Акустические импульсы в слоистых средах - структурные особенности распространения и применение в диагностике материалов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 534.2Карабутов Александр АлександровичАКУСТИЧЕСКИЕ ИМПУЛЬСЫ В СЛОИСТЫХ СРЕДАХ:СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИПРИМЕНЕНИЕ В ДИАГНОСТИКЕ МАТЕРИАЛОВСпециальность: 01.04.06 – акустикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2013Работа выполнена на кафедре акустики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.

Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,доцент Сапожников Олег АнатольевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукБрысев Андрей Петровичкандидат физико-математических наук,доцент Волошинов Виталий БорисовичВедущая организация:Акустический институтимени академика Н.Н. АндрееваЗащита состоится 12 декабря 2013 года в 17-30 на заседанииДиссертационного совета Д.501.001.67 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1 Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, физическая аудиторияим. Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.

Ломоносова.Автореферат разослан 11 ноября 2013 года.Учёный секретарьДиссертационного совета Д.501.001.67кандидат физ.-мат. наук, доцентА.Ф. КоролёвОбщая характеристика работыАктуальность темыИсследования акустических волн в слоистых структурах проводятся напротяжении достаточно длительного времени. Интерес к соответствующимявлениям обусловлен тем, что такие структуры широко распространены: отискусственных конструкций типа фильтров с периодической структурой доестественных сред, таких как атмосфера или океан, которые также можноописать слоисто-неоднородной моделью. Поэтому изучение свойств волн вслоистых средах, материалах и конструкциях до сих пор остаётся актуальнойнаучной и технической проблемой.

Интерес представляют как выявлениевызванных слоистостью особенностей распространения упругих волн, так ииспользование волн для получения информации о структуре и свойствах этихсред.Волновые процессы различной природы (например, акустические иэлектромагнитные) подчиняются ряду универсальных закономерностей иматематически во многом описываются одинаково.

Эта общность проявляется,в частности, и при распространении волн в неоднородных средах. Важным ихклассом являются слоистые структуры, которые характеризуются изменениемпараметров лишь в одном направлении. В общем случае волны могутраспространяться как вдоль этого направления, так и под углом к нему. Самислои могут быть как однородными, так и неоднородными, в том числеанизотропными.Класссоответствующихзадач,относящихсякэлектромагнитным волнам, широк. Одним из примеров является дифракциярентгеновских лучей в кристаллах, выступающих для них естественнойпериодической средой. В случае оптического излучения похожих эффектовможно добиться, создавая искусственную регулярную слоистую структуру, к1примеру GaAs/AlxGa1-xAs.

Подобные среды применяются для пространственнойи частотной фильтрации световых волн. Другим известным примером являютсямногослойные диэлектрические покрытия, используемые для снижения илиповышения коэффициента отражения света от поверхностей линз и зеркал. Длясоздания в среде периодических неоднородностей можно изменять в нейкоэффициент преломления путём какого-либо внешнего воздействия.

Длясветовых волн этого можно добиться за счёт акустооптического эффекта,пропуская свет через распространяющуюся в той же среде акустическую волну.Соответствующие задачи решаются в акустооптике. Немало подобныхпримеров имеется и для акустических волн. Периодические структурыиспользуются для создания фильтров на поверхностных акустических волнах(ПАВ).ДлявозбужденияПАВприменяютсявстречно-штыревыепреобразователи.

Задавая различные толщины электродов и расстояния междуними, можно сконструировать фильтр с требуемым откликом. Слоистонеоднородные модели пригодны и для описания распространения акустическихволн в природных средах, характеризующихся большими масштабами.Например, в задачах геологоразведки и сейсмографии интерес представляютупругие волны в слоисто-неоднородных твёрдых пластах. В медицинскойакустике ультразвуковые волны используются для интроскопии внутреннихорганов. При этом волны пропускаются через кожный покров, которыйявляется средой спараметрами, плавноменяющимисявдоль одногонаправления.

Отдельной важной областью применения ультразвука являетсянеразрушающий контроль. В промышленном производстве все большеераспространение получают слоистые композитные материалы. Они могут бытьизготовлены из различных компонентов: металлов, полимеров, стеклотканей ит.п. Как правило, такие материалы используют в тех случаях, когда необходимополучитьвысокуюмеханическуюилитермическуюпрочностьвдольопределённых направлений. Подобные проблемы решаются, например, вавиации и космической технике. Для укрепления стандартных материалов всё2чаще используются тонкие слоистые покрытия.

Они позволяют получитьматериалы с широким диапазоном механических и теплофизических свойств изначительно повысить прочность изделий при незначительном увеличениивеса.Несмотря на то, что слоистые среды встречаются в самых разныхобластях науки и техники, основные законы распространения волн в них, посути, практически одинаковы. Используя эту универсальность, можно многоеузнать о закономерностях распространения волн определённого вида, проводяэксперименты с волнами другой природы в аналогичных (в смысле влияния наволны) условиях. Изучение такого рода аналогов может оказаться полезным,как для практических приложений, так и для достижения понимания сложныхявлений на основе излучения более простых моделей.В большинстве из упомянутых выше задач о распространении волн вслоисто-неоднородныхсредахиспользуютсямонохроматическиеиликвазимонохроматические сигналы. Гораздо меньше проведено исследований сиспользованиемимпульсныхвозмущений.Дляимпульсныхсигналов,частотный спектр которых широк, появляются новые особенности.

Особыйинтерес представляют короткие видеоимпульсы, длительность которых меньшевремени прохождения звука через характерный масштаб неоднородностислоистой среды. Подобные звуковые импульсы, например, могут бытьвозбуждены оптико-акустическим способом, путём поглощения короткихлазерных импульсов.

Использование таких сигналов весьма перспективно длядиагностикиматериалов,номногиепотенциальныевозможностиихпрактического применения пока в полной мере не раскрыты и не исследованы.Цели и задачи диссертационной работыВ соответствии с изложенным, основной целью диссертационной работыставилось теоретическое и экспериментальное исследование особенностейраспространения акустических импульсов в слоистых структурах и их3использование в диагностике материалов. Для достижения поставленной целибыло намечено решение следующих практически значимых задач:1.Экспериментальное исследование акустического аналога осцилляцийБлоха при прохождении акустического импульса через многослойнуюквазипериодическую структуру.2.Разработка методики измерения волнового сопротивления элементовслоистой структуры с помощью оптико-акустических сигналов.3.Изучение возможности обнаружения расслоений в плоскослоистомкомпозитном материале на основе анализа отражений коротких оптикоакустических сигналов.4.Созданиефокусирующегоширокополосныхимпульсовоптико-акустическогодляизмерениярельефаисточникаповерхноститвердотельных образцов, помещённых в иммерсионную жидкость.5.Использование фокусированных оптико-акустических импульсов длявиброметрии твердотельных пластин, помещённых в жидкость.6.Наблюдение фазовой структуры поля отражённых волн при паденииультразвукового пучка на границу слоёв «жидкость-твёрдое тело» подуглом Рэлея.7.Экспериментальная реализация условий возбуждения под углом Рэлея«втекающей»неоднороднойволнынаграницетвёрдоготеласклиновидным слоем жидкости.Научная новизна работы1.Экспериментально реализован режим распространения акустическихимпульсов в слоистой среде, позволяющий наблюдать акустическийаналог явления осцилляций Блоха, известного в физике твёрдого тела.2.Предложенновыйметоданализаоптико-акустическихсигналов,позволяющий определить волновое сопротивление элементов слоистойструктуры и обнаружить расслоение в ней.43.Созданфокусирующийоптико-акустическийизлучателькороткихимпульсов для измерения рельефа поверхности твердотельных образцов,помещённых в жидкость.4.Проведеноэкспериментальноенаблюдениетонкойструктурыакустического пучка, отражённого от границы «жидкость-твёрдое тело»при падении под углом Рэлея.5.Экспериментально реализовано возбуждение новой граничной моды,соответствующей растущей поверхностной волне на границе раздела«жидкость-твёрдое тело».Достоверность представленных в диссертационной работе результатовподтверждается проверочными численными и физическими экспериментами, атакже соответствием результатов экспериментов априорной информации итеоретическим расчётам.Научная и практическая значимость работы1.Экспериментальная реализация акустического аналога осцилляций Блохаподтверждает универсальность этого явления для волновых процессовразной природы.2.Разработаннаяметодикасопротивленияэлементовиспользованиявизмеренияслоистойматериаловеденииакустическогоструктурыволновогоперспективнамногослойныхдлякомпозитныхматериалов и покрытий.3.Использованиефокусированныхоптико-акустическихсигналовдляизмерения смещения отражающей поверхности позволяет исследоватьвибрации твердотельных образцов в оптически непрозрачных и мутныхсредах, что полезно для решения задач неразрушающего контроля.4.Применениефокусированныхакустическихимпульсовсубмикросекундной длительности с близким к гауссовскому профилем5позволяет провести профилометрию поверхности объектов с точностью повысоте до нескольких микрон, что представляет интерес в сференеразрушающего контроля.5.Реализованный способ возбуждения «втекающей» акустической волныдемонстрирует возможность сужения волновых пучков при отражении отплоской границы раздела, что может быть полезно для созданияколлимированных пучков высокой интенсивности для различных научныхи практических целей.Основные положения, выносимые на защиту1.Акустический аналог осцилляций Блоха может быть экспериментальнореализованприпрохожденииультразвуковогоимпульсачерезплоскослоистую среду, толщины слоёв которой изменяются обратнопропорционально их номеру.2.Эхо-импульсный метод с использованием коротких монополярных оптикоакустических импульсов позволяет измерить акустические волновыесопротивления слоёв кусочно-неоднородной плоскослоистой среды, в томчисле при наличии в ней высокочастотного поглощения.3.Для поиска расслоения в многослойной структуре оптико-акустическимметодом целесообразно использовать не отражённый сигнал, а еговременнýю первообразную, монотонный характер убывания которойсвидетельствует о наличии абсолютно мягкой границы.4.Разработанный фокусирующий оптико-акустический преобразовательпозволяетосуществитьакустическуювиброметриюобъектов,погружённых в жидкость, в диапазоне частот от 0.5 до 500 Гц ивиброскоростей от 3 мкм/с до 8 м/с.5.Использование специальной конфигурации акустического пучка даётвозможность реализовать режим «втекающей» волны, позволяющийдобиться уменьшения ширины акустического пучка при его отражении отграницы раздела «жидкость-твёрдое тело» под углом Рэлея.6Апробация работыВошедшие в диссертацию материалы докладывались на Международнойконференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2006»(Москва),XВсероссийскойшколе-семинаре«Волновыеявлениявнеоднородных средах» (2006 г., Звенигород), XIX сессии Российскогоакустическогообщества(2007 г.,НижнийНовгород),Международномсимпозиуме по ультразвуку IEEE IUS 2007 (Нью-Йорк, США), Международномсимпозиуме по неразрушающему контролю «NDT in Progress V» (2009 г., Брно,Чехия), Международном симпозиуме по ультразвуку IEEE IUS 2009 (Рим,Италия), XXII сессии Российского акустического общества (2010 г., Москва), IIМеждународном симпозиуме по лазерному ультразвуку LU-2010 (Бордо,Франция),XIIВсероссийскойшколе-семинаре«Волновыеявлениявнеоднородных средах» (2010 г., Звенигород), X Европейской конференции понеразрушающемуконтролюECNDT-2010(Москва)иСимпозиумепонеразрушающему контролю «NDT in Progress VI» (2011 г., Прага, Чехия).Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 08-02-00368 и11-02 01189, МНТЦ 3691 и стипендии Американского акустического обществадля аспирантов.ПубликацииОсновные результаты диссертации изложены в 15-ти печатных работах.Из них 3 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в переченьВАК [1,3,8], и 12 статей в сборниках трудов конференций.