Оптические методы для метрологического обеспечения акустических измерений в конденсированных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛУГОВОЙ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ

СРЕДАХ

01.04.05-Оптика 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Хабаровск 2004

Работа выполнена во Всероссийском НИИ физико-технических измерений «Дальстандарт»

Официальные оппоненты: Анатолий Демьянович Верхотуров:

заслуженный деятель нау -ки России, доктор технических наук, профессор.

Григорий Иванович Долгих:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук.

Ростислав Иванович Соколовский:

доктор физико-математических наук, профессор.

Ведущая организация: Институт оптики атмосферы СО РАН (г.Томск)

Защита состоится 29 ноября 2004 года в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218.003.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, г.Хабаровск, ул. Серы-шева, 47, ауд.230.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан

2004 года.

/

Ученый секретарь

диссертационного совета ДМ 218.003.01,

кандидат технических наук

Т.Н.Шабалина

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Акустические измерения в твердых средах находят широкое применение. В физике твердого тела с их помощью изучают фундаментальные свойства твердых тел: ангармонизм межатомного взаимодействия, структуру и свойства различных дефектов решетки, фазовые переходы, сверхпроводимость, магнитоупругие и акусто-электрические эффекты и др. В комплексе наук о Земле акустические измерения используют в сейсмологии, сейсмической разведке, акустическом каротаже скважин и т.д. В технических приложениях наиболее обширная область применения акустических измерений в твердом теле относится к неразру-шающим испытаниям конструкционных материалов. Эти измерения используются для обнаружения и оценки параметров дефектов, определения линейных размеров, структуры материалов и их физико-механических характеристик. В перечисленных областях применяются очень широкие диапазоны длин волн, что связано с различными пространственными масштабами изучаемых объектов и явлений; а также, амплитуд перемещений, что обусловлено большим разбросом энергетических характеристик источников излучения.

Как и в любой области измерительной техники, при акустических измерениях в твердом теле актуальна проблема повышения точности.

Современные исследования со всей очевидностью показывают, что ресурс для увеличения точности акустических измерений с использованием контактных методов исчерпан. Дальнейшее снижение погрешности измерений может быть связано только с применением бесконтактных методов, среди которых оптические методы генерации и приема акустических сигналов как нельзя лучше подходят для создания эталонов высших разрядов, а емкостные методы - для разработки рабочих эталонов и высокоточных рабочих средств.

Средства измерений созданные на базе вышеназванных методов позволяют создать стройную метрологическую схему для передачи размера акустических единиц от верхних звеньев поверочной схемы низшим с наименьшими потерями точности.

Реализации положительных качеств указанных методов были посвящены теоретические и экспериментальные работы, начатые во ВНИИФТИ «Дальстандарт» в 1971 году.

Созданный теоретический и экспериментальный задел позволил заложить основы метрологического обеспечения акустических измерений, включающие в себя создание ряда установок высшей точности — УВТ, рабочих эталонов высших разрядов - РЭ, разработку системы передачи размеров единиц физических величин (скорости, затухания) от УВТ рабочим средствам измерений - Рекомендаций по метрологии (МИ).

На первом этапе были созданы и внедрены в метрологическую практику установки для воспроизведения единиц скорости распространения и коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в рабочей полосе частот (0-30) МГц, аттестованные как установки высшей точности.

Дальнейшее развитие работ по созданию эталонных средств с использованием оптического и емкостного методов предполагало следующее.

Во-первых, освоение частотного диапазона (0-1010) Гц, что определялось потребностями фундаментальных и прикладных исследований.

Во-вторых, разработку эталонных установок для метрологического обеспечения средств измерений параметров распространения (скорости, коэффициента затуха-

ния и т.д.) поверхностных акустических волн (ПАВ) Рэлея, имеющих широкое применение в фундаментальных и прикладных приложениях. Для этого нужно было провести дополнительные исследования, поскольку лазерная генерация ПАВ была изучена в значительно меньшей степени, чем генерация объемных акустических волн (ОАВ). Затем разработать средства измерений, обеспечивающих достоверность и высокую точность.

В третьих, совершенствование метрологической базы, которое предусматривало расширение возможностей уже созданных эталонных установок.

В четвертых, исследование емкостного метода и разработку на его базе высокоточных средств, обеспечивающих передачу размера акустических единиц от эталонных установок высших разрядов рабочим средствам.

Перечисленные проблемы определили направление исследований, результаты которых представлены в диссертационной работе.

Цель работы. Такие особенности оптического метода как: отсутствие механического и акустического контакта, широкая полоса рабочих частот, возможность количественной оценки измеряемых величин без калибровки средств измерений показали неоспоримые преимущества его перед другими методами в предыдущих работах при создании средств воспроизведения акустических характеристик конденсированных сред. С учетом этих его особенностей целью работы является:

На базе оптического метода:

-создание теоретического и экспериментального задела для разработки средств генерации и приема сигналов объемных и поверхностных акустических волн в твердых средах и диапазоне частот (0-109) Гц;

-создание эталонной базы для средств измерений скоростей распространения и коэффициентов затухания объемных и поверхностных ультразвуковых волн в твердых средах;

-исследование емкостного метода генерации и приема акустических сигналов и создание на его базе эталонных и высокоточных средств измерений.

При этом основными задачами являются:

-разработка и создание оптического приемника сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ - видеоимпульсы с верхней граничной частотой 109 Гц и выше), обеспечивающего регистрацию акустических сигналов в полосе частот (0-1010) Гц;

-исследование особенностей применения оптического метода приема малых УЗ колебаний на основе двухлучевого лазерного интерферометра для регистрации ПАВ с целью создания широкополосных оптических приемников, обеспечивающих воспроизведение характеристик ПАВ в полосе частот (0-30) МГц;

-разработка и техническая реализация оптического метода генерации СКАИ со стабильными амплитудно-временными характеристиками;

-разработка методов и средств оптической генерации широкополосных и узкополосных сигналов ПАВ Рэлея на основе твердотельного моноимпульсного лазера;

-исследование механизмов лазерного возбуждения, амплитудно-временных и спектральных характеристик ПАВ Рэлея, генерируемых импульсным лазерным излучением в металлах; определение оптимальных режимов генерации для решения метрологических задач;

-разработка метода и методики прецизионных измерений скорости распространения УЗ рэлеевских волн;

- разработка емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком и создание на их основе средств генерации и приема акустических сигналов;

- использование разработанных методов и средств для расширения возможностей созданных эталонных установок с целью развития эталонной базы.

Научная новизна. В результате проведения исследований получены новые научные и технические сведения:

- на базе двухлучевого лазерного интерферометра разработан оптический приемник ОАВ с полосой воспроизведения частот (0,0001-2.2) ГГц и порогом чувствительности близким к теоретическому (~10 "15 м/Гц|/2),

- теоретически и экспериментально исследовано применение оптического интер-ферометрического метода регистрации малых УЗ колебаний при приеме поверхностных акустических волн (ПАВ) Рэлея; показана принципиальная возможность создания оптического приемника ПАВ в диапазоне частот (О-Ю')Гц и порогом чувствительности -10 " м/Гц1Д. Разработан оптический приемник с рабочей полосой частот (0.05-50) МГц.

