Развитие методов акустической голографии и лазерной виброметрии для исследования колебаний ультразвуковых излучателей в жидкостях (1104593), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Обнаружен ряд новыхявлений, эффектов и мод при колебаниях излучателей.Достоверность результатов диссертации подтверждается большим количествомспециально поставленных проверочных экспериментов, совпадением теоретических выводовсэкспериментальнымииспользованиемданнымисовременногоирезультатамивысокоточногочисленногоэкспериментальногомоделирования,оборудованияиобоснованных методов расчета.Апробация работыМатериалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры акустики икафедры колебаний физического факультета МГУ; Национального Института Здоровья иМедицинских Исследований Франции (INSERM, г.Лион, Франция); Акустическогоинститута им.
акад. Н.Н.Андреева (АКИН), Института Общей Физики Академии Наук(ИОФАН); а также на следующих конференциях, семинарах, встречах и симпозиумах:• РАО, Российское Акустическое Общество – сессии 10, 11, 15, 16 (года 2000, 2001, 2004,2005), Москва и Нижний Новгород, Россия;• ISNA–16, International Symposium on Nonlinear Acoustics, 2002, Москва, Россия;• ISTU–3, International Symposium on Therapeutic Ultrasound, 2003, Лион, Франция;• IEEE, International Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Joint 50th AnniversaryConference, 2004, Монреаль, Канада;• RAS–SFA, Joint Workshop of Russian Acoustical Society (RAS) and French Acoustical Society(SFA), "High Intensity Acoustic Waves in Modern Technological and Medical Applications",2005, Москва, Россия;• "Ломоносов", Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальнымНаукам, сессии 9, 11 (2002, 2004), Москва, Россия;• "Волновые явления в нелинейных средах", Всероссийская школа-семинар – сессии 7, 8, 9(2000, 2002, 2004), Красновидово, Россия;• FPP, "Fundamental Problems of Physics", 2nd International Conference, 2000, Саратов, Россия.7ПубликацииОсновные результаты изложены в 11 опубликованных работах, список которыхприводится в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемойлитературы, включающего 110 наименований.
Общий объем работы составляет 123страницы, включающие 47 рисунков.Содержание работыДанная работа посвящена разработке нового метода акустической голографии,сравнению его с методом лазерной виброметрии, выявлению характера акустооптическихискажений в жидкостях, а также изучению колебаний различных пьезоэлектрическихизлучателей обоими методами.Во Введении приводится обзор литературы и существующих достижений в областиприменения ультразвука в различных областях нашей жизни. Показана важность точногопредсказания полей, излучаемых источниками ультразвука. Рассмотрены различные типыизлучателей и показана важность знания характера колебаний их поверхности. Рассмотреныразличные существующие методы исследования колебаний поверхности излучателей.Отдельно описан метод лазерной виброметрии (ЛВ), виды и характеристики лазерныхвиброметров и их применение.
Описаны достоинства и недостатки прямого метода ЛВ посравнению с непрямыми методами, в частности, проблемы, возникающие при измерениях вжидкостях вследствие акустооптического взаимодействия. Рассмотрен метод обратногораспространения, разработанный нами и описанный в диссертации. Описаны областиприменения метода, а также его достоинства и недостатки по сравнению с другимитехниками.Также во Введении рассмотрены цели диссертации, описана научная новизна работы,приведено краткое содержание глав, защищаемые положения и апробация диссертации.8Глава 1 посвящена измерению колебаний излучателей в воздухе с помощью лазерноговиброметра (ЛВ).В параграфе 1.1 описана экспериментальная установка, созданная для прямыхизмерений колебаний различных ультразвуковых излучателей в воздухе (ее схемааналогична представленной на Рис.
1). Рассмотрены отдельные части установки: лазерныйвиброметр, система позиционирования, осциллограф и генератор. Описаны типы ипараметры излучателей, с которыми проводились эксперименты.В параграфе 1.2 описаны два режима, в которых проводились измерения колебанийлазерным виброметром: непрерывный режим (c.w. regime) и временной режим.
Такжерассмотрены особенности проведения экспериментов в этих режимах.В параграфе 1.3 приведены результаты измерений в воздухе колебаний несколькихпьезокерамических и пьезокомпозитных излучателей в непрерывном и импульсном режимах.В пункте 1.3.1 описаны применяемые в диссертации способы представленияэкспериментальных результатов в виде двумерных графиков. Объяснено различие цветовыхшкал в непрерывном и временном режимах. Описаны причины и преимуществаотносительности большинства результатов в данной работе, и способы их нормировки.В пункте 1.3.2 приведены результаты измерений колебаний пьезокомпозитногоизлучателя в непрерывном режиме.
Четко видна структура пьезокомпозитного материала иотдельные керамические элементы. Эксперимент показал, что колебания поверхностипьезокомпозитных излучателей довольно близки к равномерным (поршневым), еслипренебречь тонкой структурой пьезокомпозитного материала (которая не излучает).В пункте 1.3.3 приведены результаты измерений колебаний пьезокерамическогоизлучателя во временном режиме.
Эксперимент показал, что в начале колебаний на краяхизлучателя (а также на других неоднородностях) рождаются поверхностные волны Лэмба,которые далее распространяются к центру излучателя. В квазинепрерывном режимеколебаний волны Лэмба образуют кольцевую структуру стоячих волн. Измерены фазовая игрупповая скорости волн Лэмба.
В импульсном режиме колебаний излучателя кромепоршневой моды и быстрой волны с краев обнаружены также мощные медленныенесимметричные волны. Они существуют на поверхности излучателя долгое время, внесколько десятков раз превышающее время затухания других мод колебаний.В пункте 1.3.4 приведены результаты измерений колебаний пьезокомпозитногоизлучателя во временном режиме. Экспериментально показано, что в процессе колебанийкаждый отдельный элемент пьезокомпозита порождает волну, и эти волны, интерферируямежду собой, формируют волновой фронт, который распространяется по поверхности9излучателя внутрь и наружу от края. Показано, что в неоднородном пьезокомпозитномматериале поверхностные волны распространяются на значительные расстояния (несколькодесятков рядов элементов).В пункте 1.3.5 объяснена неочевидная полярность внутреннего и наружного волновыхфронтов поверхностных волн, обнаруженная в предыдущем пункте.В пункте 1.3.6 приведены результаты исследования мод колебаний, образующихсяпри вибрации пьезокомпозитного излучателя в квазинепрерывном режиме.
Исследование внепрерывном и временном режимах показало, что в результате интерференции волн ототдельных элементов пьезокомпозита возникают особые моды стоячих колебаний.Образуется прямоугольная неравномерная структура стоячих волн со средним периодомвдвое большим, чем период пьезокомпозитного материала (Рис. 4). Период этой структурысравним с длиной волны в воде, поэтому наличие таких мод может сказаться на излучениипластины. Также показано, что элементы керамики могут влиять на колебания друг друга назначительных расстояниях.В параграфе 1.4 приведены выводы к Главе 1.Рис.
1Рис. 2Рис. 3Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения смещения поверхностиизлучателя в жидкости с помощью лазерного виброметра.Рис. 2. Стоячие волны, распространяющиеся в воде от краев излучателя (пунктир) и отдругих неоднородностей со скоростью звука в воде – результат искажений, вносимыхакустооптическим взаимодействием при измерениях лазерным виброметром в жидкости.Рис. 3. Стоячие поверхностные волны (волны Лэмба) в пьезокерамическом излучателе,измеренные методом акустической голографии в воде.
Видны две различные моды.Глава 2 посвящена измерению колебаний излучателей в жидкостях с помощьюлазерного виброметра (ЛВ).В параграфе 2.1 рассмотрены различия при измерениях с помощью лазерноговиброметра в газах и жидкостях. Приведена теория акустооптического взаимодействия и его10влияния на показания лазерного виброметра в жидкости.
Акустические волны в жидкостисоздаютпространственно-временноераспределениепоказателяпреломления:rrn(r , t ) = n0 + γp(r , t ) , где p – акустическое давление и γ=dn/dp – акустооптическийкоэффициент. Луч лазера, проходя через среду с переменным показателем преломления,приобретает дополнительный набег фаз, который по величине того же порядка, что и сдвигфаз, вызванный смещением измеряемой поверхности. Эта добавка может быть учтена вслучае плоской волны.
Поэтому часто полагают, что измерения в жидкости можнопроводить так же, как и в вакууме. Но, как было показано, реальные волны от излучателейимеют сложную структуру, и поэтому предположение плоской волны в большинствепрактических случаев не работает. В общем случае наблюдаемое смещениеξ набл (t ) (то естьсмещение, которое лазерный виброметр, разработанный для измерений в вакууме, покажет вжидкости),выражаетсячерезистинноесмещениеξ (t )следующейформулой:Lξ набл (t ) = n0ξ (t ) − γ ∫0 p ( z, t )dz . Таким образом, показания лазерного виброметра вжидкости зависят не только от действительного смещения поверхности, но также и отраспределения акустического давления на всем пути лазерного луча.В параграфе 2.2 приведены результаты численного моделирования показанийлазерного виброметра в жидкостях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
