Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 18
1.1. Методы генерации и приема сверхкоротких акустических импульсов в твердых средах 18
1.2. Методы генерации и приема поверхностных акустических волн в твердых средах 39
2. Оптические приемники ультразвуковых сигналов на базе двухлучевого лазерного интерферометра 53
2.1. Технические характеристики двухлучевого лазерного интерферометра 57
2.2. Оптический приемник для регистрации акустических сигналов нано-и субнаносекундной длительности 79
2.3. Оптические приемники для регистрации поверхностных акустических волн 82
3. Оптическая генерация акустических импульсов 96
3.1. Оптическая генерация сверхкоротких акустических сигналов 96
3.2. Оптическая генерация ультразвуковых рэлеевских волн 115
4. Анализ результатов экспериментального исследования оптических методов генерации и приема ультразвуковых волн Рэлея 126
4.1. Экспериментальная установка 126
4.2. Исследование интерферометрического метода регистрации рэлеевских воли 129
4.3. Исследование лазерной генерации широкополосных сигналов волн Рэлея 135
4.4. Исследование лазерной генерации узкополосных сигналов волн Рэлея 152
5. Установка для прецизионных измерений скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн УВТ79-А -92 159
5.1. Назначение и основные метрологические характеристики установки высшей точности У ВТ 79 - А - 92 159
5.2. Принцип действия, структурная и оптическая схема установки 160
5.3. Методика измерения скорости распространения рэлеевских волн 168
5.4. Анализ погрешности измерения скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн 172
6. Исследование оптическими методами возможностей емкостного способа генерации и приема акустических сигналов 180
6.1. Емкостный приемник акустических сигналов с тонкопленочным диэлектриком 181
6.2. Генерация акустических сигналов емкостным методом 197
7. Развитие эталонной базы ультразвуковых измерений в твердых средах с использованием оптического и емкостного методов 210
7.1. Исходная установка для измерения скорости распространения ультразвуковых сдвиговых волн 210
7.2. Исходная установка для измерения затухания рэлеевских ультразвуковых волн 243
7.3. Исследование методов измерения затухания ультразвуковых сдвиговых волн для создания эталонной установки 257
Заключение 269
Список использованной литературы 277
Приложение «А» 297
- Оптический приемник для регистрации акустических сигналов нано-и субнаносекундной длительности
- Оптическая генерация сверхкоротких акустических сигналов
- Исследование лазерной генерации широкополосных сигналов волн Рэлея
- Анализ погрешности измерения скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн
Введение к работе
Акустические измерения в твердых средах находят широкое применение. В физике твердого тела с их помощью изучают фундаментальные свойства твердых тел: ангармонизм межатомного взаимодействия, структуру и свойства различных дефектов решетки, фазовые переходы, сверхпроводимость, магнитоуп-ругие и акусто-электрические эффекты и др. В комплексе наук о Земле акустические измерения используют в сейсмологии, сейсмической разведке, акустическом каротаже скважин и т.д. В технических приложениях наиболее обширная область применения акустических измерений в твердом теле относится к неразрушающим испытаниям конструкционных материалов. Эти измерения используются для обнаружения и оценки параметров дефектов, определения линейных размеров, структуры материалов и их физико-механических характеристик. В перечисленных областях применяются очень широкие диапазоны длин волн, что связано с различными пространственными масштабами изучаемых объектов и явлений; а также, амплитуд перемещений, что обусловлено большим разбросом энергетических >арактеристж источішков излучения [1-3,17].
Как и в любой области измерительной техники, при акустических измерениях в твердом теле актуальна проблема повышения точности. Точность определения параметров состояния зависит, прежде всего, от точности измерений информативных акустических величин, связанных с параметрами состояния функциональными или корреляционными зависимостями.
Так акустические методы широко применяются при определении упругих постоянных и модулей упругости - важнейших характеристик твердых тел. Последние являются расчетными параметрами в аналитическом аппарате физической теории деформации и разрушения твердого тела, базирующейся на современной теории дислокаций. Модули упругости входят во все уравнения механики твердого тела и служат основными параметрами в конструкторских расче-тах сооружений, машин и механизмов. В отличие от показателей реальной прочности твердого тела упругие постоянные и модули упругости относятся к
7 мало структурно чувствительным характеристикам. Например, сопротивление разрыву и удлинение легированной углеродистой стали в зависимости от структурных изменений, обусловленных операцией термической либо механо-термической обработки, могут изменяться почти на порядок; при этом нормальный модуль упругости изменяется на несколько процентов. И все-таки для модулей упругости квазиизотропных кристаллических тел, как ни для какого другого физического параметра твердых тел, характерны ненадежность и широкие пределы рассеяния экспериментальных значений, получаемых для одного и того же материала различными методами.
При неразрушающих испытаниях конструкционных материалов допустимые погрешности измерений составляют обычно единицы процентов. Однако имеются и такие области применения, где требования к погрешностям более жесткие. Так, при малой чувствительности акустических величин к изменению параметров состояния достоверные оценки последних требуют снижения погрешностей акустических измерений. Например, скорость распространения ультразвуковых колебаний /УЗКУ слабочувствительна к степени радиационного повреждения материала или к уровню действующих в нем механических напряжений. Существенные изменения указанных параметров состояния вызывают изменения скорости лишь на десятые доли процента. Поэтому достоверные суждения в этих случаях возможны при погрешностях акустических измерений порядка сотых долей процента и менее.
Воспроизведение единиц информативных параметров акустических величин для целей метрологического обеспечения этой области измерительной техники, также требует существенного снижения погрешностей измерений, чтобы компенсировать потери точности при передачи единиц по элементам поверочных схем. Таким образом, практические потребности выдвигают задачу снижения погрешностей акустических измерений в твердых телах до сотых или даже тысячных долей процента.