- впервые реализованы на практике двухканальные оптические приемники ПАВ на основе модифицированного двухлучевого лазерного интерферометра Майкельсона, имеющие диапазон частот (0,05+50) МГц и порог чувствительности ~2.0-10"14 м/Гц'й;

- для генерации сверхкоротких акустических импульсов со стабильными амплитудно-временными характеристиками предложен и технически реализован оптический метод возбуждения, с использованием лазера на рубине, работающего в режиме вынужденной синхронизации мод;

- разработаны методы и средства генерации широкополосных сигналов ПАВ Рэ-лея со стабильными амплитудно-временными характеристиками в диапазоне частот (О-ЗО)МГц на основе импульсного лазера на рубине. Впервые экспериментально реализован интерференционный метод лазерной генерации узкополосных сигналов ПАВ, обеспечивающий возможность перестройки частоты ПАВ;

- впервые, с использованием широкополосного оптического приемника на базе двухлучевого лазерного интерферометра, выполнены экспериментальные исследования термооптической генерации широкополосных сигналов волн Рэлея;

- впервые, с использованием широкополосного оптического приемника на базе двухлучевого лазерного интерферометра, проведены исследования генерации узкополосных сигналов волн Рэлея импульсным лазерным излучением с использованием интерферометрического метода формирования пространственного периодического распределения интенсивности на поверхности образца из исследуемого материала;

- разработана на базе оптических методов возбуждения и регистрации методика измерений абсолютного значения скорости распространения УЗ рэлеевских волн, обеспечивающая относительную погрешность измерений не более 10"4;

- впервые разработаны емкостные преобразователи с тонкопленочным диэлектриком. Исследованы возможности емкостного метода для генерации и приема акустических сигналов с применением таких преобразователей. Созданы средства измерений акустических параметров конденсированных сред;

- впервые выявлены особенности во временной форме импульса сдвиговой волны при переходе от термоупругого режима к испарительному режиму генерации. Определен оптимальный переходный режим генерации импульса смещения сдвиговой волны. Предложены две методики измерения скорости распространения сдвиговых волн импульсно-лазерным методом. Разработана блок-схема установки для реализации методик;

- предложены две схемы для измерения коэффициента затухания ультразвуковых сдвиговых волн, с использованием эффекта трансформации акустических волн. Получены оценки точности и диапазона измерений;

- разработаны импульсный метод и методика измерения коэффициента затухания ПАВ на основе дискретного спектрально-временного анализа функции, описывающей форму широкополосного акустического импульса.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования оптических и емкостных методов генерации и приема сигналов объемных и поверхностных акустических волн позволяют:

-расширить частотный диапазон исследований до значений (0-109) Гц акустических характеристик твердых сред с использованием объемных и поверхностных волн, повысить точность измерений;

-создать метрологическое обеспечение средств измерений акустических характеристик твердых сред в этом частотном диапазоне;

-создать высокоточные средства измерений для акустических измерений в конденсированных средах.

Результаты работы реализованы следующим образом:

-разработаны оптические методы и средства генерации и приема сигналов объемных и поверхностных акустических волн, позволяющие расширить частотный диапазон исследований акустических характеристик конденсированных сред до значений (0-109) Гц. Разработанные методы и средства являются базой для создания эталонных установок по измерению акустических характеристик конденсированных сред в этом диапазоне частот;

- создана эталонная установка для измерения скорости распространения УЗ рэле-евских волн в диапазоне частот (0,3/30) МГц и диапазоне скоростей (2000/3500) м/с. Установка утверждена Госстандартом России в качестве установки высшей точности УВТ 79-А-92. Установка УВТ 79-А-92 возглавляет государственную поверочную схему, регламентированную Рекомендацией по метрологии МИ 2227-92;

-разработаны емкостные методы и средства генерации и приема сигналов объемных и поверхностных акустических волн. Разработанные методы и средства являются основой для создания рабочих эталонов, обеспечивающих передачу размера акустических единиц от эталонов рабочим средствам с наименьшими потерями точности;

-созданы на базе емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком высокоточные средства измерений акустических параметров конденсированных сред для различных практических применений;

-создан теоретический и экспериментальный задел для развития эталонного комплекса акустических измерений в твердом теле.

Апробация работы и публикации. Материалы исследований по теме диссертации опубликованы в работах [1-39], изложены в шести научно-исследовательских отчетах и докладывались на научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение средств неразрушающего контроля на основе акустической эмиссии и пути ускорения их внедрения на предприятиях края» (Хабаровск, 1983); Всесоюзных конференциях «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле» (Хабаровск, 1984, 1987); IV Международной конференции «Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль» (Москва, 1998); 1,2,3-ем Всероссийских научно — технических семинарах «Метрологическое обеспечение НК» (Москва, 1999,2000,2001); Всероссийском научно-техническом семинаре «Метрологическое обеспечение НК» (Москва, ВИИОФИ, 2002); XVI Российской научно - тех-

нической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Санкт-Петербург,2002); 2 и 3-ей Региональных конференциях «Фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Хабаровск, ХГТУ, 2001,2002); Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (Хабаровск, ХГТУ, 2003); Дальневосточном инновационном форуме-2003 «Роль науки, новой техники, и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск,2003); Всероссийских симпозиумах «Сейсмоакустика переходных зон» (Владивосток, ТОИ ДВО РАН, 2001,2003); VIII Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва,2003). Результаты исследований вошли в состав конкурсной работы «Создание основ научной и экспериментальной базы для метрологического обеспечения акустических методов неразрушающего контроля», которая стала лауреатом Международного конкурса и была удостоена медали «"^К.Кое^еп-СЯ.Соколов» за достижения в области НК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 7 глав, заключение, список использованной литературы и приложения. Общий объем работы составляет 337 страниц, включая 90 рисунков, 34 таблицы и библиографию из 199 наименований.

Основные защищаемые положения

1. Использование при разработке оптического приемника

- равноплечего (равенство плеч с точностью < 50 мкм) двухлучевого лазерного интерферометра для снижения частотных шумов;

- высокочастотных фотодиодов в качестве фотоприемников для снижения дробовых шумов;

- одночастотного лазера в качестве источника излучения в двухлучевом интерферометре и компенсационной схемы приема для снижения интенсивных шумов лазера;

- системы стабилизации рабочей точки интерферометра для снижения влияния тепловых деформаций и вредных акустических шумов позволяет создать на базе двухлучевого лазерного интерферометра оптический приемник длярегистрации ОАВ в полосе частот (0-1010)Гц с предельно низким порогом чувствительности, спектральная плотность которого ~1,5 -10"14 м/Гц1/2.

2. Минимизация размеров приемной зоны оптического приемника ультразвуковых сигналов на основе двухлучевого лазерного интерферометра за счет фокусировки лазерного излучения в его рабочем плече позволяет обеспечить полосу воспроизведения частот прирегистрации ПАВ (О-Ю')Гц.

3. Разработанные модификации интерферометра Майкельсона обеспечивают возможность создания двухканальных широкополосных оптических приемников ПАВ с порогом чувствительности ~2,0-10'14 м/Гцш, близким к теоретическому ~10'15 м/Гц1/2.

4. Использование при создании генератора сверхкоротких импульсов продольных акустических волн:

- в качестве генератора сверхкоротких световых импульсов (СКИ) твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме активной синхронизации мод;

- в качестве объекта, в котором возбуждаются акустические сигналы, образца из слабопоглощающего материала (например, кварца) с нанесенной на его поверхность пленкой позволяет создать генератор сверхкоротких акустических импульсов со стабильными (10 %) амплитудно-временнымихарактеристиками.

5. Использование твердотельного моноимпульсного лазера, работающего в режиме модулированной добротности, в сочетании с предложенными способами формирования оптико-акустического источника позволяет создать оптические генераторы широкополосных иузкополосных (сперестраиваемой частотой) сигналоврэле-евских волн со стабильными (10 %) амплитудно-временными характеристиками в диапазоне частот (0-30) МГц.

