Акустические импульсы в слоистых средах - структурные особенности распространения и применение в диагностике материалов (1102308), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Дляэтого анализировалась зависимость полного коэффициента отражения (RΣ) отграницыслояилислоистойсреды(обозначимеёиндексом1)иполубесконечной нагрузки (индекс 2). В качестве примера рассмотрен случайрасслоения (между слоем и нагрузкой) и случай мягкой границы. Разницамежду коэффициентами отражения R12 составляла 20%. Экспериментальноотличить их достаточно сложно, особенно в случае слоистой структуры.Различие же в RΣ составило ~75%, что определить значительно проще.Зависимость полного коэффициента отражения RΣ от времени равноотношению уровня первообразной к величине перепада, соответствующегозондирующему импульсу.
Приход отражения от расслоения приводит крезкому спаду первообразной, который не скоро компенсируется. В качестведемонстрации были проведены измерения на композитном материале,состоящемизтрёхслоёвдюралюминия,соединённыхмеждусобойстеклотканью. В нём имелись расслоения за первой и второй пластинами. Нарис. 6приведенырезультатыизмерения14длясигналов(а)иихАБВАА(а)БВ(б)Рис. 6. B-скан для сигналов (а) и их первообразных (б). Амплитуда представляетсяградацией цвета от чёрного до белого. Случай А – расслоение за первой пластиной,Б – за второй, В – без расслоенийпервообразных (б) для случая расслоения за первой пластиной (А), второй (Б) ибез расслоений (В).
В случае (а) обнаружить нарушение структуры сложно изза большого количества переотражений, которые маскируют сигнал отрасслоения. В случае (б) это сделать гораздо проще, т.к. первообразная невосстанавливается до прежнего уровня после перепада он расслоения [8].Результаты второй главы опубликованы в статьях [3-8].Применение плоского преобразователя, описанного во второй главе,возможно только для образцов, имеющих практически плоскую поверхность.Для исследования слоистой структуры конструкций с изгибами, т.е. имеющимивогнутую или выпуклую поверхность, в третьей главе предлагаетсяиспользовать фокусировку оптико-акустических импульсов.
Благодаря тому,что они обладают малой длительностью, у преобразователя, который ихиспользует, отсутствует V ( z ) эффект. Поперечное распределение на источникеповторяет распределение интенсивности падающего лазерного пучка (вчастности, для одномодового лазера оно является гауссовым). Поэтому в15фокусе отсутствуют боковые лепестки и отражения от помех вне фокальногопятна.ЭкспериментальнаяустановкасостоялаизОАпреобразователя,размещённого на трёхкоординатной трансляционной системе, и кюветы симмерсионной жидкостью для образцов.
Преобразователь имел структурусхожую с той, что была использована в предыдущей главе, за тем лишьисключением, что к ОА генератору крепилась акустическая линза из ПММА.Было исследовано поле фокусирующего преобразователя, измерены диаметрфокальной перетяжки и глубина резкости. Они определялись по зависимостипика отражённого сигнала от координаты при трансляции преобразователячерез резкий край пластины. Полученная зависимость имеет форму функцииошибок, т.к. распределение амплитуды в фокусе имеет вид близкий кгауссовскому. Пучок в фокусе имеет форму близкую к кругу с радиусом ~0.5мм [9,10].
Глубина резкости определялась как расстояние между точками, где упучка радиус в2 раз больше, чем в фокусе. Она составила около 8 мм. Такжепроизводилосьмоделированиеакустическогополявпараболическомприближении. Численные и экспериментальные результаты достаточно точносовпали, за исключением величины глубины резкости, которая по расчётамдолжна быть больше. Это отличие связано с ошибкой измерения диаметрапучка, т.к. она растёт при удалении от фокуса.Для исследования структуры образцов с неплоской поверхностьюнеобходимо перемещать преобразователь так, чтобы положение фокуса былопостоянным. Этого можно добиться, если рельеф известен заранее.
В обратномслучае, его можно измерить с помощью данного преобразователя. Длядемонстрации этой возможности были приведены измерения рельефы участковаверса однорублёвой и реверса пятирублёвой монет. На рис. 7 приведенырезультаты(б)дляоднорублёвой16монеты(а)[11].Z, мм200075.664.2Y, мм 2.81.4(а)02(б)4X, ммРис. 7 (а) – аверс однорублёвой монеты с выделенной областью сканирования, (б) –результаты измерения рельефаБлагодаря высокому продольному разрешению удаётся выявить небольшиеотклонения по высоте у соседних элементов на поверхности монеты, даженесмотря на то, что диаметр фокального пятна составляет практически 1 мм.Пример изображения внутренней структуры композитного материалаприведен на рис.
8. Образец представляет собой графитоэпоксидный композитс фрезеровкой на тыльной стороне. Исследование проводилось вдоль линиипоперёк данного искусственного дефекта. На рис. 8а приведена его модель сАмплитуда, мВЛицеваяповерхность4.5мм8060040Слои склейки30(а)Фрезерованный паз531τ, мкс32(б)103315Тыльная поверхностьРис. 8 Модель исследуемого объекта (а) с фрезерованным пазом на тыльной стороне. Результатизмерения поперек паза (б)17обозначениемтраекториидвижения.
Результаты измеренийизображены на рис. 8б. На нихотчётливо видны отражения отслоёв склейки вблизи лицевойповерхности и донный импульс,задержка которого уменьшается вобласти фрезеровки [9-12].Помимоконтроля,неразрушающеговысокоепродольноеРис. 9 Зависимость положения поверхностиобразца от времениразрешение может быть полезно для измерения относительного смещенияисследуемого объекта. Это может быть полезно в задачах виброметрии. Длядемонстрации такой возможности были проведены измерения вибросмещенийповерхности платины, погружённой в воду, движение которой задавалосьударным способом [13].
Исследования проводились в одной точке с частотойпосылки импульсов 1 кГц. Это позволяет наблюдать колебание поверхности вчастотном диапазоне до 500 Гц. Характеристики прибора дают возможностьизмерять виброскорости в диапазоне от 3 мкм/с до 8 м/с. На рис. 9 приведеназависимость положения поверхности образца после нанесения удара: резкоесмещение вниз с ударом на ~1.25 мм и затухающие колебания.Результаты третьей главы опубликованы в работах [9-13].Приисследованииобразцоввтретьейглавеиспользовалсяфокусированный пучок с малым углом раскрыва, чтобы в апертуру приёмникане попадали волны утечки. Однако если ось преобразователя наклоненаотносительно нормали к поверхности, часть падающих волн может непроникнуть дальше, чем за первый слой.
Это связано с их трансформацией вповерхностную волну. Для данных волн дальнейшие слои не играют никакойроли, т.к. излучение до них не доходит. Исследованию особенностейультразвукового пучка при отражении от границы «жидкость-твёрдое тело» под18углом Рэлея посвящена четвёртая глава. Данное явление уже наблюдалосьранее. Оно интересно тем, что отражённый пучок имеет в несколько разбольшую ширину и неоднородную структуру, т.к. является суперпозициейзеркального отражения и результата излучения в жидкость поверхностнойволны, распространяющейся вдоль границы раздела сред. В центре пучканаблюдалась область с нулевой амплитудой, что объяснялось наличиемразности фаз между двумя составляющими отражённой волны.
Ранее саматонкая структура отражённого пучка экспериментально не наблюдалась. Вданной главе было проведено численное моделирование отражения под угломРэлея. Оно показало, что эта разность фаз близка к π.Для экспериментального наблюдения структуры пучка была изготовленаустановка, фотография которой приведена на рис. 10. Она помещалась в кюветус водой, через которую пропускался широкий лазерный пучок. Из-за рефракциисвета на звуке возникала теневая картина, которая регистрировалась цифровойвидеокамерой. Используемый лазер работал в импульсном режиме, при этомдлительность импульса была много меньше периода ультразвуковой волны.Задержка между генерацией акустических волн и вспышкой лазера задавалась с41332Рис. 10.
Экспериментальная установка по наблюдению тонкой структуры волныутечки. 1 – преобразователь, 2,4 – алюминиевые пластины, 3 – крепёжные винты длярегулировки наклона пластин19Рис. 11. Вид акустического поля при падении (слева) и после отражения (справа) на границу«жидкость-твёрдое тело» под углом Рэлея. Жёлтыми прерывистыми линиями обозначеныграницы падающего и зеркально отражённого пучка. Красная линия проведена вдольфронта отражённого пучкакомпьютера.Такимобразом,удалосьполучитьраспределение«замороженного» акустического поля в различные моменты времени инаблюдать тонкую структуру пучка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