Традиционными широко распространенными методами в акустических измерениях являются контактные методы, использующие, как правило, пьезо-
8 электрические преобразователи. В этом случае измерительная схема представляет собой излучающий и приемный преобразователи, связанные с объектом контроля переходной средой, обеспечивающей акустический контакт. При этом принципиальным ограничением для увеличения точности измерений является влияние переходного слоя, существенным образом изменяющее амплитудно-фазовые характеристики акустических сигналов. В традиционных схемах измерений это влияние неустранимо и не поддается контролю; и как показывают оценки, значительно увеличивает погрешность измерений [4-6].
Исследования и накопленный опыт применения акустических методов измерения в фундаментальных и прикладных работах показывает, что дальнейший рост точности и достоверности измерений возможен только с введением в практику акустических измерений бесконтактных методов генерации и приема акустических сигналов с использованием для их обработки аппарата акустической спектроскопии и акустической голографии [7,8].
В настоящее время наиболее широко применяются импульсные методы измерений. Применение коротких акустических импульсов позволяет снизить за-f траты мощности, вводимой в объект, обеспечить широкую полосу частот повысить повторяемость результатов и точность измерений. Для уменьшения погрешностей измерений излучающие преобразователи должны обеспечивать высокую воспроизводимость генерируемых волновых пакетов, их минимальную длительность /до 10" с/, а также позволяют легко регулировать тип волны и параметры формы пакетов. Приемники УЗК должны иметь низкий порог чувствительности / до 10"14 м /, быть широкополосными и легко градуируемыми, вносить минимальные искажения в регистрируемый сигнал. Искажения могут быть обусловлены влиянием приемного преобразователя / ПП / на поле входных воздействий при установке его на объект, осреднением входного воздействия за счет соизмеримости размеров чувствительной зоны ПП с масштабом пространственной изменчивости поля, сложностями законов электромеханического преобразования в ПП. Стремление уменьшить эти искажения приводит к необхо-
9 димости "бесконтактности" и "точечности" измерений, упрощения соотношений между сигналами на входе и выходе 1111.
Известно большое число методов и средств возбуждения и приема УЗК в твердом теле. Однако многие из них плохо удовлетворяют некоторым из указанных требований, что и ограничивает точность измерений. Так, в акустических измерениях наибольшее применение нашли пьезоэлектрические преобразователи УЗК. Теоретически, минимальная длительность акустических импульсов, которые может излучать преобразователь, ограничивается временем установления поляризации, что составляет 10"10-10" с. На практике длительность этих импульсов ограничивается шероховатостью излучающей поверхности и составляет ~ 2*10'9 с. Кроме того, пьезопреобразователи являются резонансными системами, и при попадании собственной частоты преобразователя в спектр возбуждающего электрического импульса, длительность акустического импульса резко возрастает. Для устранения этого явления необходимо резонансную частоту преобразователя вывести выше верхней границы возбуждающих частот, что иногда довольно сложно обеспечить, Так, для частот более 10 МГц требуется пьезопластина толщиной менее 0,08 мм, а это усложняет технологию изготовления и конструкцию преобразователя, снижает его надежность.
Приемные пьезопреобразователи имеют высокую чувствительность, просты и компактны. Теоретический порог чувствительности такого 1111, нагруженного на твердое тело, в режиме холостого хода достигает 2*10"14 см. Однако из-за своих резонансных свойств, сильного влияния акустического контакта, сложности и плохой воспроизводимости передаточных характеристик ПП не пригодны для прецизионных измерений.
Кроме того, измерительная схема с пьезопреобразователями представляет собой излучатель и приемник, связанные с объектом контроля переходной средой, влияние которой на аплитудно-фазовые характеристики акустических сигналов приводит к снижению точности измерений [4-6].
В последние время все шире стали применяться оптические методы возбуждения и приема акустических колебаний. К числу достоинств этих методов
10 относятся возможность возбуждения акустических волновых пакетов длитель-
1 *) 1 "У ностью до 10" с, что соответствует частотам до 10 Гц, бесконтактность и дистанциошюсть, возможность формирования практически любой конфигурации и размера светового пятна на поверхности исследуемого объекта. При приеме УЗК оптические методы практически безынерционны, не требуют акустического контакта с исследуемым объектом, позволяют сузить область измерений до единиц микрометров, обладают достаточной чувствительностью, не требуют градуировки, обеспечивают высокую воспроизводимость результатов.
Несомненными достоинствами при возбуждении и регистрации акустических колебаний в твердых средах обладает и емкостный метод. Соответствующие преобразователи бесконтактны, широкополосны, обладают высокой чувствительностью, просты в расчете, изготовлении и аттестации. При этом лазерные методы генерации и приема ультразвуковых акустических сигналов являются уникальным "инструментом" исследования емкостного метода.
Реализации положительных качеств указанных методов были посвящены теоретические и экспериментальные работы, начатые во ВНИИФТИ "Дальст-андарт" в 1971 году [9]. Для оптических методов необходимо было изучить механизмы возбуждения лазерным излучение акустических волн в твердых средах, способы снижения порога чувствительности при измерениях и длительности возбуждающих импульсов, стабилизации амплитудно-временных параметров лазерного излучения и т.д. Для емкостных методов необходимо было разработать электроды с тонкопленочным диэлектриком, исследовать свойства преобразователей с тонкопленочным электродом: электрическую прочность, временную и температурную стабильность, порог чувствительности, эффективность преобразования электрической энергии в акустическую и т.д.