6. Применение в измерительной установке оптического генератора рэлеевских волн на базе твердотельного моноимпульсного лазера и оптического приемника ПАВ на базе двухканального модифицированного интерферометра Майкельсона в сочетании с разработанной методикой измерений обеспечивают наивысшую точность измерений скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн в твердых средах с относительной погрешностью не более 1*10,4.

7. Исследования емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком доказывают возможность их использования для создания эталонных установок и высокоточныхрабочихсредств измеренийакустическихпараметровтвердыхсред.

7.1 Впервые разработанные емкостные преобразователи с тонкопленочными диэлектриками позволяют создать емкостные генераторы и приемники акустических сигналов с высокими и стабильными во времени техническими характеристиками.

7.2. Использование в качестве диэлектрика тонкой пленки А1^Оз с относительной диэлектрической проницаемостью ~8,0, позволяет увеличить чувствительность и снизить порог чувствительности емкостного приемника до ~108 В/м и 2,5 -10"17 м/Гц соответственно и повысить эффективность преобразования электрической энергии в акустическую при емкостном возбуждении до 10"2-10"3.

8. Разработанные оптические и емкостные методы и средства, обеспечивающие высокую точность и широкий частотный диапазон измерений, являются наиболее перспективными для развития и совершенствования метрологического обеспечения акустических измерений в твердом теле, в частности, для создания эталонных средств измерений скоростираспространения сдвиговых волн, коэффициентов затухания сдвиговых и рэлеевских волн.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость работы, формулируется цель диссертации, кратко описывается содержание глав.

В первой главе дается аналитический обзор методов генерации и приема сверхкоротких сигналов (СКАИ) продольных и ультразвуковых поверхностных (ПАВ) акустических волн. Анализируется магнитострикционный, пьезоэлектрический, емкостной и оптический методы. Дается сравнительная оценка методов.

Во второй главе в разделе 2.1 формулируются требования к оптическому приемнику, предназначенному для регистрации СКАИ. Описывается конструкция ин-терферометрической головки разработанного равноплечного двухлучевого лазерного интерферометра. Даются оценки и результаты экспериментальных исследований технических характеристик оптического приемника на базе двухлучевого лазерного интерферометра (чувствительности, порога чувствительности, рабочей полосы частот, динамического диапазона, коэффициента нелинейных искажений).

Подробно анализируются источники шумов, определяющие порог чувствительности двухлучевого лазерного приемника и способы его снижения. При этом обосновывается выбор фотодиодов в качестве фотоприемников для снижения дробовых шумов; сравнивается эффективность подавления мощностных шумов лазера методом 8

сглаживания пульсаций с использованием электрооптического модулятора и методом компенсационного приема; описывается разработанный на базе серийно-выпускаемого одномодового лазера ЛГ-79/2 одночастотный лазер и обосновывается его применение для снижения межмодовых биений; описываются два варианта системы автоподстройки плеч интерферометра, предназначенных для устранения шумов, связанных с тепловыми деформациями и вредными акустическими вибрациями. Таблицей иллюстрируются источники шумов, их частотный диапазон и соответствующий им порог чувствительности и резюмируется, что применение всех вышеназванных мер позволяет реализовать оптический приемник, порог чувствительности которого составляет ~ 1,5-10'14 м/Гц|л.

Чувствительность оптического приемника определяется по формуле

где фототоки в максимуме и минимуме интерференционной картины,

длина световой волны, изменение фототока, вызванное смещением в акустической волне.

Для интерферометра с одночастотным лазером мощностью 2,4 мВт в качестве источника излучения и фотодиодом ФД-21КП в качестве фотоприемника расчетное значение чувствительности по току и напряжению составляет соответственно

TJ? = 1,5 -104 А/м и Jjjj = 7,5 -105 В/м. Экспериментально полученное значение

равно rf^j = 5,0 -104 В/м.

Если в качестве фотоприемника использовать ЛФД-2, то следует ожидать, что щ = 6,5-105 А/м и 7]ц = 3,3-Ю7 В/м.

Полоса воспроизведения частот определяется областью дисперсии Л V двухлуче-вого лазерного интерферометра оптическая

разность хода) и используемым фотоприемником.

В разработанной интерферометрической головке легко реализуются условия / = 50 мкм, при этом полоса рабочих частот интерферометра составляет

Наиболее скоростные фотодиоды ЛФД-2, использованные в оптическом приемнике для регистрации СКАИ, ограничивают его рабочую полосу частот до 3,0 ГГц.

Динамический диапазон в области измерения малых смещений ограничен порогом чувствительности 1.5-10"14м/Гц1/2 '(4^)1/2> а в области измерения больших смещений - величиной М = Л/20 = 3.0-1 О*8 м и для рабочей полосы частот Гц составляет ~ 36 дБ, а для полосы

4Л~101ОГц приблизительно 26 дБ.

В разделе 2.2 пред лагается два варианта, различающиеся составом, оптического приемника, разработанного для регистрации акустических сигналов нано- и субнано-секундной длительности.

Общим для обоих вариантов является то, что приемная часть располагается на массивной металлической плите, изолированной от оптического стенда несколькими

слоями микропорной резины. Для стабилизации оптических плеч интерферометра используется усилитель автоподстройки, а источником излучения служит одночас-тотный лазер мощностью - 2,4 мВт.

Технические параметры обоих вариантов представлены в таблице.

Технические характеристики Оптический приемник

Вариант 1: фотодиоды ФД-21КП Вариант 2: фотодиоды ЛФД-2

Порог чувствительности, м 1.8-10"10 7.010"10

Чувствительность, В/м 5.0-104 3.3-107

Полоса воспроизводимых частот, М Гц 0.1-150 0.1-2200

Динамический диапазон, дБ 45 33

В разделе 2.3 рассмотрены особенности применения интерферометрического метода приема УЗ колебаний для регистрации ПАВ, описаны разработанные широкополосные оптические приемники ПАВ.

Указано, что верхняя граничная диапазона воспроизведения частот оп-

тического приемника ПАВ определяется выражением,

0,19 С„

0

где: Сд — скорость распространения волны, - радиус зоны приема при

распределении интенсивности в лазерном луче. С учетом того, что лазерный луч может быть сфокусирован до размеров порядка длины волны света предельное значение верхней границы диапазона

частот

тах гр

лазерного интерферометра при регистрации ПАВ составляет

у мох ГГц

Для остальных технических характеристик лазерного интерферометра для приема ПАВ справедливы все рассуждения из раздела 2.1.

Далее в разделе рассмотрены одноканальные и двухканальные оптические приемники ПАВ.

Одноканальный оптический приемник ПАВ состоит из лазерного интерферометра, системы фотоэлектрической регистрации, системы настройки и стабилизации рабочей точки. Интерферометр имеет схему равноплечего двухлучевого интерферомет-10

ра Майкельсона и включает в себя одномодовый гелий-неоновый лазер в качестве источника света; светоделительную пластинку с диэлектрическим многослойным напылением; опорное зеркало, установленное на пьезокерамическом элементе для настройки и стабилизации рабочей точки интерферометра; вторым зеркалом служит зеркально полированная поверхность образца. С целью предельной минимизации зоны приема короткофокусная линза (Р= + 30ММ) установлена на трехкоординатном котировочном устройстве непосредственно в рабочем плече интерферометра, что обеспечивает эффективный диаметр зоны приема ~20 мкм.

