RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 165426 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 291751 (22) Data zgłoszenia: 18.09.1991 (51) IntCl5: G01H5/00 G01N 29/18 G01N 13/00 G01N 29/43 (54) Urządzenie do pomiaru lokalnej prędkości akustycznych fal powierzchniowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 22.03.1993 BUP 06/93 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa, PL (72) Twórca wynalazku: Antoni Latuszek, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.12.1994 WUP 12/94 (74) Pełnomocnik: Kwiatkowski Stanisław, Politechnika Warszawska PL 165426 B1 57) 1. Urządzenie do pomiaru lokalnej prędkości akustycznych fal powierzchniowych, zaopatrzone w przetwornik nadawczy 1 przetwornik odbiorczy akustycznych fal podłużnych w cieczy zamocowane przesuwnie po łuku kątomierza, znam ienne tym, ze przetwornik nadawczy (2) i przetwornik odbiorczy (3) przymocowane są do płaskiej powierzchni akustycznej soczewki (1) skupiającej fale podłużne emitowane przez przetworniki nadawczy (2) w pierwszym ognisku (0) leżącym na badanej powierzchni (9), przy czym przetwornik odbiorczy (3), o rozmiarach rzędu długości "λ" akustycznej fali podłużnej w materiale soczewki, umieszczony jest dokładnie w drugim ognisku (0' ) tej soczewki lezącym na płaskiej powierzchni soczewki (1). FIG 1
URZĄDZENIE DO POMIARU LOKALNEJ PRĘDKOŚCI AKUSTYCZNYCH FAL POWIERZCHNIOWYCH Z a s t r z e ż e n i a p a t e n t o w e 1. Urządzenie do pomiaru lokalnej prędkości akustycznych fal powierzchniowych, zaopatrzone w przetwornik odbiorczy akustycznych fal podłużnych w cieczy zamocowane przesuwnie po łuku kątomierza, z n a m i e n n e tym, że przetwornik nadawczy /2/ i przetwornik odbiorczy /3/ przymocowane są do płaskiej powierzchni akustycznej soczewki /1/ skupiającej fale podłużne emitowane przez przetwornik nadawczy /2/ w pierwszym ognisku /0/ leżącym na badanej powierzchni /9/, przy czym przetwornik odbiorczy /3/, o rozmiarach rzędu długości "λ " akustycznej fali podłużnej w materiale soczewki, umieszczony jest dokładnie w drugim ognisku /0 '/ tej soczewki leżącym na płaskiej powierzchni soczewki /1/. 2. Urządzenie według zastrz. 1, z n a m i e n n e tym, że w osi soczewki /1/ wykonana jest szczelina /4/. 3. Urządzenie według zastrz. 1, z n a m i e n n e tym, że soczewka /1 / zamocowana jest promieniowo przesuwnie względem łuku kątomierza /10/. 4. Urządzenie do pomiaru lokalnej prędkości akustycznych fal powierzchniowych, zaopatrzone w przetwornik nadawczy i przetwornik odbiorczy akustycznych fal podłużnych w cieczy zamocowane przesuwnie po łuku kołnierza, z n a m i e n n e tym, że przetwornik nadawczy /2/ przymocowany jest do płaskiej powierzchni akustycznej półsoczewki /1 '/ skupiającej fale podłużne emitowane przez przetwornik nadawczy /2/ w pierwszym ognisku /0/ leżącym na badanej powierzchni /9/, zaś przetwornik odbiorczy /3/ przymocowany jest do płaskiej powierzchni akustycznej soczewki /1' ' / połączonej równolegle z płaszczyzną przekroju akustycznej pó łsoczewki /1/ poprzez metalową płytkę /13/, korzystnie wolframową, przy czym przetwornik odbiorczy /3/, o szerokości rzędu długości "λ " akustycznej fali podłużnej w materiale soczewki, umieszczony jest dokładnie w drugim ognisku /0 ' / leżącym na płaskiej powierzchni akustycznej soczewki /1 ' ' /. 5. Urządzenie według zastrz. 4, z n a m i e n n e tym, że półsoczewka /1'/ i połączona z nią soczewka /1 / zamocowane są promieniowo przesuwnie względem łuku kątomierza /10/. * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru lokalnej prędkości akustycznych fal powierzchniowych na powierzchni ciała stałego, zanurzonego w cieczy o prędkości fal podłużnych w tej cieczy, mniejszej niż badana prędkość akustycznych fal powierzchniowych. Znane są urządzenia do pomiaru prędkości akustycznych fal powierzchniowych na płaskich powierzchniach ciał stałych, zanurzonych w cieczach o prędkości fal podłużnych w cieczach mniejszej od prędkości akustycznych fal powierzchniowych w badanych ciałach, a mianowicie refraktometr akustyczny i mikroskop akustyczny zastosowany w tak zwanej metodzie V/z/. W refra- ktomerze akustycznym przetwornik emitujący płaską falę podłużną w