В результате проведенных исследований были созданы лазерные измерительные технологии и измерительные технологии с применением емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком. При этом были разработаны методы достижения наивысших значений технических характеристик приемников ультразвуковых волн: лазерного интерферометра и емкостного датчи- ка с тонкопленочным диэлектриком. Изучены механизмы возбуждения и выявлены оптимальные режимы генерации продольных, сдвиговых и поверхностных волн. На базе акустических приемников созданы устройства для измерения колебаний и перемещений в широкой полосе частот с предельно низким порогом чувствительности близким, а на основе моноимпульсных твердотельных лазеров созданы генераторы акустических волн, позволяющие возбуждать короткие и сверхкороткие акустические импульсы различных типов волн со стабильными амплитудно-временными характеристиками, управлять формой волны. Созданы методики измерения параметров распространения акустических волн: скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн; коэффициента затухания продольных волн; дисперсии скорости и затухания и т.д.
Созданный теоретический и экспериментальный задел позволил заложить основы метрологического обеспечения акустических измерений в твердых сре дах, включающие в себя создание ряда установок высшей точности - У ВТ, ра- т бочих эталонов высших разрядов - РЭ, разработку системы передачи размеров единиц физических величин (скорости, затухания) от УВТ рабочим средствам измерений - Рекомендаций по метрологии (МИ).
Перечень созданных эталонных установок и разработанных Рекомендаций приведен ниже.
1. УВТ 39-А-86. Установка высшей точности для хранения и воспроизве- ф дения единицы скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердых средах.
МИ 2055-90. ГСИ. Государственная поверочная схема для СИ скорости распространения продольных УЗ - волн в твердых средах.
2. УВТ 73-А-91. Установка высшей точности для хранения и воспроизве дения единицы коэффициента затухания продольных ультразвуковых колеба- ^, ний в твердых средах.
МИ 2163-91. ГСИ. Государственная поверочная схема для СИ ко- эффициента затухания продольных УЗ - колебаний в твердых средах.
3. У ВТ 79-А-92. Установка высшей точности для хранения и воспроизве дения единицы скорости распространения УЗ рэлеевских волн в твердых сре дах. ^, МИ 2227 - 92. ГСИ. Государственная поверочная схема для СИ скорости распространения УЗ рэлеевских волн в твердых средах.
4. Рабочий эталон 2-го разряда (ИЗУ-1) для измерения коэффициента за тухания и скорости распространения продольных УЗ колебаний.
5. Рабочий эталон 2-го разряда (ИВАХ-1) для аттестации преобразовате лей акустической эмиссии. * После распада СССР ВНИИФТИ "Дальстандарт" является единственным метрологическим центром в России, обеспечивающим единство акустических измерений в твердых средах.
Дальнейшее развитие метрологической базы "Дальстандарта1' связано с соз данием Государственного специального эталонного комплекса для воспроизве дения скоростей распространения и коэффициентов затухания объемных и по- г верхностных ультразвуковых волн, работы над которым вступили в завершаю- щую стадию.
Первыми эталонными установками, созданными во ВНИИФТИ "Дальст андарт", были установки для воспроизведения единиц скорости распростране ния и коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в металлах. В дальнейшем решались следующие задачи: 4ь 1. Исследовались лазерные методы генерации и приема сверхкоротких импульсов (СКАИ) продольных акустических волн с целью расширения частотного диапазона измерений акустических характеристик твердых сред и создания задела для исследования параметров распространения поверхностных акустических волн (ПАВ).
2. Исследовались лазерные методы генерации и приема ПАВ в диапазоне ь частот (О-І О9) Гц, результатом чего явилось создание эталонной установки для воспроизведения единицы скорости распространения рэлеевских ультразвуковых волн.
13 3. Исследовались возможности емкостного метода с использованием ем костных преобразователей с тонко пленочным диэлектриком для создания эта лонных и высокоточных рабочих средств. ., 4. Исследовались возможности лазерных измерительных технологий и из- мерительных технологий на базе емкостного метода с целью их применения для создания установок, обеспечивающих измерение скорости распространения сдвиговых волн и коэффициента затухания сдвиговых и рэлеевских волн.
Проведенные исследования являются содержанием представленной диссертационной работы.
Цель исследовании: -создание теоретического и экспериментального задела для разработки средств генерации и приема сигналов объемных и поверхностных акустических волн в твердых средах и диапазоне частот (0-109) Гц; -создание эталонной базы для средств измерений скоростей распростране ния и коэффициентов затухания объемных и поверхностных ультразвуковых г волн в твердых средах; -исследование емкостного метода генерации и приема акустических сигналов и создание на его базе эталонных и высокоточных средств измерений.
В рамках работы представлены:
Аналитический обзор методов генерации и приема сверхкоротких им пульсов (СКАИ) продольных и ультразвуковых поверхностных (ПАВ) акусти-
Щ ческих волн - Глава 1.