Технические характеристики данного приемника представлены в таблице.

Технические характеристики Диаметр зоны приема d, мкм

300 40

Полоса воспроизведения частот, МГц 0,05-7 0,05-50

Порог чувствительности, м 4,0 -10-11 1,1-10-10

Чувствительность, В/м 5105

Динамический диапазон, дБ 60 50

Двухканальные оптические приемники ПАВ разработаны с целью проведения измерений акустических параметров материалов и позволяют регистрировать ПАВ в двух точках поверхности, расположенных на одной оси с зоной возбуждения. Реализованы два варианта такого приемника: 1) на основе двух связанных по фазе однока-нальных интерферометров, освещаемых общим лазером, и 2) на основе одного интерферометра, созданного на основе принципиально новой модифицикации интерферометра Майкельсона.

Особенности приемников и их оптические схемы представлены в диссертации.

Технические характеристики приемников приведены в таблице.

Технические характеристики Оптический приемник

1 вариант 2 вариант

Полоса воспроизведения частот, МГц 0,05/50 0,05+50

Порог чувствительности, м 1,1-10-10 1.51010

Чувствительность, В/м 2,5-105 5,0-105

Динамический диапазон, ДБ 50 45

В заключение даны выводы по главе.

В третьей главе представлены результаты исследований лазерной генерации сверхкоротких импульсов (СКАИ) продольных акустических волн и оптические генераторы для генерации поверхностных акустических волн (ПАВ) Рэлея.

В разделе 3.1 излагаются сведения о результатах генерации сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ) лазерным излучением. Отмечается, что среди механизмов взаимодействия лазерного излучения с твердым телом (светового давления, термоупругого эффекта, испарения материалов с поверхности образца и искрового пробоя) основным для измерительных целей является термоупругий механизм, при котором величина амплитуд смещений значительна (~ 10'9м) и не происходит нарушения поверхности образца.

Предлагается состав установки и условия проведения эксперимента по возбуждению СКАИ с учетом результатов теоретической модели генерации.

Для генерации СКАИ используется лазер, работающий в режиме активной (вынужденной) синхронизации мод. Лазер содержит активный элемент в качестве которого используется рубиновый стержень РЛ 8х80/120 с плоско-параллельными торцами; электрооптический затвор со схемой управления; плоское переднее зеркало с коэффициентом отражения 97%. Оптическая длина резонатора, составленного передним зеркалом и модулятором равна 225 см, что соответствует периоду = 15 не, где С - скорость света

Для модуляции добротности резонатора на модулятор типа МДЭ-2 подается серия электрических импульсов от высоковольтного генератора, построенного на накопительной коаксиальной линии с искровым газовым разрядником.

Для выделения одиночного светового импульса из серии на выходе лазера, разработан блок выделения одиночного импульса, включающий схему управления электрооптическим затвором и собственно электрический затвор.

В качестве образцов, в которых изучалось возбуждение СКАИ, использовался, в одном случае, кварц размерами 60*60x12 мм3 с нанесенной на его поверхность алюминиевой пленкой в несколько сот нанометров, в другом случае, - образец из алюминиевого сплава Д16 диаметром 80 мм и толщиной 9,75 мм.

Приемником акустических сигналов служил либо лазерный интерферометр, либо емкостный датчик с тонкопленочным электродом диаметром 3 мм.

Дается анализ результатов при оптическом возбуждении СКАИ

Серия световых импульсов состоит, как правило, из 10-15, общей длительностью Энергия серии оптических импульсов, измеренная на ИМО-2, равна ~ 49 мДж.

Одиночный световой импульс, выделенный из серии, имеет следующие параметры: длительность (на полувысоте) энергию нестабильность амплитудно-временных параметров ~ 10%.

При генерации акустических сигналов в кварце последовательностью оптических импульсов акустический импульс оказывается непромодулированным и акустический эффект носит интегральный характер. Амплитуда смещения в акустической волне составляет ~ 200-300 ангстрем, а длительность совпадает с длительностью последовательности оптических импульсов ~ 200 нс. В акустическом импульсе ясно видно наличие «полки» длительностью ~ 90-100 нс.

Генерация акустических сигналов одиночными оптическими импульсами исследовалась в кварцевом и алюминиевом образцах. В кварцевом образце возбуждение осуществлялось через тонкое металлическое покрытие в несколько сот нанометров,

через слой туши, либо без нее. Во втором случае длительность и форма акустического импульса не отличается от длительности и формы оптического. Действительно, если иметь ввиду, что длительность акустического сигнала определяется как 1с0, то при 2 d /с0<< V,, (что реализуется в эксперименте) - та~ т„. Амплитуда смещения составляет А„ ~ 300 А. Энергия акустической волны Еак в предположении, что форма импульса треугольная, а фронт волны сферический, равна Еак ~ 9,0-КГ5 Дж. При этом эффективность преобразования составит 77~1,5'10"2.

При возбуждении через слой туши, в кварцевом образце наблюдается характерное затягивание заднего фронта акустического сигнала, которое связано, видимо, с механизмом преобразования световой энергии в акустическую в слое туши и дальнейшей ее передачи в кварц. Величина смещения в акустической волне равна А„ ~ 150 А. Эффективность преобразования /;~7,5-10"3..

При генерации акустических сигналов в алюминиевом образце (Д16), как ожидалось, наблюдается его уширение до та ~ 9-10 не, что связано с сильным поглощением высокочастотных составляющих и влиянием теплопроводности. Величина коэффициента затухания, найденная по измерению амплитуды переотраженных импульсов в образце, составила а ~ 0,66 Нп/см.

Величина смещения в акустической волне составила Am ~ 170 А; энергия - Еак ~ 2,0-10"J Дж и эффективность преобразования Т) ~4,0-10'3.

В разделе 3.2 рассмотрены разработанные оптические генераторы УЗ рэлеевских волн. Генератор включает в себя источник мощного оптического излучения - импульсный твердотельный лазер на рубине, и оптическую систему, формирующую на поверхности оптоакустический источник (ОАИ) с заданными параметрами (конфигурация, размеры, интенсивность и распределение лазерного излучения). В зависимости от вида пространственного распределения лазерного излучения в ОАИ принципиально возможна генерация короткими лазерными импульсами как широкополосных видеоимпульсов ПАВ, так и узкополосных радиоимпульсов ПАВ.

Для генерации видеоимпульса ПАВ лазерное излучение фокусируется на поверхности образца с помощью сферической (точечный источник) или цилиндрической (линейный источник) линзы. Длительность возбуждаемого импульса УЗ рэлеев-ской волны и его частотный спектр определяются размерами источника на поверхности образца (диаметр точечного или ширина линейного ОАИ), которые могут изменяться перемещением фокусирующей линзы вдоль ее оптической оси. Энергия лазерных импульсов регулируется с помощью нейтральных светофильтров и уровнем накачки лазера. Разработаны 2 схемы оптических генераторов ПАВ.

Генерация узкополосных радиоимпульсов ПАВ импульсным лазерным излучением основано на облучении поверхности образца через оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона, формирующую периодическое пространственное распределение интенсивности лазерного излучения в ОАИ. Зеркала интерферометра разъюстированы на небольшой угол а. Оптоакустический источник представляет собой набор параллельных эквидистантно расположенных световых полос с пространственным периодом длина световой волны) и интенсивностью лазерного излучения, распределенной по синусоидальному закону. Изменяя угол а, можно перестраивать частоту рэлеевской волны.

