Введение к работе
Актуальность темы. Обращая внимание на частотный диапазон акустических волн, используемых в науке и технике, следует отметить, что в современной акустике твердого тела хорошо освоены частоты до 109 Гц и имеются лишь отдельные работы, в которых изучаются возбуждение и распространение акустических волн с частотами до 1011 Гц.
В то же время решение таких проблем как акустическое взаимодействие со свободными носителями в полупроводниках, с электронами грово-димости в металлах, акустический парамагнитный резонанс, взаимодействие с мягкой модой при фазовых переходах, нелинейные эффекты при распространении акустических волн, дающих представление о пространственном масштабе исследуемых объектов и скорости протекания процессов и явлений, требует освоения частотного диапазона до 1010-10и Гц.
Освоение частотного диапазона до 1010-10 Гц требуется и для технических приложений, в частности для неразрушающего контроля качества, где акустические импульсные методы измерений являются преобладающими, и для обеспечения наивысшей точности измерений и расширения частотного диапазона исследований которых возникает необходимость воспроизведения сверхкоротких (10"10-10"11 с) акустических импульсов. Вот некоторые примеры.
Возбуждение поверхностных акустических волн (ПАВ). Для возбуждения акустических поверхностных волн необходимо выполнение условия х « Т, где х - длительность зондирующего импульса, Т - период акустической монохроматической волны. Так для возбуждения ПАЕ5 частотой 50 МГц, длительность зондирующего импульса должна иметь значение х « 10"9с.
Толщинометрия и дефектоскопия сверхвысокого разрешения. Разрешающая способность толщиномеров определяется длительностью зондирующего импульса т. Минимальная толщина h, измеряемая эхо-импульсным толщиномером, определяется формулой п = 1У2т о, где a -скорость распространения акустической волны в материале. При т = 10"10см a =5 .103м/с измеряемая толщина равна 2,5.10 м.
В дефектоскопии для достижения сверхвысокого разрешения перспективным является спектральный метод, основанный на анализе измерения спектра акустического импульса, прошедшего через дефектный
участок. При этом минимальный размер rmin 2- ~ , а разрешающая
2Дй)
способность Аг < , где Дй> - ширина спектра зондирующего аку-
2А(Э стического импульса. При длительности зондирующего импульса т~10"19си a =5.103 м/с, rmin> 8.10й м, Аг < 8.10'8м.
В дополнение, не останавливаясь подробно, отметим только, что при контроле упругих и прочностных характеристик конструкционных материалов используются акустические колебания в диапазоне до 1010 Гц, в
ультразвуковой спектроскопии пространственные масштабы объектов таковы, что требуют использования акустических волн сЫ0''м, что соответствует частотам 1010 Гц, в акустико-эмиссионном контроле для определения передаточной функции объекта целесообразно использование акустических импульсов длительностью т = 10"10-10"11 с, моделирующих дельта функцию.
Вот краткий перечень научно-технических проблем, требующих создания теоретической и экспериментальной базы для воспроизведения сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ).
Цель и задачи работы. Целью исследования является выбор, анализ и развитие наиболее перспективных методов возбуждения и приема сверхкоротких акустических сигналов (СКАИ) в твердых средах; техническая реализация оптического метода с целью создания экспериментального задела для последующих разработок эталонных установок, образцовых и высокоточных рабочих средств воспроизведения сверхкоротких акустических импульсов; исследование оптическими средствами возможностей воспроизведения СКАИ емкостным методом.
При этом основными задачами являются:
разработка и техническая реализация оптического метода, позволяющего возбуждать СКАИ со стабильными амплитудно-временными характеристиками;
разработка и создание оптического приемника СКАИ, работающего в частотном диапазоне, верхняя граница которого равна 10 -1011 Гц;
разработка и создание экспериментального макета емкостного генератора и приемника СКАИ и исследование их возможностей оптическими средствами.
Методы исследований. Из известных методов генерации и приема СКАИ, как наиболее перспективные, анализировались оптический и емкостный методы.
При рассмотрении оптического метода сравнивались возможности твердотельных лазеров, работающих в режиме пассивной и активной синхронизации мод, для возбуждения СКАИ; анализировались условия возбуждения СКАИ в образцеї и предъявляемые при этом требования к нему; анализировались технические характеристики оптического приемника и разрабатывались меры их улучшения.