Оптические приемники для регистрации сигналов объемных и поверхностных акустических волн - Глава 2;
Оптическая генерация акустических сигналов объемных и поверхностных акустических волн - Глава 3;
Результаты экспериментального исследования методов генерации и |w приема ультразвуковых волн Рэлея - Глава 4;
Установка для прецизионных измерений скорости распространения ульт развуковых рэлеевских волн (УВТ 79-А-92) - Глава 5;
Широкополосные емкостные преобразователи с тонкопленочным диэлек триком - Глава 6;
Оптические и емкостные методы для развития эталонной базы ультра- жа звуковых измерений в твердых средах - Глава 7.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [42,71,75,83-88,90,112-114,151-157,121-122,127,133-139,185,188-189,190-195]. Материалы исследований по теме диссертации изложены в шести научно - технических отчетах и докладывались на научно-технической конференции "Метрологиче-ское обеспечение средств неразрушающего контроля на основе акустической эмиссии и пути ускорения их внедрения на предприятиях края" (Хабаровск, 1983); Всесоюзных конференциях "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1984, 1987); IV Международной конференции "Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль" (Москва, 1998); 1,2,3-ем Всероссийских научно - технических семинарах "Метрологическое обеспечение НК" (Москва, 1999,2000,2001); Всерос- ^ списком научно-техническом семинаре "Метрологическое обеспечение НК" (Москва, ВИИОФИ, 2002); XVI Российской научно - технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Санкт-Петербург,2002); 2 и 3-ей Региональных конференциях "Фундаментальные и прикладные исследования, образование" (Хабаровск, ХГТУ, 2001,2002); Международной научной конференции "Фундаментальные и прикладные вопросы механики" (Хабаровск,
Чр ХГТУ, 2003); Дальневосточном инновационном форуме-2003 "Роль науки, но- вой техники, и технологий в экономическом развитии регионов" (Хаба-ровск,2003); Всероссийских симпозиумах "Сейсмоакустика переходных зон" (Владивосток, ТОЙ ДВО РАН, 2001,2003); VIII Международной научно-технической конференции "Современные методы и средства океанологических исследований" (Москва,2003). ф Результаты исследований вошли в состав конкурсной работы "Создание ос- нов научной и экспериментальной базы для метрологического обеспечения акустических методов неразрушающего контроля", ставшей лауреатом Между-
15 народного конкурса и удостоенной медали "W,K.Roentgen-C^,CoKonoBM в 2002 году за достижения в области НК.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Использование при разработке оптического приемника равноплечего (равенство плеч с точностью < 50 мкм) двухлучевого лазерного интерферометра для снижения частотных шумов; высокочастотных фотодиодов в качестве фотоприемников для снижения дробовых шумов; одночастотного лазера в качестве источника излучения в двухлучевом интерферометре и компенсационной схемы приема для снижения интенсивных шумов лазера; системы стабилизации рабочей точки интерферометра для снижения влияния тепловых деформаций и вредных акустических шумов позволяет создать на базе двухлучевого лазерного интерферометра оптический приемник для регистрации ОАВ в полосе частот (0-10 )Гц с предельно низким порого.ч чувствительности, спектральная плотность которого ~1,5-10~14 м/Гц1/2,
Минимизация размеров приемной зоны оптического приемника ультразвуковых сигналов на основе двухлучевого лазерного интерферометра за счет фокусировки лазерного излучения в его рабочем плече позволяет обеспечить полосу воспроизведения частот при регистрации ПАВ (0-109)Гц.
Разработанные модификации интерферометра Майкельсона обеспечивают возможность создания двухканалъных широкополосных оптических приемников ПАВ с порогом чувствительности ~2'Ш м/Гц , близким к теоретическому ~ КГ15 м/Гцш.
А. Использование при создании генератора сверхкоротких импульсов продольных акустических волн: - в качестве генератора сверхкоротких световых импульсов (СКИ) твердо тельного лазера на рубине, работающего в режиме активной синхронизации мод; - в качестве объекта, в котором возбуждаются акустические сигналы, образца из слабопоглощающего материала (например, кварца) с нанесенной на его поверхность пленкой позволяет создать генератор сверхкоротких акустических импульсов со стабильными (10 %) амплитудно-временными характеристиками.
5. Использование твердотельного моноимпульсного лазера, работающего в режиме модулированной добротности, в сочетании с предложенными способами формирования оптико-акустического источника позволяет создать оптические генераторы широкополосных и узкополосных (с перестраиваемой частотой) сигналов рэлеевских волн со стабильными (10 %) амплитудно-временными характеристиками в диапазоне частот (0-30) МГц.
6 .Применение в измерительной установке оптического генератора рэлеевских волн на базе твердотельного моноимпульсного лазера и оптического приемника ПАВ на базе двухканального модифицированного интерферометра Майкельсона в сочетании с разработанной методикой измерений обеспечивают наивысшую точность измерений скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн в твердых средах с относительной погрешностью не более 1-W4.
7. Исследования емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектри ком доказывают возможность их использования для создания эталонных уста новок и высокоточных рабочих средств измерений акустических параметровФ твердых сред.
7.1. Впервые разработанные емкостные преобразователи с тонкопленочны ми диэлектриками позволяют создать емкостные генераторы и приемники акустических сигналов с высокими и стабильными во времени техническими характеристиками.
7.2. Использование в качестве диэлектрика тонкой пленки AI2O3 с относи- ^ тельной диэлектрической проницаемостью ~8,0, позволяет увеличить чувст вительность и снизить порог чувствительности емкостного приемника до~/0 В/м и 2,5' 10' м/Гц соответственно и повысить эффективность пре-
17 образования электрической энергии в акустическую при емкостном возбуждении до 102-10'3.
8. Разработанные оптические и емкостные методы и средства, обеспечивающие высокую точность и широкий частотный диапазон измерений, являются наиболее перспективными для развития и совершенствования метрологического обеспечения акустических измерений в твердом теле, в частности, для создания эталонных средств измерений скорости распространения сдвиговых волн, коэффициентов затухания ультразвуковых сдвиговых и рэлеевских воли.
Оптический приемник для регистрации акустических сигналов нано-и субнаносекундной длительности
Как уже отмечалось выше, существенным недостатком магнитостриционно-го и пьезоэлектрического методов является то, что преобразователи, выполненные на их базе, представляют собой резонансные системы, имеющие преимущественное применение для возбуждения и регистрации монохроматических акустических волн и малопригодные для воспроизведения ультракоротких акустических импульсов, в то время как импульсные методы измерения в настоящее время применяются наиболее широко. Это объясняется тем, что применение коротких акустических импульсов позволяет снизить затраты мощности, вводимой в объект, обеспечить широкую полосу частот, повысить повторяемость результатов и повысить точность измерений.
