękowej. Rozproszenie jest tym większe im bardziej
zbliżone są wymiary ziarna do długości fali. Na granicy każdego ziarna następuje
wówczas częściowe odbicie fali, przy czym ze względu na nieregularne kształty
ziaren fale odbijają się we wszystkich kierunkach. Wskutek tego natężenie fali
biegnącej w rozpatrywanym kierunku stale się zmniejsza, straty spowodowane
rozproszeniem szybko rosną wraz ze wzrostem częstotliwości fali ultradźwiękowej.
Współczynnik tłumienia
(α)
określa szybkość ubytku energii drgań mechanicznych
fali wraz z odległością przebytą przez falę w tym ośrodku. Naturalnym założeniem
jest,
że
natężenie fali zmniejszy się o wartość
dI
proporcjonalną do natężenia
początkowego i długości przebytej drogi.
−
dI
= α ⋅
I
⋅
dx
Po scałkowaniu otrzymujemy wykładniczą zależność natężenia fali od odległości.
I
=
I
0
e
− α
x
Podobnie amplituda fali maleje wykładniczo
A
=
A
0
e
ze współczynnikiem tłumienia dwukrotnie mniejszym.
dB
Współczynnik tłumienia podaje się w
, zgodnie z w/w zależnościami liczy się go
cm
następująco:
−
α
⋅
x
2
gdzie
A
1
i A
n
A
1
A
n
α
dB
=
=
x
x
cm
są amplitudami fali, a
x
odległością między punktami ośrodka, w
10 log
I
1
I
n
20
których mierzono amplitudy
A
1
i A
n
. Współczynnik tłumienia zależy od częstotliwości
fali
(�½)
, struktury materiału oraz amplitudy impulsu. Dla niskich częstotliwości w
ośrodkach stałych współczynnik tłumienia wzrasta liniowo wraz z częstotliwością. W
tym zakresie częstotliwości dominują straty energii na skutek przewodnictwa
cieplnego. Dla wysokich częstotliwości zależność ta przechodzi w parabolę. W tym
obszarze częstotliwości główną rolę odgrywa rozproszenie na granicach ziaren. Jak
już wspomniano elementami struktury, które odgrywają istotną rolę w tłumieniu fal
ultradźwiękowych są: wielkość ziarna krystalicznego, domieszki i dyslokacje.
Rys.1.
Typowa zależność współczynnika tłumienia od częstotliwości dla ośrodków
stałych.
Wytwarzanie fal ultradźwiękowych.
Fale ultradźwiękowe wytwarzamy zazwyczaj za pomocą tzw. przetworników
ultradźwiękowych. Przetwornikami nazywamy takie urządzenia, za pomocą których
przetwarza się jeden rodzaj energii w drugi. Zwykle chodzi o zamianę energii drgań
elektrycznych lub magnetycznych na energię drgań mechanicznych i odwrotnie. W
celu przetworzenia energii drgań może być wykorzystane zjawisko piezoelektryczne
lub
zjawisko
magnetostrykcji.
Zjawisko
piezoelektryczne,
występujące
w
krystalicznym kwarcu, ceramice niobanowej lub tytanianowo-barowej, polega na
powstawaniu
ładunków
elektrycznych na powierzchni ciała poddanego działaniu
naprężenia. Zjawisko to jest odwracalne tzn. pod wpływem przyłożonego napięcia
elektrycznego w krysztale powstają odkształcenia. Zjawisko piezoelektryczne
występuje tylko w kryształach o niskiej symetrii, a więc krystalizujących w układzie
heksagonalnym, trygonalnym lub tetragonalnym. Wspólną cechą kryształów
należących do tych układów krystalograficznych jest,
że
w zbiorach elementów
symetrii tych układów brak jest
środka
symetrii. Brak
środka
symetrii w kryształach
warunkuje występowanie w nich zjawiska piezoelektrycznego.
Na rys.2 przedstawiono typowy kryształ kwarcu, w którym wyróżniamy trzy rodzaje
osi krystalograficznych
X, Y, Z.
Rys.2.
Kryształ kwarcu z osiami krystalograficznymi
X, Y, Z.