При разработке емкостного метода рассчитывались его возможности при возбуждении СКАИ, выявлялись возможности увеличения эффективности возбуждения, оценивались технические характеристики емкостного приемника и намечались пути их улучшения.
Экспериментальная проверка вышеназванных возможностей и оценок проводилась на лабораторной установке с использованием твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме вынужденной синхронизации мод, двухлучевого лазерного интерферометра и емкостных преобразователей, разработанных и созданных в лабораторных условиях.
Научная новизна. В предыдущих исследованиях по освоению гигагерцового диапазона в акустике твердого тела использовались методы и средства, позволяющие реализовывать либо монохроматические акустические,волны гигагерцового диапазона, либо сверхкороткие акустические
импульсы, амплитудно-временные параметры которых воспроизводились с некоторой вероятностью. Регистрация акустических сигналов осуществлялась резонансными пьезоэлектрическими приемниками. В представленной работе предлагается следующее:
для генерации сверхкоротких акустических импульсов со стабильными амплитудно-временными характеристиками предложен и технически реализован оптический метод возбуждения, с использованием лазера на рубине, работающего в режиме вынужденной синхронизации мод;
для регистрации и оценки амплитудно-временных параметров СКАИ разработан оптический приемник с предельно низким порогом чувствительности (~ 1,5.1014 м/Гц в полосе частот - 1010 Гц);
для достижения предельно низкого порога чувствительности оптического приемника в полосе частот 1010 Гц разработан (введением в резонатор серийно выпускаемого лазера ЛГ-79/2 "селектора Троицкого") и используется одночастотный лазер, служащий источником когерентного излучения в двухлучевом лазерном интерферометре;
впервые, для реализации возможностей емкостного метода возбуждения и приема СКАИ разработаны и используются емкостные преобразователи с тонкопленочными диэлектриками.
Практическая ценность и реализация результатов. Созданный в работе теоретический и экспериментальный задел по возбуждению и регистрации сверхкоротких акустических импульсов СКАИ с использованием оптического и емкостного методов содержит следующие возможности:
предполагает в дальнейшем использование для создания эталонных, образцовых и высокоточных рабочих средств измерений акустических параметров твердых сред с использованием СКАИ;
позволяет разработать средства, повышающие точность измерений существующих установок высшей точности (УВТ) для измерения скорости распространения продольных (УВТ 39-А-86) и поверхностных (УВТ 79-А-92) акустических волн;
позволяет создать приборы, акустического контроля с улучшенными характеристиками: дефектоскопы, структуроскопы и толщиномеры с разрешающей способностью ~ 10'7 м;
позволяет создать средства калибровки и аттестации средств измерений параметров акустического поля в нано- и субнаносекундном диапазоне;
позволяет расширить диапазон исследований акустическими методами до частот 1010 -1011 Гц.
Результаты работы реализованы следующим образом: с учетом проведенных исследований создана оптическая установка высшей точности (УВТ) для воспроизведения скорости распространения волн Релея - УВТ-79-А-92;
разработанные емкостные преобразователи с тонкопленочными' диэлектриками вошли в узлы возбуждения и приема при создании установки высшей точности для воспроизведения коэффициента затухания в твердых средах - УВТ-73-А-91;
созданы измерители акустических параметров в твердых и жидких средах на базе емкостных преобразователей с тонкопленочными ди-
электриками: приемники самоустанавливающиеся и самокалибрующиеся; датчики со сферическими, цилиндрическими и плоскими электродами; датчики с протектором и без него.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1, 3-5, 7, 8, 10-13], изложены в трех научно-технических отчетах и докладывались:
на научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение средств неразрушающего контроля на основе акустической эмиссии и пути ускорения их внедрения на предприятиях края" (Хабаровск, 1983 г.);
на Всесоюзных конференциях "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1984, 1987 гг.).
Основные положения работы защищены 4 авторскими свидетельствами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы и приложение. Общий объем работы составляет 145 страниц, включая 32 рисунка, 10 таблиц и библиографию из 73 наименований.