Для уменьшения погрешностей измерений излучающие преобразователи должны обеспечивать высокую воспроизводимость генерируемых волновых пакетов, их минимальную длительность (до 10 с), а также позволять легко регулировать тип волны и параметры волновых пакетов. Приемники УЗК должны иметь низкий порог чувствительности, быть широкополосными, легко калибруемыми, вносить минимальные искажения в регистрируемый сигнал. Искажения же могут быть обусловлены влиянием приемного преобразователя (ПП) на поле входных воздействий при установке его на объект, осреднением входного воздействия за счет соизмеримости чувствительной зоны ПП с масштабом пространственной неоднородности поля, сложностями законов механоэлектриче-ского преобразования в ПП. Стремление исключить эти искажения приводит к необходимости устранения контакта между объектом и ПП (бесконтактность), «точечности» измерений, упрощения соотношения между сигналами на входе и выходе ПП.
Как видно из табл. 1.1., составленной по материалам разделов 1.1-1.4., наиболее перспективным для реализации импульсных методов измерений являются оптический и емкостный методы возбуждения и регистрации акустических волн. Приемные преобразователи, созданные на их базе, широкополосные (1012 Гц), обладают высокой чувствительностью (10 В/м) и низким порогом чувствительности (10"t5 м/Гц1/2). При измерениях между ПП и объектом отсутствует контакт и легко осуществляется «точечный» прием.
При возбуждении акустических волн достигается высокая эффективность преобразования оптической и электрической энергии в акустическую (1-7)- 10 4 и легко осуществляется генерация необходимого типа волны и формируются параметры волновых пакетов.
Оптический и емкостный метод представляются конкурирующими методами. Поэтому в последующих главах дается подробный анализ технических и эксплуатационных характеристик оптического и емкостного методов с целью выявления наиболее перспективного и высокоточного метода для акустических измерений в твердых средах с использованием сверхкоротких акустических импульсов. 1.2. Методы генерации и приема поверхностных акустических волн в твердых средах.
Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят самое широкое применение в различных областях науки и техники: в ультразвуковом (УЗ) неразру-шающем контроле качества материалов и изделий, что позволило обеспечить его универсальность и доминирующее место среди других методов неразру-тающего контроля; в акустоэлектронике при создании различных твердотельных устройств для обработки информации; в экспериментальной акустике и физике твердого тела в качестве «инструмента» для исследования свойств поверхности и поверхностных слоев. Диапазон частот используемых поверхностных волн и выбор их типа зависит от решаемой задачи. Так, в УЗ неразрушаю-щем контроле применяются, главным образом, частоты в диапазоне (1 25) МГц. Основу акустоэлектроники составляют поверхностные волны в кристаллах с частотами (10бч-10ш) Гц.
Основным и наиболее часто используемым на практике типом ПАВ являются волны Рэлея [30], распространяющиеся вдоль поверхности упругого изотропного полупространства. Это обусловлено прежде всего тем, что такие информативные параметры, как скорость, затухание, дисперсия скорости и затухания, рэлеевской волны неразрывно связаны с физико-механическими характеристиками поверхностного слоя материала, в котором она распространяется. Привлекают внимание также такие свойства ПАВ Рэлея, как поверхностная локализация волны в слое толщиной (1-2) Лд, где XR - длина рэлеевской волны, доступность сигнала для контроля в любой точке поверхности, более медленное, чем в случае объемных воли, затухание с расстоянием амплитуды волны (пропорционально г 1 2), в результате чего рэлеевские волны могут распространяться на значительные расстояния [30].
Методы возбуждения и регистрации ПАВ Рэлея в твердом теле можно разделить на две основные группы: контактные и бесконтактные. При контактных методах, основанных на применении пьезоэлектрического эффекта, трансфер # мация энергии совершается в активном элементе, отделенном от объекта контроля, а передача энергии от активного элемента к объекту контроля и обратно осуществляется с помощью контактной среды. При этом УЗ преобразователи имеют механический и акустический контакт с поверхностью материала, При бесконтактных методах возбуждения УЗ колебаний преобразование того или иного вида энергии в акустическую происходит в самом объекте контроля, а возбуждение и регистрация УЗ поверхностных волн осуществляются без непосредственного акустического контакта преобразователя с поверхностью исследуемого тела (в том числе и дистанционно) [32].
Контактные методы возбуждения и регистрации рэлеевских волн Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) используются в практике УЗ измерений наиболее широко. Они достаточно просты, компактны, обладают высоким коэффициентом преобразования при излучении и приеме УЗ колебаний [15]. Для возбуждения и приема УЗ рэлеевских волн существует ряд методов [30,31 ], которые основаны на применении прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэффект используют для излучения акустических колебаний, а прямой — для их приема.