Osie przechodzące przez krawędzie sześciokątnego graniastosłupa i do tych
krawędzi prostopadłe oznaczamy przez
X
i nazywamy osiami elektrycznymi. Osie
prostopadłe do
ścian
graniastosłupa oznaczamy przez
Y
względu
na
brak
dwójłomności
w
tym
kierunku).
nazywamy osiami
zjawiska
mechanicznymi. Oś
Z
łącząca
wierzchołki kryształu nazywana jest osią optyczną (ze
Mechanizm
piezoelektrycznego można wyjaśnić poglądowo na podstawie rys.3.
Kwarc, którego skład chemiczny określony jest wzorem SiO
2
ma komórkę
elementarną złożoną z trzech atomów krzemu (elektrycznie dodatnich, kwarc
posiada znaczny procent wiązania jonowego) i sześciu atomów tlenu (elektrycznie
ujemnych).
Rys.3.
Mechanizm zjawiska piezoelektrycznego.
Na
rys.3
przedstawiony
jest
uproszczony
rozkład
atomów
komórki
elementarnej kwarcu. Pod trzema atomami tlenu leżą trzy pozostałe atomy tlenu,
których na przedstawionym rysunku nie widać. Jeśli kryształ jest
ściśnięty
wzdłuż osi
X
, wówczas atom krzemu przesunie się między atomy tlenu, a atom tlenu zostanie
wciśnięty między atomy krzemu. W ten sposób powstaną na okładkach
A i B
pokazane tam
ładunki
elektryczne. Istnieje również zjawisko odwrotne, polegające na
tym,
że
napięcie przyłożone do okładek
A i B
wytworzy w krysztale pole elektryczne
pod wpływem którego kryształ się odkształci.
W zależności od tego, w jaki sposób wytniemy płytkę z kryształu kwarcu,
w odniesieniu do osi krystalograficznych kryształu, zmieniają się własności
przetwornika. W przetwornikach ultradźwiękowych zazwyczaj stosuje się dwa
podstawowe typy cięć kwarcu: cięcie
X
(płytka jest prostopadła do osi
X
) oraz cięcie
Y
(płytka jest prostopadła do osi
Y
). Do budowy przetworników generujących fale
podłużne wykorzystuje się najczęściej cięcie
X
. Przetwornik kwarcowy o cięciu
X
przedstawiony jest na rys.4. Gdy obie powierzchnie płytki, wyciętej prostopadle do
osi
X
, pometalizujemy i przyłożymy do nich napięcie wówczas płytka będzie się
wydłużać i skracać wzdłuż osi
X i Y
. Wymiary wzdłuż osi
Z
nie ulegają zmianie.
Ponadto powstanie w płytce odkształcenie postaciowe w płaszczyźnie
Y Z
.
Rys.4.
Przetwornik kwarcowy o cięciu
X
:
a) sposób cięcia
b) odkształcenie wzdłuż osi
X i Y
c) odkształcenie postaciowe w płaszczyźnie
Y Z
.
Zjawisko piezoelektryczne występuje również w ferroelektrycznych polikryształach.
Ferroelektryki są to ciała w których w pewnym zakresie temperatur powstaje
polaryzacja spontaniczna. Ferroelektryki jak wykazały badania składają się
z oddzielnych obszarów tak zwanych domen, w których elementarne momenty
dipolowe ustawione są zgodnie i które dzięki temu wykazują polaryzację
spontaniczną. Powyżej określonej temperatury, zwaną temperaturą Curie lub
temperaturą przemiany fazowej, zanika struktura domenowa ferroelektryka oraz
polaryzacja spontaniczna. Powyżej temperatury Curie każdy ferroelektryk staje się
dielektrykiem tzn. nie posiada polaryzacji spontanicznej i polaryzuje się tylko pod
wpływem pola zewnętrznego. Polaryzacja dielektryka znika po usunięciu pola
zewnętrznego, jest to tak zwana polaryzacja indukowana. Większość znanych
kryształów ferroelektrycznych wykazuje zmianę swej struktury krystalicznej w
temperaturze Curie. przykładem może być tytanian baru (BaTiO
3
). Otrzymywany za
pomocą spiekania węglanu baru (BaCO
3
) z dwutlenkiem tytanu (TiO
2
), tytanian baru
jest ciałem polikrystalicznym posiadającym własności materiałów ceramicznych.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin