Акустические импульсы в слоистых средах - структурные особенности распространения и применение в диагностике материалов (1102308), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Список публикацийприведён в конце автореферата.Личный вклад автораВсематериалы,вошедшиевданнуюдиссертационнуюработу,подготовлены либо лично автором, либо совместно с соавторами работ,опубликованных по теме диссертации.7Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из общего вводного раздела, четырёх глав иЗаключения. Каждая глава состоит из короткого введения и выводов. Списокцитируемой литературы содержит 122 наименования, общий объём работысоставляет 116 страниц текста, включая 52 рисунка.Содержание работыВо Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, приведёнобзор литературы, сформулированы цели работы, описано краткое содержаниеработы по главам.Перваяглавапосвященаэкспериментальномунаблюдениюакустического аналога явления осцилляций Блоха.
Основной идеей являетсяиспользование слоистой структуры, состоящей из стеклянных пластин и водымежду ними, в качестве «сверхрешётки». Теоретически рассматриваетсяраспространение цуга акустических волн в слоистой структуре для получениявременной формы прошедшего сигнала. Помимо этого анализируютсязависимости параметров полосы пропускания (ширина, количество пиков ивысота промежутков между ними) от отношения акустических импедансовтвёрдых и жидких слоёв. Также показано, что внесение возмущения впериодичность структуры приводит к эффекту, аналогичному приложениюэлектрического поля к сверхрешётке: расхождению эквидистантных линийпропускания, так называемой «лестнице Ванье-Штарка», делокализацииэнергии акустических волн внутри слоистой структуры. Это возмущениезаключается в изменении толщин жидких слоёв в зависимости от номера слоятаким образом, что разность обратных толщин (γ) соседних жидких слоёвостаётсяпостоянной.Параметрγявляетсяаналогомнапряжённостиэлектрического поля.
В результате моделирования показано, как зависит спектрпропускания от «внешнего поля» (т.е. от γ). На основе полученных результатовбыла выбрана область изменения градиента обратных толщин γ и диапазон8частот акустических волн (от 0.8 до 1 МГц), для которых аналогия верна. Нарис. 1 приведена схема экспериментальной установки. Форма излучаемогосигнала в цифровом виде формировалась на компьютере (1) и передавалась вцифровой генератор (2). С него сигнал в аналоговом виде поступал впьезоэлектрический преобразователь (3), который вместе с исследуемойструктурой (4) находился в бассейне с водой (5).
Акустические волны,возбуждаемые преобразователем, распространялись в воде, проходили сквозьслоистую структуру, вновь распространялись в воде и попадали на приёмныйпреобразователь. Принятый сигнал в дальнейшем поступал на цифровойосциллограф (6), а от него передавался в компьютер для записи и обработки.Слоистая структура представляла собой погружённую в воду конструкцию изшести пластин, расположенных параллельно друг другу. Пластины былиизготовлены из стекла и имели форму квадрата со стороной 4 см.
Толщиныпластин измерялись с помощью цифрового микрометра. Разброс в разныхточках пластин не превышал 8 мкм, т.е. относительные изменения толщины длякаждой пластины находились в пределах 0.5%. Скорость звука в стеклеизмеряласьприкомнатнойтемпературеэхо-импульснымметодомсиспользованием коротких сигналов, возбуждённых оптико-акустическим1621534Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
1 – компьютер, 2 – генератор,3 - пьезопреобразователи, 4 – слоистая структура, 5 – ванна с водой, 6 – осциллограф9(б)(а)Рис. 2. Зависимость коэффициента пропускания слоистой структуры от частоты (по ординате) иградиента обратных толщин жидких слоёв (по абсциссе) в случае численного моделирования (а)и измеренные экспериментально (б). Значение коэффициента представлено градацией серого отбелого (0) до чёрного (1) цветаспособом. Плотность стекла определялась путем взвешивания и измеренияразмеров образцов; она составила (2503±25) кг/м3. Это значение хорошосогласуется с табличным значением для натриевого стекла.
В качествеизлучающегоиприёмногопреобразователейбылииспользованыдваодинаковых широкополосных преобразователя с центральной частотой около1 МГцидиаметромЭкспериментальнобыла38 мм(модельизмеренаV392-SU,полосаOlympus,пропусканияиСША).оцененадифракционная расходимость.
В области частот от 0.8 до 1 МГц частотнаяхарактеристика преобразователя имела незначительное уменьшение, чтогарантировало корректное измерение формы акустических сигналов. Нарис. 2(а) приведены результаты моделирования функции пропускания слоистойструктуры для широкого диапазона значений «внешнего поля». От 0% до 3%пики пропускания не смещаются, после 3% они начинают разбегаться, что какраз и соответствует поведению «лестницы Ванье-Штарка» для различныхзначений электрического поля. Экспериментальные результаты изображены нарис.
2(б). Они демонстрируют линейное увеличение разностной частоты междупиками с ростом γ, аналогично тому, как меняется частота осцилляций Блоха отвеличины приложенного электрического поля. Для тех же значений γ былиизмерены и временные формы сигналов, демонстрирующие акустическийаналог осцилляций Блоха. На рис. 3б приведены результаты для γ = 3, 5, 6%. В10верхнейчастизондирующийизображенимпульс.Длясравнения на рис.
3а приведенырезультаты моделирования при техже γ = 3, 5, 6 %.Впервой(а)главеэкспериментальнопродемонстрировано, что слоистаяструктура, состоящая из стеклянныхи жидких пластин, представляетсобойаналогчастотасверхрешётки,осцилляцийпрошедшегообразомсигналазависитотаогибающейлинейным(б)Рис.
3. Сигналы, прошедшие через слоистуюсреду, для γ = 3, 5, 6% по результатаммоделирования (а) и экспериментов (б)градиентаобратных толщин жидких слоёв (γ) так же, как частота осцилляций Блохазависит от величины приложенного напряжения. Результаты первой главыопубликованы в статьях [1, 2].Параметры слоистой структуры заранее не всегда известны, как это былов первой главе. Актуальной является и обратная задача: определить упругиехарактеристики каждого элемента среды.
Она ставится в томографии. Для еёрешения объект облучается со всех сторон, а рассеянное излучениезаписывается и обрабатывается. Из-за того, что эта задача изначальнопоставленанекорректно,дляеёрешенияприходитсяиспользоватьрегуляризацию решения.Во второй главе предлагается альтернативный способ восстановленияпараметровслоистойструктуры:поотражениюкороткогооптико-акустического (ОА) импульса от границ элементов структуры. На рис. 4приведена схема ОА преобразователя (0, 2, 3, 4), примыкающего к слоистойструктуре (1). Лазерный импульс падает на ОА генератор (0) и возбуждает две11акустическиеволны.Послепрохождения через звукопровод (2)онирегистрируютсярованным(4)демпфи-широкополоснымпьезопреобразователем (3). За счёттого,чтоакустическийимпульсРис.
4. Схема исследования слоистогообъекта с помощью лазерноультразвукового преобразователя. 0 генератор, 1 – исследуемый объект, 2 звукопровод, 3 - пьезоприёмник, 4 –акустическая нагрузка пьезоприёмникаимеет широкую полосу (от 0.1 до20 МГц), он содержит как слабопоглощающуюсянизкочастотнуючасть, так и высокочастотную, которая позволяет определить отражение отграницы.Для анализа низкочастотной составляющей предлагается анализироватьне сам сигнал, а первообразную от него. В этом случае каждый отражённыйсигнал представляется в виде перепада первообразной, величина которогозависит от коэффициента отражения от границы, а ширина – от поглощения напротяжении всего пути следования этого импульса.
Таким образом, удаётсяотделить затухание, связанное с поглощением, от уменьшения амплитуды из-заотражения. Определение импедансов слоёв производится последовательно, отближайшего слоя к дальнему слою. Величина импеданса первого слоя (1)вычисляется на основе коэффициента отражения от поверхности и значенияволнового сопротивления генератора ОА преобразователя (0).Для апробации данного метода были изготовлены два образца:«дюралюминиевыйслой - эпоксиднаясмола»и«оргстекло - эпоксиднаясмола». Оба содержали слой с большим поглощением и моделировали случайсильного и слабого рассогласования импедансов слоев. Перед нанесениемэпоксидной смолы были получены импедансы твёрдых слоёв по измереннымзначениям скорости звука и плотности:дюралюминиевая пластина –(18.7±0.9)106 кг/м2с, оргстекло - (3.1±0.2)106 кг/м2с.
Для краткости приведёмрезультаты измерения только для образца из дюралюминия (рис. 5). Снизу12A1A3A2A2A1A0A3A0(б)(а)Рис. 5. Сигналы (снизу) и их первообразные (сверху), полученные при отражении отдвуслойной структуры «дюралюминий - эпоксидная смола» при исследовании со стороныдюралюминия (а) и эпоксидной смолы (б).
A0 – зондирующий импульс, A1 – отражение отповерхности, A2 – отражение от границы слоёв, A3 – донный импульсТаблица 1. Результаты измерения упругих параметров (волновое сопротивление, скорость звука иплотность) двуслойной среды «дюралюминий-эпоксидная смола».СторонаИзмеряемыйПо амплитудамисследо-параметрсигналовванияДюралю-СмоламинийДюралю- Z, 106 кг/м2сминийСмола11.0±0.2По перепадам интеграловДюралю-Смоламиний4.72±0.0918.7±0.94.0±0.3c, м/с(650±25)10 (264±5)10(650±25)10(264±5)10ρ, кг/м3(17±6)102(18±6)102(2.88±0.26)103(152±19)10Z, 106 кг/м2с7.7±0.13.12±0.0418.9±0.63.44±0.08c, м/с(650±25)10 (264±5)10(650±25)10(264±5)10ρ, кг/м3(119±14)10 (120±17)10 (2.9±0.3)103(130±5)10приведены сигналы, сверху – их первообразные. Результаты измерений,полученные по амплитудам сигналов и величинам перепадов интеграла,приведены в таблице 1.13В случае дюралюминиевой пластины значения импедансов по перепадампервообразной совпали в пределах ошибки, как при измерении с разныхсторон, так и со значением, измеренным перед нанесением слоя эпоксиднойсмолы.
Для случая поглощающего слоя величины волновых сопротивленийразличаются, что может быть связано с влиянием дифракции на поведениепервообразной при больших временных задержках. Все значения, которыебыли получены по амплитудам отражённых сигналов, оказались сильнозаниженными. Скорости звука в слоях определялись по задержкам отраженийот их границ и толщине. Плотность вычислялась как отношение импеданса искорости звука [3-7].Данный подход оказывается полезным для определения положениярасслоения в слоистой структуре: номера слоя, за которым оно находится.Основная сложность, которая возникает при решении подобных задач,заключается в том, что требуется отличить расслоение от мягкой границы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