Оптическая генерация сверхкоротких акустических сигналов
Излучение лазера 1 типа ЛГ-38 через электрооптический модулятор 2 направлялось через светоделительную пластину 3 на фотоприемники 10 и 4. Электрический сигнал с выхода фотоприемника 10 через широкополосный усилитель 9 и интегрирующий усилитель 8 поступал на модулятор 2. Фотоприемник 4 осциллограф 5 типа С1-49, измерительный усилитель 6 типа У2-6 и микровольтметр 7 типа В6-1 служили для регистрации шумов лазерного излучения. На модулятор 2 подавалось постоянное напряжение смещения С/о, соответствующее пятидесятипроцентному его пропусканию. В этом случае электрическая цепь фотоприемник 10 - широкополосный усилитель 9 - интегрирующий усилитель 8 - модулятор 2 представляла собой систему отрицательной обратной связи (ОС), сглаживающую пульсации мощности лазерного излучения на выходе модулятора. В качестве модулятора 2 использовался электрооптический модулятор ОЛМШ-100 на кристалле КДП с полосой пропускания 100 МГц. Экспериментальная проверка амплитудно-частотных характеристик нескольких модуляторов этого типа показала, что все они обладают резонансом в частотном диапазоне 600-630 кГц, что накладывает ограничение на частоту среза Fc амплитудно-частотной характеристики разомкнутой цепи ОС, и она выбирается вдвое меньше резонансной частоты (Fc = 300 кГц) для обеспечения запаса устойчивости системы с ОС. В качестве широкополосного усилителя использовался усилитель вертикального отклонения осциллографа О-15 с полосой 0-1 МГц; в качестве фотоприемника 4 - фотодиод ФД-9ЭП1 с полосой пропускания 10 МГц, работающий с отрицательньм смещением. Интсфирующий усилитель 8 был вьшолнен на малой іумяі цих полевых транзисторах КП303Г с интефирующей цепочкой на выходе. Амплитуда шумов усилителя, приведенных ко входу, составляла-1.6- 10 В/Гц12. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи ЯГобрашой связи представлена на рис.2.2.6, а спектральное распределение шумов лазерного излучения на входе и на выходе модулятора -на рис23з (кривая 1 и 2 ахлБетственно). Снижение пулкаций мощности в 20 раз в полосе частот 0-15 кГц было достигнуто при постоянной времени интегрирования 0,013 мс. Относительные флуктуации мощности лазера в полосе частот 0-1 МГц не превышали 5 10". При этом порог чувствительности интерферометра, определяемый интенсивностными шумами лазера Л1[ - pxjln , где /5 -относительные флуктуации мощности лазера или относительные флуктуации тока или напряжения на выходе фотоприемника, Я - длина световой волны, в полосе 1 Гц, составлял 5-10 13 м/Гц1/2.
Метод компенсационного приема [75]. На рис.23 представлена структурная схема компенсационного приема Лазер 1 типа ЛГ-38 освещал двухлучевой интерферометр, состоящий из све-тоделительной пластины 3, опорного зеркала 2 и исследуемого объекта 4. Прошедший через интерферометр луч фокусировался на фотодиод 6, а отраженный через поворотную призму 9 - на фотодиод 7. На входном сопротивлении осциллографа или измерительного усилителя R3 электрические сигналы сравнивались между собой. При этом напряжения от постоянной составляющей фототока и шума, выделяемые на сопротивлениях Rj и R2, имели одинаковую полярность и при сравнении компенсировались. Напряжения полезного сигнала, выделяемые на этих сопротивлениях, имело разную полярность в силу того, что при колебании исследуемого объекта 4 интенсивности интерференционных картин в прошедшем и отраженном свете изменяются в противофазе, и при сравнении амплитуда полезного сигнала удваивалась. Для эффективного подавления шумов необходимо использовались фотодиоды с одинаковыми характеристиками, идентичным монтажом и равными сопротивлениями нагрузки R] и R2. Кроме этого, необходимо было фокусировать весь световой поток на светочувствительный слой фотодиода в связи с тем, что флуктуации интенсивности по сечению лазерного пучка неравномерны. Для фокусировки служили собирающие линзы 5 с фокусным расстоянием 5 см, стоящие в обоих плечах измерительной схемы. Точное уравнивание светового потока, падающего на фотодиоды 6 и 7, осуществлялось поворотом стеклянной пластины 8. В эксперименте относительные шумы в полосе частот 0-1 МГц составляли 2 -10"4, что соответствует спектральной плотности порога чувствительности интерферометра Л/„ =2-10-14 м/Гц1/2.
Предельный порог чувствительности интерферометра при компенсационном приеме определяется тепловыми шумами сопротивлений R\ и #2 и дробовыми шумами фотодиодов 6 и 7. Относительное среднеквадратическое значение теплового UTJUQ И дробового Aidpfia шумов в полосе частот д/" вычисляется по формулам где ІІ2, U{ - комплексные значения напряжений на R2 и Rs\ Uco - значений спектральной плотности шумов при Ф - 0 (рис. 2.2 (в) кривая 1); Щ - падение напряжения на R2 , Л Т - различие в постоянных времени приемных каналов компенсационной схемы; A = R(p/R2 - отношение внутреннего сопротивления фотодиодов и нагрузки; сов- верхняя частота измерения. С учетом влияния этих факторов при Komp = 5%, аа- 2ті-106Гц, А р = 0,1 град., UQ = 5 10"2 В, AT - 0,3 -10 8 с, А 104 порог чувствительности интерферометра соответствует 1,5 -10 14 м/Гц/2, что хорошо согласуется с экспериментальным значением Л12и =2 "Ю"им/Гц1/2. Экспериментальное исследование порога чувствительности двухлучевого интерферометра показало, что методом компенсационного приема можно почти полностью устранить влияние шумов в полосе до 1,0 МГц, связанных с флуктуациями мощности лазера, и приблизить порог чувствительности к предельному. Однако, использование компенсационной схемы для регистрации акустических импульсов на частотах свыше 10 Гц встречает значительные трудности. В этой полосе частот основным препятствием к достижению низкого порога чувствительности являются интенсивностные шумы лазера, связанные с много-частотным режимом излучения лазера.
Исследование лазерной генерации широкополосных сигналов волн Рэлея
Проведенные исследования показали возможность применения полупроводниковых лазеров в интерферометрических устройствах. Для этого необходимо принять все меры для подавления влияния частотных шумов лазера. Однако для достижения предельного порога чувствительности оптического приемника УЗ наиболее предпочтительным вариантом является применение одномодовых гелий-неоновых лазеров.
Двухканальные интерференционные приемники ПАВ В практике акустических измерений существует ряд задач, требующих регистрации УЗ сигналов в двух различных точках поверхности исследуемого образца, например, при измерениях скорости и затухания поверхностных акустических волн. При этом ПАВ могут регистрироваться либо одним приемником, который последовательно перемещается да одной точки поверхности в другую, либо с помощью двух приемников, расположенных на заданном расстоянии. Первый метод требует обеспечения высокой воспроизводимости характеристик как генератора, так и приемника ПАВ, а также удваивает объем измерений. Второй метод требует идентичности характеристик двух приемников ПАВ или высокой точности их взаимной калибровки.
Для проведения измерений акустических параметров материалов были разработаны оптические приемники ПАВ, имеющие два приемных канала, с диапазоном частот до 50 МГц и порогом чувствительности, близким к предельному. При этом реализованы две принципиальные схемы такого приемника: на основе двух связанных по обычных (одноканальных) интерферометров, освещаемых общим лазером, и на основе разработанного нового типа двухканального лазерного интерферометрического приемника, созданного на основе модификации интерферометра Майкельсона.
Двухканальный приемник ПАВ на базе двух интерферометров. Двухканальный оптический приемник ПАВ данного типа состоит из двух связанных по фазе интерферометров (рис. 2.11.), освещаемых общим лазером. Оптическая схема приемника (рис. 5.1) и его конструктивное исполнение (рис. 5.2) приведены в пятой главе . Источником освещения интерферометров служит гелий-неоновый лазер 1 типа ЛГ-79/1 мощностью 15 мВт. Излучение лазера проходит через диафрагму 2 и направляется на систему деления лазерного луча, образованную светоделительным зеркалом 3 и зеркалом 4, где расщепляется на два связанных по фазе лазерных пучка с заданными интенсивностями, которые поступают на равноплечие двухлучевые оптические интерферометры, собранные по схеме Майкельсона. Каждый из интерферометров образован свето делительным диэлектрическим зеркалом 5 и опорным зеркалом б, установленным на управляющем его положением пьезокерамическом элементе, который используется для настройки и стабилизации рабочей точки интерферометра. Вторым зеркалом служит полированная поверхность образца 7. Зондирующие лучи в интерферометрах фокусируются на поверхности образца с помощью короткофокусных (F==+30 мм) линз 8. Эффективный диаметр зоны приема составляет 20 мкм. На выходе интерферометров лазерные пучки направляются с помощью призм 9-11 через фокусирующие линзы 12,13 на фотодиоды дифференциального фотоприемника ФП-1 14. Для контроля рабочей точки 1-го интерферометра используется отраженное от передней грани призмы 11 излучение, которое с помощью зеркала 15 попадает на фотодиод 16. Оптическая приемная схема собрана таким образом, чтобы оптические длины путей обоих лазерных лучей после деления на зеркале 3 были равны между собой для минимизаций набега разности фаз.
В приемнике применен новый вариант компенсационной схемы подавления интенсивностных шумов лазера. Интерференционные картины (обе в прошедшем свете) от двух интерферометров направляются на дифференциальный фотоприемник. Так как оба сигнала синфазны (общий лазер и равные длины оптических кутей), то на общем нагрузочном сопротивлении фотодиодов фотоприемника происходит вычитание интенсивностных шумов лазера и постоянных составляющих фототоков, что позволяет снизить порог чувствительности интерферометров более чем в 20 раз. В то же время полезные сигналы, разделенные определенным временным интервалом TR компенсироваться не будут. Кроме того, данная схема фоторегистрации позволяет объединить на выходе фотоприемника полезные сигналы от двух разных интерферометров, обеспечив их дальнейшее прохождение по одному общему электрическому тракту, и исключить тем самым процедуру учета трудноконтролируемых временных и фазовых задержек, возможных при использовании раздельных приемо-усилительных трактов. Технические характеристики оптического приемника в таблице 2,4.
Двухканальные приемники ПАВ на базе одного интерферометра Двухканальные оптические приемники ПАВ данного типа построены на основе одного интерферометра. Особенностью такого интерферометра является исключение из его схемы отдельного опорного плеча - каждое из 2-х плеч интерферометра выполняет функции и опорного и измерительного. При этом должны выполняться следующие обязательные условия: раздельный (во времени) приход регистрируемых акустических сигналов в точки приема; разность оптических длин плеч не должна превышать 10 5 м для достижения предельного порога чувствительности интерферометра; обеспечение возможности настройки и контроля рабочей точки интерферометра. Разработаны две принципиальные оптические схемы: такого интерферометра, показанные на рис. 2.12.
Интерферометр на рис. 2,12 построен на основе классической схемы интерферометра Майкельсона. Луч лазера 1 расщепляется светоделительной пластаной 2. В одном из плеч интерферометра помещается поворотное зеркало 3, направляющее световой пучок на поверхность образца 7, а в другом плече световой пучок проходит через линию оптической задержки (ЛОЗ) для компенсации разности оптических длин плеч. ЛОЗ может быть выполнена на основе 2-х призм или зеркал 4, Одна из призм устанавливается на пьезокерамическом элементе 5 для настройки рабочей точки интерферометра. Для минимизации размеров зон приема на поверхности образца используются короткофокусные линзы 6. Сигнал на выходе интерферометра регистрируется фотоприемником 8.
В интерферометре на рис, 2.12 применена принципиально новая схема деления светового пучка с помощью светоделительного кубика 9, развернутого на угол 45 относительно его обычного положения в интерферометре.
Следует отметить, что данная схема деления светового пучка может использоваться и в обычном (одноканальном) интерферометре. Преимущество данной схемы заключается в том, что она обеспечивает симметричность оптических плеч интерферометра и простоту уравнивания их длин, отсутствие отражения светового луча от граней кубика в направлении источника света, возможность оперативной перестройки акустической базы приемника в широких пределах. Одно или оба поворотных зеркала 3 устанавливаются на пьезокерамическом элементе 5 для настройки и поддержания рабочей точки интерферометра. Во втором варианте пьезокерамические элементы должны быть электрически подключены в противофазе, при этом для изменения разности хода лучей требуется вдвое меньшее управляющее напряжение.
Анализ погрешности измерения скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн
Давно уже было обращено внимание и на перспективность использования сверхкоротких лазерных импульсов для генерации сверхкоротких акустических возмущений. Первые результаты по возбуждению сверхкоротких акустических импульсов лазерным излучением были получены в начале 60-х годов.
Как было показано в работе [91], мгновенный поверхностный нагрев материала повторяющимися мощными пикосекундными импульсами лазера может привести к генерации ударных звуковых волн с весьма короткой длительностью. Было рассчитано в [92], что тепловые градиенты, возникающие при поглощении импульса типичного рубинового лазера с модуляцией добротности, могут достигать 106 град/см при скорости изменения температуры 10й град/сек.
Исчерпывающие исследования вопроса о мгновенном поверхностном нагреве провел Уайт [93]. Он показал, что эффективность преобразования света в звук линейно зависит от плотности пиковой мощности падающего излучения и обратно пропорционально первой степени звуковой частоты. Следовательно, можно было ожидать, что повторяющиеся пикосекундные импульсы лазера с высокой пиковой мощностью могут генерировать ударные звуковые волны с частотами составляющих вплоть до гиперзвука [91].
Эксперимент ставился следующим образом. Выходные импульсы регенеративного лазера на неодимовом стекле с частотой повторения 200 МГц, длительностью 10" - 10" сек и средней энергией на каждый пикосекундный импульс 1 мДж облучали металлическую пленку, напыленную на торец стержня LiNbCh. Полная импульсная последовательность содержала от 100 до 150 отдельных импульсов, и длительность ее составляла от 0,4 до 0,6 мкс. При комнатной температуре было обнаружено наличие эхо-сигналов на 15-й гармонике, т.е. на частоте 3 ГГц. Эксперимент не только позволил получить сигналы с дискретной последовательностью звуковых частот, простирающихся в область гиперзвука, но и послужил доказательством возможности генерации сверхкоротких акустических импульсов с помощью сверхкоротких импульсов света.
И хотя это положение было высказано давно, только в последнее время удалось экспериментально получить акустические импульсы в пикосекундном диапазоне. Сначала в работе [94] была реализована генерация акустических импульсов длительностью 1 не, а затем в работе [95] были зарегистрированы когерентные импульсы деформации длительностью 100 пс. Не останавливаясь подробно на описании указанных выше работ, следует отметить их существенный недостаток: прием акустических сигналов в эксперименте осуществлялся резонансными приемниками, которые не позволили исследовать истинную форму акустических сигналов, а их амплитудно-временные параметры воспроизводились с некоторой вероятностью т.е. были не стабильными, что затрудняло их использование в метрологических целях. Развитие техники оптической генерации и детектирования сверхкоротких акустических импульсов потребовало теоретического осмысления полученных результатов. Этому были посвящены работы [96,97].
Уже первые результаты теоретических и экспериментальных работ по лазерному возбуждению сверхкоротких акустических сигналов убедительно показывали его преимущества перед другими методами. Его специфические свойства: высокая эффективность возбуждения, бесконтактность и широкополсность, возможность формировать нужную диаграмму направленности акустического излучения с одной стороны; а также расширение номенклатуры серийно выпускаемых лазеров, их совершенствование и удешевление с другой стороны, делает лазерный метод возбуждения особенно перспективным.
Для создания генератора сверхкоротких акустических импульсов в классическую схему генератора наносекундных импульсов [98] следует внести следующие изменения. Во-первых, в качестве генератора сверхкоротких оптических импульсов следует использовать оптический генератор, работающий в режиме синхронизации мод. Во-вторых, эксперимент следует проводить при низких температурах, так как при обычных температурах звуковые волны гигагерцевого диапазона сильна затухают при нелинейном взаимодействии с тепловыми колебаниями решетки [99,100]. В-третьих, следует исключить использование проводников для преобразования сверхкоротких лазерных импульсов в акустические из-за сильного поглощения высокочастотных составляющих акустических импульсов свободными носителями заряда, а также из-за высокой электронной теплопроводности при низких температурах. Действительно, пространственная протяженность возбужденного акустического импульса СоТи (где с0 - скорость распространения акустического импульса, - его длительность), по порядку величин совпадают с характерным размером области пространства, в которой к моменту окончания светового импульса сосредоточена вся энергия. В одномерном случае Со Та 1п+ со Тл+1п гае /я длина поглощения светового излучения, с0 Т., - расстояние, на которое энергия переносится акустическими волнами, 1Т - расстояние, на которое переносится энергия в результате теплопроводности. Отсюда следует, что для возбуждения Та Т,„ необходимо добиться выделения световой энергии в тонком поверхностном слое образца (/я с0 Тл) и максимально снизить теплопроводность {1Т с0 Тл). Последнее условие не всегда выполняется для металлов даже при обычных температурах [101]. С понижением же температуры теплопроводность растет, а при гелиевых температурах электроны могут распространяться не рассеиваясь в течение интервалов времени, значительно превышающих Тл [101]. В этом случае 1т ОфТл{Оф- скорость ферми-электронов) и длительность акустического импульса будет превосходить длительность светового импульса приблизительно на три порядка.