Далее описаны твердотельные лазеры, примененные в работе для возбуждения рэлеевских волн.

В заключение даются выводы по третьей главе.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований методов лазерного возбуждения и приема ПАВ Рэлея.

В разделе 4.1 описывается экспериментальная установка, которая включает в себя твердотельный импульсный лазер на рубине, оптическую систему, формирующую оптико-акустический источник на поверхности образца и позволяющую управлять его параметрами, измеритель энергии лазерных импульсов, систему временной синхронизации и систему регистрации ПАВ на основе лазерного интерферометра. Рабочая полоса частот системы регистрации (0,05-7-50) МГц. Используются образцы из алюминиевого сплава АМг6, стали 45 и бронзы с размерами 100x50x30 мм3, имеющие зеркально полированную рабочую поверхность.

В разделе 4.2 экспериментально исследован лазерный интерферометр в режиме приема ПАВ. С этой целью проведена сравнительная регистрация амплитудно-временных характеристик УЗ рэлеевских импульсов при трех значениях диаметра зоны приема Смоделированы три ситуации: величина зоны прие-

ма интерферометра больше, сравнима и меньше пространственной длины видеоимпульсов ПАВ. Рэлеевские волны возбуждались точечным ОАИ, диаметр которого изменялся в диапазоне

Экспериментальные результаты показывают. Длительность возбуждаемых УЗ рэлеевских импульсов хорошо описывается одномерным приближением

длительность лазерного импульса по основанию - скорость рэлеевских волн. Длительность поверхностных импульсов регистрируемая на выходе интерферометра, линейно зависит от диаметра ОАИ, однако характеристики УЗ импульсов, воспроизводимые одним и тем же интерферометром, существенно различаются в зависимости от диаметра его зоны приема.

Во-первых, с увеличением при неизменных параметрах ОАИ амплитуда сигналов уменьшается пропорционально соотношению Во-вторых, пропорционально величине возрастает длительность рэлеевских импульсов. При получена зависимость, а длительность

\возб\

импульсов практически совпадает с длительностью (увеличивается на

т.е. регистрируемые импульсы имеют во всем диапазоне изменения диаметра ОАИ длительность в среднем на 50 не больше, чем «эталонная» длительность при с1^ = 0,04 мм. При

мм длительность импульсов определяется, главным образом, временем распространения УЗ сигнала через зону приема, аГ - изменяется от 500 до 750 нс.

бОЗ(

■ О/Ск+тл0, где Г,о -

Экспериментально наблюдаемое временное уширение рэлеевских импульсов по сравнению с составило Это хорошо соответствует

теоретическим оценкам. Расчетное значение при диаметре лазерного пучка на

уровне интенсивности света ц в диапазоне от 0,01 до 0,1 составляет (0,43-5-0,6) с/^/Сд. Экспериментальное значение верхней граничной частоты оптического приемника ПАВ соответственно, полу-

чим^р» 7 МГц, а при <1п = 0,04 мм /гр ~ 53 МГц.

Таким образом, диапазон воспроизведения частот оптического приемника ПАВ может быть найден расчетным путем на основе измерений размеров его зоны приема (диаметра зондирующего лазерного луча на поверхности). Необходимым условием прецизионных измерений амплитудно-временных характеристик ПАВ является предельная минимизация размеров зоны приема интерферометра.

В разделе 4.3 представлены результаты экспериментальных исследований лазерного возбуждения широкополосных сигналов волн Рэлея, проведенных для оптоаку-стических источников двух типов (точечный и линейный), в диапазоне интенсивности лазерного излучения от 3-107 до 3-109 Вт/см2, позволяющем реализовать все механизмы лазерного возбуждения. Регистрация ПАВ Рэлея производилась бесконтактным широкополосным оптическим приемником, воспроизводящим абсолютные амплитудно-временные характеристики рэлеевских волн в полосе частот (0,05/50) МГц с погрешностью не более 5 %.

Экспериментальные данные позволяют выделить три диапазона интенсивности лазерного излучения, каждому из которых соответствуют характерная форма УЗ рэле-евских импульсов, определенная зависимость амплитуды сигнала от интенсивности и эффективность преобразования световой энергии в акустическую.

Амплитудно-временные параметры рэлеевских импульсов определяются как действующим при данной интенсивности излучения механизмом лазерного возбуждения, так и геометрической формой ОАИ.

При термоупругом механизме амплитуда рэлеевских импульсов линейно зависит от интенсивности лазерного излучения. Максимальная амплитуда сигналов для точечного ОАИ не превышает нескольких ангстрем (1 А=10"10 м) и уменьшается с рас-

-1/2

стоянием пропорционально Линейный ОАИ обеспечивает большую ам-

плитуду УЗ сигналов вследствие высокой направленности излучения ПАВ.

Испарительный механизм обеспечивает бы^тоый рост амплитуды УЗ сигналов и увеличение эффективности преобразования

Оптический пробой, развивающийся в парах материала вблизи поверхности образца, приводит, во-первых, к экранировке лазерного излучения и, во-вторых, к образованию ударной волны, воздействующей на образец. Экранировка вызывает замедление дальнейшего роста амплитуды рэлеевских импульсов и эффективности преобразования.

Исследование спектрально-временных характеристик импульсных ПАВ Рэлея показало, что длительность импульсов Т^ при всех механизмах возбуждения про-

порциональна диаметру зоны возбуждения D (ширине линии h ), и зависит от затухания УЗ волн в данном материале. Наименьшая длительность рэлеевских импульсов наблюдалась в образце из сплава АМг6, имеющего малое затухание акустических волн, а наибольшая - в образце из бронзы.

Расчет частотных спектров широкополосных УЗ сигналов показал, что максимум

спектральной плотности лежит для всех материалов на частоте а актив-

ная ширина спектра составляет

Эксперименты по возбуждению рэлеевских волн лазерными импульсами различной длительности подтвердили, что сокращение длительности лазерных импульсов

приводит к пропорциональному уменьшению длительности рэлеевских импульсов

При возбуждении цугом СКИ оптоакустический эффект носит интегральный характер, т.е. цуг СКИ эквивалентен оптическому моноимпульсу с длительностью, равной длительности его огибающей.

В разделе 4.4 рассмотрены результаты экспериментальных исследований лазерной генерации узкополосных сигналов акустических волн Рэлея с использованием интерференционного метода формирования периодического пространственного распределения интенсивности лазерного излучения на поверхности образца. При этом

длительность радиоимпульса диаметр области засветки. Пери-

од АТ = ДХ / С л = /)/ пСд , где и - число интерференционных полос. Амплитуда

сигналов при максимальной интенсивности лазерного излучения

Механизм возбуждения ПАВ - термоупругий. При длительности лазерного импульса

тд и 25 нс максимальная частота сигналов составила при 100% глубине модуляции ,/й «10 МГц.

Расширение частотного диапазона генерации ПАВ данным методом достигается за счет сокращения длительности лазерных импульсов.

В конце 4 главы рассмотрены основные итоги экспериментальных исследований и обоснован выбор наиболее оптимальных режимов лазерной генерации и приема УЗ рэлеевских волн для использования в установке измерения скорости распространения ПАВ.

В пятой главе представлена установка высшей точности УВТ 79-А-92, созданная на базе бесконтактных оптических методов генерации и приема ПАВ Рэлея и предназначенная для воспроизведения единицы скорости распространения УЗ рэлеев-ских волн в диапазоне частот (0,3-5-30) МГц; диапазоне скорости УЗ рэлеевских волн (2000/3500) м/с и передачи ее размера эталонным и рабочим средствам измерений. Установка утверждена Госстандартом России и возглавляет государственную поверочную схему, регламентированную разработанной Рекомендацией по метрологии МИ 2227-92.

Рассмотрен принцип действия установки, приведены ее состав, структурная и оптическая схемы, описана методика измерения скорости распространения УЗ рэлеев-ских волн.

В главе приведен подробный анализ составляющих погрешности результата измерения скорости УЗ рэлеевских волн Показано, что величина среднего квадра-

/с * 2Ля

тического отклонения (СКО) результата измерения скорости при числе наблюдений составляет а границы неисключенной систематической

погрешности (НСП) результата измерения скорости при доверительной вероятности

определяется, главным образом,

инструментальными погрешностями измерителя временных интервалов (частотомер Ч3-64) и измерителя длины акустической базы (измерительный микроскоп БМИ-1Ц). Составляющие НСП, обусловленные методикой измерений, методами возбуждения и приема УЗ рэлеевских волн не превышают 1*10"5.

Приведены результаты измерений скорости распространения УЗ рэлеевских волн в мерах из алюминиевых сплавов, сталей, бронзы, оптического стекла. Проведено сравнение значений скорости УЗ рэлеевских волн, полученных экспериментально, с расчетными значениями, найденными на основе измерений скорости продольных и сдвиговых УЗ волн в образцах из тех же материалов.

В шестой главе исследуется возможность воспроизведения акустических сигналов емкостным методом и предлагается экспериментальная база, с использованием разработанных емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком, для реализации этой возможности.

В первой части главы излагаются сведения об емкостном приемнике. Отмечается, что в практике акустических измерений находят применение емкостные датчики либо с воздушным зазором, либо с диэлектрической пластиной между электродами. К недостаткам первых относятся невысокая чувствительность (~ 106 В/м) и сложность конструкции, которая возникает из-за необходимости точного установления и поддержания воздушного зазора в различных условиях эксплуатации датчиков. Недостаток вторых - это существенное снижение со временем их технических характеристик в результате накопления объемного заряда (из-за миграционной поляризации), создающего обратное поле в диэлектрике.

Этих недостатков лишены разработанные емкостные преобразователи с диэлектрическим слоем, который получается на поверхности электрода при его анодировании. Эти датчики отличаются стабильностью во времени технических характеристик, высокой чувствительностью, простотой изготовления и удобством эксплуатации.

Отмечены особенности работы емкостного датчика с тонкопленочным диэлектриком, связанные с присутствием механического контакта между электродом с диэлектрической пленкой и исследуемым образцом.

Представлены расчетные значения технических характеристик описываемого датчика:

чувствительность, В/м, 2,0-108

порог чувствительности, м/Гц1/2 2,0-10"19

полоса рабочих частот, Гц 0 -1012

динамический диапазон, дБ 120

Приводятся результаты их экспериментальной проверки.

Для реализации в полной мере возможностей датчика была разработана конструкция и создан опытный образец датчика с самоустанавливающимся электродом, в котором устранен перекос между образцом и электродом. В работе дано описание конструкции.

Экспериментальная проверка технических характеристик проводилась на двух экспериментальных установках: в одной из них акустическое поле в образце возбуждалось емкостным генератором; в другой - твердотельным лазером, работающим либо в режиме модуляции добротности резонатора (длительность оптического им-

пульса ~ 30 нс), либо в режиме вынужденной синхронизации мод (длительность оптического импульса ~ 3 нс). В обоих случаях количественная оценка параметров акустического поля в образце осуществлялась с помощью лазерного интерферометра. Подробное описание экспериментальных установок, иллюстрации к полученным результатам и их анализ даны в диссертационной работе.

Экспериментально полученные значения технических характеристик имеют следующие величины:

чувствительность, В/м 1,0-108

порог чувствительности, м/Гц1/2 2,5 • 10"17

полоса рабочих частот, Гц 4,0-108

динамический диапазон, дБ 100

Они подтверждают расчетные значения. В таблице представлены характеристики оптического приемника и емкостного датчика.

Технические ха-рактери-стики Теоретические оценки Экспериментальные данные

лазерный интерферометр емкостный датчик лазерный интерферометр емкостный датчик

Чувствительность, В/м 106 1,9 108 5,0-104 108

Порог чувствительно- сти, м/Гц1/2 ~ 10-15 2,0-1019 1,5 10"14 2,5-10"17

Полоса воспроизводимых частот, Гц 1012 1012 4,0-108 4,0-108

Динамический диапазон, дБ 1*) 2*) 25 100

1 ) 2018 2*) 20 Гв

1,5-10 /10

1,6-10

-7

/: А-

-15

•Ы

1/2

10

-19

■М"2}

Из сравнения видно, что емкостный датчик не уступает лазерному интерферометру, что убедительно доказывает его применимость для регистрации ультразвуковых и сверхкоротких акустических сигналов.

Во второй части главы рассматривается возможность генерации сверхкоротких импульсов емкостным методом.

Из решения уравнения, описывающего смещение на поверхности образца при приложении к обкладкам емкостного преобразователя электрического импульсного

сигнала У({) длительностью Т3, следует, что колебательная скорость 1/(1) и смещение 1]({) в акустической волне описываются выражениями:

где 1 - величина воздушного зазора преобразователя; а - скорость распространения акустической волны в образце; X, ц- константы Лямэ.

При возбуждении акустической волны электрическим прямоугольным импульсом длительностью и амплитудой колебательная скорость описывается выражением

Из этого следует, что длительность электрического импульса определяет длительность импульса колебательной скорости и длительность переднего фронта импульса смещения. Задний фронт последнего формируется под действием реакции в конструкции емкостного преобразователя.

Таким образом, возможность формирования СКАИ колебательной скорости представляется очевидным, а возможность формирования СКАИ смещения требует экспериментального подтверждения.

Далее в главе описывается экспериментальная установка для возбуждения акустических волн емкостным методом и обсуждаются результаты экспериментальных исследований. Отмечается, что последние не в полной мере совпадают с теоретическими оценками, что особенно заметно при обсуждении формы акустических импульсов. Но это несовпадение снимается, если в расчетах учесть, что при емкостном способе возбуждения на поверхность образца действует дополнительная упругая сила, приводящая поверхность в исходное состояние. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными, представленное в главе, доказывает это.

В заключение приводятся результаты эксперимента, полученные на установке: -длительность акустического импульса по основанию, нс 40 -длительность переднего фронта, нс 20

-амплитуда, м 3.0-10"10

и предлагаются пути совершенствования установки с целью увеличения эффективности возбуждения и сокращения длительности акустического импульса.

Представлены выводы по главе.

В главе 7 обсуждается развитие эталонной базы акустических измерений в твердом теле, представленной установками ВНИИФТИ «Дальстандарт»

В начале раздела 7.1 указывается на тот факт, что при лазерном возбуждении УЗ-волн в твердом теле наряду с продольными (Ь) и поверхностными (Я) генерируются и сдвиговые (5) волны. Это послужило основанием для разработки исходной установки для измерения скорости распространения сдвиговых волн с использованием лазерных методов генерации и приема.

Было проведено исследование термооптического источника генерации сдвиговых волн. На рисунках представлена рассчитанная теоретически (верхний рисунок) и зарегистрированная экспериментально (нижний рисунок) временная форма акустических сигналов при комбинации термоупругого и испарительного механизмов генерации упругих импульсов, который назван промежуточным.

- - 1п1вгтв(11а1д г*д)те - - - -

' р

1 с — 1 Ы- х: «л

О 12

Т1Ш« (/19)

Этот режим перспективен тем, что позволяет генерировать импульсы продольной и сдвиговой волн с высоким соотношением сигнал/шум.

В качестве объектов для экспериментальных исследований был выбран ряд технически чистых металлов, таких как:

• тугоплавкие - молибден, вольфрам, тантал;

• конструкционные - железо, никель, титан, алюминий;

• легкоплавкие - кадмий, олово.

На основе большого массива экспериментальных результатов разработана схема формирования амплитуды и формы смещений импульса сдвиговой волны термооптическим источником и получена зависимость амплитуды смещений в импульсе сдвиговой волны для различных материалов от интенсивности излучения.

Значение интенсивности, при котором реализуется максимальное положительное значение смещений в импульсе сдвиговой волны определяет оптимальное значение интенсивности лазерного излучения для данного материала.

В таблице приведены значения относительных уровней (относительно уровня шума) нормальной составляющей смещения в импульсе сдвиговой и продольной волны при оптимальной интенсивности лазерного излучения для исследованных материалов.

Материал Си Та Мо N1 Бе И А1

I опт МВт см'2 250 275 200 200 72 34 22 10

Smax, ДБ 30 31 32 28 21 20 22 18

Д дБ 43 36 46 39 32 26 28 22

После решения задачи об оптимальном режиме генерации сдвиговых акустических волн решалась задача выбора методики измерения скорости.

Предложены две методики измерения скорости и представлена блок схема канала регистрации. Описаны особенности каждой из методик.

В заключение сформулированы требования к исходному средству измерений скорости распространения сдвиговой волны.

В разделе 7.2 описывается исходная установка д ля измерения коэффициента затухания ал ультразвуковых рэлеевских волн.

В начале главы дается обзор методов измерения ад . Из анализа существующих

методов измерения следует, что для обеспечения высокоточных измерений предпочтительным является использование бесконтактных методов измерения, среди которых наиболее перспективным является оптический метод генерации и приема ПАВ.

Таким образом, установка разрабатывается на базе импульсного оптического метода измерений, а методика расчета коэффициента затухания основывается на анализе изменений спектра импульса, распространяющегося по поверхности образца.

Ультразвуковой импульс регистрируется последовательно в двух точках поверхности образца, расположенных соосно с точкой возбуждения на расстояниях

от нее и анализируется изменение его формы по мере распространения в среде с затуханием.

Расчетная формула для определения коэффициента затухания следующая:

где вычисляются с помощью выражений, представ-

ленных ниже, и при соответственно.

При практической реализации спектрального метода измерения затухания УЗ колебаний форма УЗ импульсов задается не в аналитическом виде, а дискретно - в виде таблицы, получаемой при обработке осциллограмм. Кроме того, в реальном случае УЗ импульс всегда ограничен во времени. Поэтому величины для их расчета могут быть представлены в следующем виде:

где Г - длительность УЗ импульса; = Т/Ат- число точек дискретизации; Дг-интервал дискретизации; Vхп - амплитуда УЗ сигнала в «-ой точке. Для вычисления

интегралов использована формула Симпсона. Ее выбор обусловлен тем, что алгоритм ее вычисления достаточно прост, а ошибка по сравнению с методом трапеций значительно меньше.

В работе значение интервала Д т выбрано таким, при котором на периоде составляющей спектра сигнала, имеющей максимальную частоту, укладывается 6 интервалов.

Погрешность определения коэффициента затухания данным методом равна

где (£4| 2 И 2 - погрешности вычисления величин А и В, соответственно;

в = Зи(х,1)/и(х, - относительная погрешность измерений амплитуды сигналов;

8т - погрешность измерения времени.

При определении коэффициента затухания необходимо учитывать также поправку на дифракционную расходимость ПАВ. В случае использования для возбуждения ПАВ источника с аксиальной симметрией амплитуда сигнала для каждого данного

значения частоты уменьшается с расстоянием пропорционально

Далее в разделе приводятся результаты экспериментальных исследований. Иллюстрируется правильность выбора интервала дискретизации. Представлены результаты измерений коэффициента затухания ультразвуковых рэлеевских волн в образцах из алюминиевых сплавов и различных марок стали.

Полученные результаты сравниваются с результатами, полученными другими авторами. Отмечается хорошее совпадение для алюминиевых сплавов.

Оценивается абсолютная погрешность коэффициента затухания . Отмечается,

что она практически не зависит от частоты и составляет от

При этом относительная погрешность измерений коэффициента затухания при а> 1 дБ/м (/"¿1 МГц) не превышает 10% и с увеличением частоты приближается к значению

Отмечается, что различие в чувствительности двух приемников ПАВ приводит к дополнительной погрешности измерений Проблема снимается при использова-

нии для регистрации ПАВ оптического интерференционного двухканального приемника, описанного в главе 2.

В заключение раздела представлены выводы.

В разделе 7.3 исследовались методы измерения затухания ультразвуковых сдвиговых волн для создания эталонной установки.

Вначале раздела дается обзор методов. Из рассмотренных методов выбирается емкостный, который предполагает отсутствие акустического контакта при измерениях и применение емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком в качестве генераторов и приемников ультразвуковых сдвиговых волн.

Далее указывается, что для возбуждения сдвиговых волн емкостными преобразователями можно использовать явление трансформации типов волн при их отражении от свободной границы раздела. При этом регистрация сдвиговых волн, падающих на границу раздела под углом, так же возможна емкостными преобразователями.

Для выбора измерительной схемы анализируются зависимости коэффициентов отражения и трансформации различных типов волн от угла падения продольных (р/) и сдвиговых (Р/) волн. Результаты анализа представлены в графическом виде.

По итогам анализа в качестве вариантов предлагаются две измерительные схемы.

Даются оценки случайной и систематической составляющих погрешности.

Полученные оценки показывают, что точность определения коэффициента затухания составляет величину порядка между точками

23

приема. При этом обеспечиваются измерения значений а, более 10 дБ/м с относительной погрешностью менее 10%.

Для снижения погрешности и расширения диапазона измерений коэффициентов затухания в область меньших значений необходимо повысить точность измерения угловых и геометрических характеристик.

В Заключении представлены основные результаты работы.

В приложении «А» даны сведения, касающиеся установки для прецизионных измерений скорости распространения ультразвуковых волн Рэлея У ВТ 79-А-92 и представлен проект Государственной поверочной схемы для средств измерений скорости распространения продольных и поверхностных ультразвуковых волн и коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн.

В приложении «В» даны дополнительные сведения, касающиеся технических характеристик емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком, сравнения их с характеристиками пьезоэлектрических преобразователей. Представлены различные типы емкостных приемников для акустических измерений в конденсированных средах.

Основные результаты работы

1. Исследованы возможности интерферометрического приема сигналов объемных (ОАВ) и поверхностных (ПАВ) акустических волн в полосе частот (0-109) Гц и показаны пути достижения наивысших технических характеристик оптического приемника.

1.1 На базе двухлучевого лазерного интерферометра разработан оптический приемник ОАВ с полосой воспроизведения частот (0,0001-2.2) ГГц и порогом чувствительности близким к теоретическому (~10"15м/Гц1/2), в котором использованы: рациональная конструкция головки интерферометра; высокочастотные диоды ФД-21КП и ЛАВ-2 в качестве фотоприемников; одночастотный лазер и компенсационная схема приема; система стабилизации рабочей точки интерферометра; малошумящие высокочастотные усилители.