cieczy może poruszać się po łuku w granicach od 0 do 90, natomiast przetwornik odbiorczy od 90 do 180. Gdy zwiększamy kąt padania fali akustycznej, a kąt ustawienia przetwornika odbiorczego równy jest zawsze kątowi padania, to przy pewnym kącie padania - kącie krytycznym 9k - następuje nieznaczne zmniejszenie amplitudy fali odbitej, gdyż część mocy akustycznej fali padającej ulega przekształceniu w akustyczną falę powierzchniową. Z zależności sin8 = V /VR, gdzie jest znaną prędkością fali podłużnej w cieczy, wyznacza się nieznaną prędkość VR akustycznej fali powierzchniowej, U metodzie V/z/, w której napięcie V rejestrowane jest na przetworniku nadawczo- odbiorczym mikroskopu akustycznego w funkcji odległości z soczewki mikroskopu akustycznego od płaskiej powierzchni badanego ciała, uzyskujemy krzywą periodyczną napięcia V o malejącej
165 426 3 amplitudzie w funkcji z. Z szerokości periodu z wnioskuje się o prędkości akustycznej fali powierzchniowej. Taki proces pomiarowy jest jednak czasochłonny i nadaje się tylko do ograniczonej liczby materiałów, na przykład: nierozpuszczalnych w wodzie. Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia do szybkiego i dokładnego pomiaru prędkości akustycznych fal powierzchniowych z zastosowaniem dowolnych cieczy, o prędkości akustycznych fal podłużnych w tych cieczach mniejszej niż badana prędkość akustycznych fal powierzchniowych. Urządzenie według wynalazku, zaopatrzone w przetwornik nadawczy i przetwornik odbiorczy akustycznych fal podłużnych w cieczy zamocowane przesuwnie po łuku kątomierza, charakteryzuje się tym, że przetwornik nadawczy i przetwornik odbiorczy przymocowane są do płaskiej powierzchni akustycznej soczewki skupiającej fale podłużne, emitowane przez przetwornik nadawczy w pierwszym ognisku, leżącym na badanej powierzchni, przy czym przetwornik odbiorczy, o rozmiarach rzędu długości "λ " akustycznej fali podłużnej w materiale soczewki, umieszczony jest dokładnie w drugim ognisku tej soczewki, leżącym na jej płaskiej powierzchni. W celu uniknięcia zakłóceń wywołanych falami odbitymi od ścianek soczewki, w osi soczewki wykonana jest szczelina. Ponadto soczewka zamocowana jest promieniowo przesuwnie względem łuku kątomierza. Inne urządzenie charakteryzuje się tym, że przetwornik nadawczy przymocowany jest do płaskiej powierzchni akustycznej półsoczewki, skupiającej fale podłużne emitowane przez przetwornik nadawczy w pierwszym ognisku leżącym na badanej powierzchni, zaś przetwornik odbiorczy przymocowany jest do płaskiej powierzchni akustycznej soczewki połączonej równolegle z płaszczyzną przekroju akustycznej półsoczewki poprzez metalową, płytkę, korzystnie wolframową, przy czym przetwornik odbiorczy, o szerokości rzędu długości "λ " akustycznej fali podłużnej w materiale soczewki, umieszczony jest dokładnie w drugim ognisku leżącym na płaskiej powierzchni akustycznej soczewki. Metalowa płytka silnie odbija fale akustyczne, więc soczewka jest izolowana od połączonej z nią półsoczewki. Ponadto półsoczewka i połączona z nią soczewka akustyczna zamocowane są promieniowo przesuwnie względem łuku kątomierza. Fala akustyczna skupiona w ognisku liniowym na badanej powierzchni ulega przekształceniu w płaską akustyczną falę powierzchniową, propagującą się w obie strony od tego ogniska, a w przypadku ogniska punktowego w kolistą akustyczną falę powierzchniową. Akustyczne fale powierzchniowe na granicy cieczy i ciała stałego ponownie ulegają przekształceniu w niejednorodną, płaską akustyczną falę podłużną w cieczy. Pomiar polega na wyznaczeniu kąta 8 pomiędzy normalną do badanej powierzchni a kierunkiem odpromieniowania fali powierzchniowej z badanej powierzchni, przy którym wartość sygnału na przetworniku odbiorczym jest maksymalna. Zaletą urządzenia jest szybkie i dokładne wyznaczanie prędkości akustycznych fal powierzchniowych oraz zmian tej prędkości na powierzchniach płaskich ciał stałych. Ponadto konstrukcja urządzenia pozwala na wykonywanie pomiarów w różnych cieczach, dobranych odpowiednio do badanego materiału, a tym samym badanie większej ilości materiałów. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie z jedną soczewką akustyczną w widoku z boku, a fig. 2 przedstawia urządzenie z półsoczewką akustyczną złączoną trwale z soczewką akustyczną, także w widoku z boku. Urządzenie przedstawione na fig. 1 składa się z akustycznej cylindrycznej soczewki 1, zamocowanej przesuwnie wzdłuż i promieniowo po łuku kątomierza 10. Na płaskiej powierzchni soczewki 1 umieszczono piezoelektryczne przetworniki 2, służące do wytwarzania akustycznej fali podłużnej, oraz miniaturowy przetwornik odbiorczy 3 umieszczony dokładnie u ognisku 0' na osi soczewki 1. W celu przeprowadzenia pomiarów, urządzenie i badaną powierzchnię 9 zanurza się w cieczy 11 o znanej prędkości VL podłużnej fali akustycznej. Przetworniki 2, 3 zabezpieczone są przed kontaktem z cieczą 11 osłonką 12. Działanie urządzenia jest następujące: impuls akustycznej fali podłużnej wysłany oddzielnie lub jednocześnie z przetwornika 2, propaguje się w kierunku krzywizny soczewki 1. Impuls ten po przejściu granicy soczewki 1 i cieczy 11 staje się zbieżną falą 6 i skupia się w ognisku 0 leżącym na granicy cieczy 11 - powierzchnia 9, na przecięciu z normalną N. Według literatury przedmiotu, znaczna część mocy akustycznej fali 6, skupionej w ognisku liniowym 0 ulega przekształceniu w płaską akustyczną falę powierzchniową 8, 8' propagującą się w obie strony od ogniska liniowego 0. Akustyczne fale powierzchniowe 8, 8 ' na granicy cieczy 11 i
4 165 426 powierzchni 9 ponownie ulegają przekształceniu w niejednorodną, płaską akustyczną falą podłużną 7, 7' w cieczy 11. Niejednorodna wiązka to taka, z której amplituda fali nie ma jednakowej wartości w całym przekroju wiązki. Obrazuje to długość strzałek proporcjonalna do amplitudy fali 7, 7'. Kierunek i kąt 8 propagacji fali 7 względem normalnej N do powierzchni 9 określony jest zależnością: sin8 = VL/VR, gdzie V L jest znaną prędkością akustycznej fali podłużnej 6 oraz 7, 7' w cieczy 11, a VR badaną prędkością akustycznej fali powierzchniowej 8. 8'. Jeśli oś soczewki 1 ustawimy równolegle do wiązki 7 tak, że oś soczewki 1 z normalną N tworzy kąt 0, wówczas akustyczna fala podłużna 7 po wejściu do soczewki 1 skupi się w ognisku 0', a sygnał elektryczny na przetworniku odbiorczym 3 uzyska wartość maksymalną. Nieznaczne odchylenie od dokładnego ustalenia osi soczewki 1 od kierunku wiązki fali 7 powoduje to, że fala ta nie skupia się w ognisku 0'a sygnał na przetworniku odbiorczym 3 szybko znika. Dzięki temu wyznaczenie kąta 0 Jest bardzo precyzyjne a tym samym wyznaczenie prędkości sin 0 = V1/VR jest również precyzyjne. z zależności sin Pewną niedogodnością tego urządzenia jest to, że odległość ogniska 0' od krzywizny soczewki 1 zależna jest od stosunku prędkości fali podłużnej VLP w cieczy do prędkości fali podłużnej VL2 w materiale soczewki. Dla danej grubości soczewki 1 można stosować różne ciecze, lecz o stosunku VL1/ V L2 = const. Zwykle wchodzą w grę dwie ciecze: - woda lub roztwór wody z alkoholem etylowym do badania ciał nierozpuszczalnych w wodzie. - olej do badania ciał rozpuszczalnych w wodzie. W celu uniknięcia zakłóceń wywołanych falami odbitymi od ścianek soczewki 1, nacina się rowkami 5 a wzdłuż osi soczewki 1, od strony krzywizny, wykonuje się głęboką szczelinę 4. Jeszcze skuteczniejsze eliminowanie wpływu zakłóceń przez fale odbite uzyskano w urządzeniu przedstawionym na fig. 2. W urządzeniu tym połowa cylindrycznej soczewki 1 ' złączona jest poprzez warstwę blachy 13, wykonanej ze stali lub wolframu, z soczewką 1 '' układu odbiorczego. Blacha stalowa, a jeszcze korzystniej wolframowa, silnie odbija fale akustyczne, więc soczewka 1 '' jest izolowana od półsoczewki 1 '. Urządzenie według wynalazku może być stosowane do łatwego wyznaczania kierunku naprężeń, a także wyznaczania prędkości akustycznych fal powierzchniowych, w funkcji kierunku propagacji akustycznej fali powierzchniowej względem osi krystalograficznych badanego ciała stałego, a także innych osi określonych przez różne czynniki fizyczne powodujące anizotropię propagacji akustycznych fal powierzchniowych, na przykład naprężenia konstrukcyjne urządzeń i maszyn, naprężenia po obróbce, naprężenia po ogrzaniu.
165 426
165 426 FIG. 1 FIG. 2 D epartam ent W ydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł