超聲波脈沖回波技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料固態(tài)相變中磁性轉(zhuǎn)變行為的研究[2,3]。通?；诔暡}沖幅度的變化測定材料的聲衰減系數(shù)和彈性常數(shù)。以往僅在幾個頻率下進行相關(guān)測量的研究效果不佳。Paulo 等人采用寬頻探頭和數(shù)字頻譜分析技術(shù)對寬頻范圍內(nèi)磁性相轉(zhuǎn)變行為進行了連續(xù)測定。測試對象為單晶Cr-0.18at%Re合金，該合金在318K會發(fā)生由順磁性( Paramagnetic，PM)到反鐵磁性( Antiferromagnetic ,AFM)的磁相變。與純鉻類似，超聲波脈沖會引發(fā)AFM相的自旋密度波和彈性應(yīng)變的不穩(wěn)定，進而導致超聲波的衰減和粘滯性吸收。
實驗使用寬頻
IAP 50.2.1型傳感器，水浸方法，試樣規(guī)格為10mmx12mmx6mm的Cr-0.18at%Re單晶。譜分析的超聲波數(shù)據(jù)長度為1024點，采樣頻率為1GHz。水浴溫度以0. 5K/min的速率從315K升溫到324K。
由寬頻傳感器獲得的典型時域脈沖波形如圖11-1a所示，其頻域波形如圖
11-1b所示，圖中實線為入射波形及其頻譜，虛線為底面反射波形及其頻譜。由圖可見，脈沖波在傳播過程中，20~40MHz區(qū)間的聲波與介質(zhì)的交互作用較強烈；大于40MHz時，系統(tǒng)的響應(yīng)受限于接收器的帶寬，以及表面回波和底面回波部分重疊造成的影響。聲波傳播過程中存在聲波衍射問題，由圖11-1b可以看出，在低頻可能產(chǎn)生的衍射行為太弱，可以忽略不計。但對于波形發(fā)生重疊的回波，聲波衍射造成的影響則不可輕易忽略。在本研究中，準確捕獲衍射信息并非易事，由于采用了聚焦探頭，故而波形重疊的回波分析技術(shù)則顯得尤為重要。
圖11-2為不同溫度區(qū)間條件下，對應(yīng)PM、AFM和過渡組織等不同組織狀態(tài)回波信號的幅-頻曲線。每個組織狀態(tài)同時給出了三條曲線，以示檢測結(jié)果的可重復性。PM相的頻譜和表面回波(見圖11-1)的頻譜大致相似，但是大于20MHz后第二個峰值下降明顯；AFM相對應(yīng)的頻譜大體保留了表面回波頻譜的特征，整條譜線所有頻率對應(yīng)的幅值都下降了，表明PM和AFM兩相中脈沖超聲波的衰減并不強烈地依賴于頻率。對于過渡狀態(tài)的組織來說，聲波與介質(zhì)的交互作用最為強烈，以致于頻率高于20MHz后聲波幾乎全部被吸收。將超聲波回波頻譜作為溫度的函數(shù)，并將接收的脈沖幅值作為頻率和溫度的函數(shù)進行繪圖，結(jié)果如圖11-3所示。可以看到，在較高頻段、318K附近的幅值明顯下降。
圖11-4為超聲波回波頻譜中相應(yīng)頻率的面積與溫度的關(guān)系曲線，它從另一個側(cè)面表征了PM-AFM相轉(zhuǎn)變過程的相變行為。該特征表示法與單頻超聲波檢測法以及其他檢測技術(shù)相比更具特色，由圖可見，相轉(zhuǎn)變只發(fā)生在很短的溫度區(qū)間。
借助于相位譜處理技術(shù)得到的超聲波回波頻散曲線如圖11-5所示。觀察發(fā)現(xiàn)，在5 ~ 40MHz的區(qū)間內(nèi)，速度幾乎與頻率無關(guān)，相速度僅在有限的頻率范圍內(nèi)與頻率相關(guān)(見圖11-5, 10MHz時速度設(shè)置為0m/s)?？梢钥吹剑總€分圖都與個磁性相或組織相對應(yīng)，即它們分別對應(yīng)于不同的溫度區(qū)間，但都具有良好的重復性。
目前還沒有建立鉻合金中PM-AFM相轉(zhuǎn)變超聲波衰減的物理機制。與單頻檢測技術(shù)相比，超聲波頻譜分析技術(shù)有很多優(yōu)點。寬頻探頭頻譜分析只需一次測量就可以獲得連續(xù)頻率區(qū)域的信息。而單頻探頭則需多次測量才能獲得，且單頻技術(shù)局限于探頭的奇次諧振且需重新耦合，這就帶來了數(shù)據(jù)的分散性并難以用于相互對比。
PM相中的超聲波衰減要小于AFM相，這與文獻[6]用單頻多次測量的結(jié)果相符，與頻率幾乎沒有關(guān)系。在AFM相中較大的超聲波衰減應(yīng)該是由于磁疇所導致的結(jié)果。造成聲能損失的原因不應(yīng)簡單地用穩(wěn)態(tài)磁疇與脈沖聲波間的相互作用來解釋，實質(zhì)上應(yīng)以自旋密度波和振蕩彈性應(yīng)力的磁彈性耦合來解釋。Fawcett對此已給出了詳盡論述，本文不再贅述。
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