Развитие методов акустической голографии и лазерной виброметрии для исследования колебаний ультразвуковых излучателей в жидкостях (1104593), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Исследовано влияние акустооптического взаимодействияна показания лазерного виброметра. Выявлены типы и величина искажений, которые можетвызывать акустооптическое взаимодействие.В пункте 2.2.1 кратко описаны две техники, использованные для моделированияпоказаний лазерного виброметра в жидкостях: "медленная" и "быстрая" техники.В пункте 2.2.2 приведены результаты численного моделирования показаний лазерноговиброметравнепрерывномрежиме.Показано,чтозасчетакустооптическоговзаимодействия показания ЛВ значительно отличаются от действительного распределениясмещения.

ЛВ показывает дополнительную прямоугольную равномерную структуру,пространственный период которой в точности равен длине волны в воде. Форма искаженийблизка к структуре стоячих поверхностных волн, поэтому их легко перепутать. Но природаэтих структур различна: стоячие волны Лэмба образуются в результате интерференцииповерхностных волн от краев излучателя, а показываемая ЛВ структура связана синтерференцией краевых волн в жидкости. Также проведено моделирование восстановленияструктуры колебаний поверхности с помощью метода акустической голографии (АГ).11Численный эксперимент показал, что акустическая голография предсказывает истинныеколебания источника с высокой точностью.В пункте 2.2.3 приведены результаты численного моделирования показаний лазерноговиброметра во временном режиме.

Рассмотрены показания ЛВ при колебаниях излучателя вцуговом режиме. Сначала, когда волна от излучателя плоская (прямая волна), показания ЛВ вжидкости легко пересчитываются в действительное смещение путем умножения накоэффициент. Однако в момент, когда цилиндрическая краевая волна в жидкости пересекаетлазерный луч, возникают сильнейшие искажения в показаниях ЛВ. На графике зависимостинаблюдаемого смещения от времени появляется дополнительная синусоидальная волна(цуг), которой нет на поверхности излучателя в действительности. Такие искажения вызваныприходом фронта краевой волны, которая распространяется со скоростью звука в жидкости.Таким образом, из-за акустооптического взаимодействия становятся видны акустическиеволны в жидкости.

Показания ЛВ являются суммой действительного смещения поверхностии акустооптических искажений.В параграфе 2.3 приведены результаты экспериментальных измерений колебанийультразвуковых излучателей с помощью лазерного виброметра в жидкостях.В пункте 2.3.1 рассмотрена экспериментальная установка для измерения смещения спомощью ЛВ в жидкостях (Рис. 1). Она аналогична установке для измерений в воздухе, новодонепроницаемые излучатели помещаются в кювету с жидкостью, и луч лазера проходитчерез специальное оптическое стекло.

Описаны два способа закрепления отражающеймембраны, а также способы избегания переотражений акустических волн в жидкости.В пункте 2.3.2 приведены результаты экспериментальных измерений колебанийпьезокомпозитного излучателя в непрерывном режиме с помощью ЛВ. Произведеносравнение трех измерений колебаний одного и того же излучателя – в воде и в воздухе спомощью метода ЛВ, а также в воде с помощью метода АГ. Показано, что при колебаниях ввоздухе в непрерывном режиме образуется неравномерная структура стоячих волн сдвойным периодом (как описано в пункте 1.3.6). В воде ЛВ показал похожую структуру, но сравномерным шагом, в точности равным длине волны в воде. Эта наблюдаемая приизмерениях в воде структура является смесью двух различных прямоугольных структур спримерно одинаковым периодом.

Первая структура неравномерна – это действительныемодыколебанийпьезокомпозитногоматериала.Вторая–равномернаяструктураакустооптических искажений, вызванных интерференцией волн в воде, с шагом, равнымдлине волны в воде. Показано, что вторая структура преобладает, так как в результирующейструктуре практически не заметно отклонений от равномерности.

Метод АГ в жидкости дает12похожее, но сглаженное распределение. Пространственное разрешение АГ (порядка длиныволны) в данном случае недостаточно, чтобы выявить тонкую структуру колебаний.В пункте 2.3.3 приведены результаты экспериментальных измерений колебанийпьезокерамического излучателя в воде во временном режиме с помощью ЛВ. Показаназависимость наблюдаемого смещения поверхности от времени, измеренная в центральнойточке квадратного пьезокерамического излучателя.

Показано, что в момент приходаповерхностных волн с краев излучателя в точку измерений существенных колебаний ненаблюдается. Однако в более поздний момент времени, когда краевые волны в водепересекают лазерный луч, в показаниях ЛВ наблюдаются сильнейшие искажения, поамплитуде превосходящие изначальный сигнал. Это служит еще одним доказательствомтого, что ЛВ показывает именно волны в жидкости, а не реально существующиеповерхностные волны в керамике.В пункте 2.3.4 приведены результаты сравнения показаний ЛВ при измерениях ввоздухе, воде и глицерине. Произведены пространственно-временные измерения колебанийизлучателявимпульсномрежиме.Использовалсяквадратныйпьезокомпозитныйизлучатель, поверхностные волны в котором крайне слабы. При измерениях в воздухенаблюдались слабые поверхностные волны, распространяющиеся от краев излучателя по егоповерхности наружу и внутрь со скоростью 2000 м/с. При измерениях в воде и глицериненаблюдались волны точно такой же формы, что и в воздухе, но распространяющиеся соскоростями 1480 м/с и 1900 м/с соответственно, что совпадает со скоростями звука в воде иглицерине (Рис.

5). К тому же амплитуда наблюдаемых волн в жидкости была значительновыше, чем при измерениях в воздухе. Проведенный эксперимент доказал, что ЛВ показываетименно краевые волны в жидкости, а не реально существующие поверхностные волны визлучателе. Изучено во времени образование фронта краевой волны в результатеинтерференции волн от отдельных рядов пьезокомпозитного материала. Эксперимент такжепоказал, что волны в жидкости образуются не только от краев, но и от различныхнеоднородностей на поверхности излучателя, например, точек припайки и мелких частичек(Рис.

5, 6). Таким образом доказано, что неравномерные колебания излучателя в жидкостинельзя измерять напрямую с помощью ЛВ даже в самом начале колебательного процесса.В пункте 2.3.5 приведены результаты измерения структуры стоячих волн внепрерывном режиме в воде и в воздухе. Стоячие волны Лэмба образуются в результатеинтерференции поверхностных волн, бегущих от противоположных краев излучателя.Поэтому пространственный период структуры стоячих волн определяется только формойизлучателя и скоростью волн Лэмба в керамике, и не зависит от среды, в которую помещен13излучатель.

Однако, как было показано в пункте 2.2.2, при измерениях в воде в непрерывномрежиме ЛВ должен показывать дополнительную прямоугольную равномерную структуру,пространственный период которой в точности равен длине волны в воде. Эта структурапоявляется из-за искажений, вносимых акустооптическим взаимодействием. Измерения спомощью ЛВ в воздухе показали (Рис. 2), что стоячие волны при колебаниях квадратногоизлучателя в воздухе обладают ярко выраженной прямоугольной равномерной структурой спространственным периодом 4,2 мм. Проведенные с помощью АГ измерения в водепоказали, что стоячие волны на поверхности излучателя существуют также и в воде,обладают похожей структурой, и их пространственный период совпадает с периодом ввоздухе. Однако структура, наблюдаемая в воде с помощью ЛВ, абсолютно другая и сложная– ее основной пространственный период равен 2,95 мм, что сильно отличается от периодаструктуры, полученной при измерениях в воздухе (4,2 мм).

Более того, пространственныйпериод, полученный в воде (2,95 мм), в точности совпадает с длиной волны в воде наиспользуемой частоте. Этот эксперимент доказал, что структура стоячих волн Лэмба наповерхности данного излучателя действительно существует и имеет пространственныйпериод 4,2 мм, одинаковый при колебаниях в воздухе и в воде (Рис. 2). Но показаниялазерного виброметра в воде сильно искажены из-за акустооптического взаимодействия. Этиискажения так сильны, что настоящий период структуры колебаний поверхности (4,2 мм)почти не виден.

Вместо него лазерный виброметр показывает структуру с другим периодом(2,95 мм), которая является смесью двух структур с разными периодами, причем паразитнаяструктура краевых волн в жидкости преобладает.Впункте2.3.6рассмотреныспособыуменьшенияискажений,вызванныхакустооптическим взаимодействием, с помощью применения специальных численныхкоррекций. Рассмотрены попытки французских ученых теоретически учесть эффектакустооптического взаимодействия и скомпенсировать вносимые им искажения с помощьюприменения специального численного фильтрования. Однако авторы заключают, чтоповерхностные волны с фазовыми скоростями (для воды) меньше 1930 м/с (излучающие подуглами более 50°) вообще не могут быть измерены с помощью ЛВ в воде.

Характеристики

Список файлов диссертации