Технические характеристики разработанного приемника представлены в таблице

Технические характеристики Оптический приемник

Вариант1: фотодиоды ФД-21КП Вариант2: фотодиоды ЛФД-2

Порог чувствительности, м 1,8-Ю'10 7,0 -Ю"10

Чувствительность, В/м 5,0 -104 3,3 ю7

Полоса воспроизведения частот, МГц 0.1-150 0.1-2200

Динамический диапазон, дБ 45 33

1.2. Теоретически и экспериментально исследовано применение оптического ин-терферометрического метода регистрации малых УЗ колебаний при приеме поверхностных акустических волн (ПАВ) Рэлея; показана принципиальная возможность создания оптического приемника ПАВ в диапазоне частот (0-109) Гц и порогом чувствительности ~10"15 м/Гц1/2.

1.3. Разработан бесконтактный оптический приемник ПАВ на базе двухлучевого лазерного интерферометра Майкельсона, технические характеристики которого даны в таблице.

Технические характеристики Диаметр зоны приема с1, мкм

300 40

Полоса воспроизведения частот, МГц 0,05-7 0,05*50

Порог чувствительности, м 4,0-10"" 1,1Т0'10

Чувствительность, В/м 5Т05

Динамический диапазон, дБ 60 50

1.4. Для проведения измерений параметров распространения ПАВ разработаны оптические приемники, имеющие 2 приемных канала, с полосой пропускания (0.150) МГц и порогом чувствительности близким к теоретическому (~10"15м/Гц1/2); при этом реализованы две принципиальные схемы такого приемника: на основе двух связанных по фазе обычных (одноканальных) интерферометров, освещаемых общим лазером, и на основе впервые разработанного лазерного интерферометрического приемника - двухканального, созданного на основе модификации интерферометра Майкельсона. Технические характеристики представлены в таблице.

Технические характеристики Оптический приемник

1 тип 2 тип

Полоса воспроизведения частот, МГц*' (0,05-50) (0,05-50)

Порог чувствительности, м 1,1 • Ю10 1,4-Ю"10

Чувствительность, В/м 2,5 • 105 5,0-10'

Динамический диапазон, дБ 50 45

* при d=40 мкм

2. В рамках диссертационной работы разработаны две экспериментальные установки

- для генерации сверхкоротких акустических импульсов продольных волн;

- для генерации ультразвуковых рэлеевских волн.

2.1 Установка для генерации акустических импульсов продольных волн включает:

разработанный на базе рубинового лазера оптический генератор, работающий в режиме активной синхронизации мод (АСМ);

образец из кварца с тонкой металлической пленкой, нанесенной на его поверхность;

лазерный интерферометр в качестве оптического приемника с рабочей полосой частот 4^= (0-2,2)ГТц и порогом чувствительности Л1= 7,0-10'10 м

Разработанная установка позволяет воспроизводить акустические сигналы со стабильными амплитудно-временными параметрами: длительностью акустического импульса амплитудой

2.2 Установка для генерации ультразвуковых рэлеевских волн включает:

- оптические генераторы широкополосных и узкополосных сигналов ультразвуковых рэлеевских волн, разработанные на базе твердотельного импульсного оптического квантового генератора на рубине, работающего в двух режимах: режиме модулированной добротности и режиме активной синхронизации мод. В установке впервые реализован интерференционный метод генерации ПАВ, обеспечивающий перестройку частоты ПАВ.

- набор образцов из различных металлов;

- оптический приемник на базе двухлучевого лазерного интерферометра (п. 1.3) Технические характеристики генераторов представлены ниже.

Технические характеристики генераторов широкополосных сигналов.

Технические характеристики Оптический генератор

1 тип 2 тип

Диапазон интенсивности лазерного излучения, Вт/см2 о+ю'° 0-5-6-10®

Минимальный размер ОАИ*', мкм 300 50

Диапазон частот генерируемых ПАВ, МГц 0ч-15 0-5-30

Воспроизводимость характеристик ПАВ, % 10 10

* диаметр D или ширина h

Технические характеристики генератора узкополосных сигналов.

Технические характеристики Значение

Диапазон интенсивности лазерного излучения, Вт/см2 0+5-107

Диапазон частот генерируемых ПАВ, МГц 3+10

Амплитуда УЗ сигнала, м ^ 7-Ю'10

Воспроизводимость характеристик ПАВ, % 10

Созданная экспериментальная установка предназначена для исследования характеристик ультразвуковых рэлеевских волн, генерируемых термооптическим источником.

3. Проведены экспериментальные исследования параметров сигналов ультразвуковых рэлеевских волн при различных механизмах взаимодействия лазерного излучения с поверхностью образца.

3.1 Впервые, с использованием широкополосного оптического приемника на базе двухлучевого лазерного интерферометра, выполнены экспериментальные исследования термооптической генерации широкополосных сигналов волн Рэлея:

-импульсным лазерным излучением в широком диапазоне интенсивности лазерного излучения, обеспечивающем реализацию всех механизмов лазерной генерации рэлеевских волн;

-в различных материалах;

-двумя основными типами оптико-акустических источников (точечный и линейный);

-лазерными импульсами различной длительности.

Показано, что амплитудно-временные и спектральные характеристики ПАВ определяются как параметрами оптоакустического источника, так и акустическими и теплофизическими характеристиками самого материала.

3.2. Впервые, с использованием широкополосного оптического приемника на базе двухлучевого лазерного интерферометра, проведены исследования генерации узкополосных сигналов волн Рэлея импульсным лазерным излучением с использованием интерферометрического метода формирования пространственного периодического распределения интенсивности на поверхности образца из исследуемого материала.

Экспериментально показано, что данный метод при длительности лазерного импульса 25 не обеспечивает генерацию ПАВ в диапазоне частот до 10 МГц и с амплитудой УЗ сигнала до 7-10'10 м.

3.3 Определены оптимальные режимы лазерной генерации УЗ рэлеевских волн. Разработана методика прецизионных измерений скорости распространения рэлеев-ских волн, обеспечивающая методическую относительную погрешность измерений ~1*10"5.

3.4 Создана и аттестована в качестве установки высшей точности УВТ 79-А-92, эталонная установка предназначенная для воспроизведения единицы скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн в диапазоне частот (0,3 -30)МГц, диапазоне скоростей с относительной погрешностью не более 1*10"4.

Созданная установка возглавляет государственную поверочную схему для средств измерений скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн.

3.5. Разработан проект Государственной поверочной схемы для средств измерений, поддерживаемых Государственным специальным эталоном.

Разработка установки УВТ 79-А-92 завершила цикл работ по созданию технической базы для Государственного специального эталонного комплекса по воспроизведению единиц скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн и коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн и определило ближайшую задачу — проведение аттестации эталонного комплекса в Госстандарте России.

4. Для обеспечения передачи размеров акустических единиц от верхних звеньев поверочной схемы низшим с наименьшими потерями точности был исследован емкостный метод генерации и приема акустических сигналов. Впервые разработаны емкостные преобразователи с тонкопленочным диэлектриком. Исследованы возможности емкостного метода для генерации и приема акустических сигналов с применением таких преобразователей. Созданы средства измерений акустических параметров конденсированных сред.

4.1 Емкостный генератор коротких акустических сигналов представляет собой генератор высоковольтных электрических импульсов, собранный на накопительной линии с искровым разрядником, которая нагружена на емкостный преобразователь с тонкопленочным диэлектриком. Вторым электродом является поверхность образца. Эффективность преобразования электрической энергии в акустическую не превышает -10-3.

4.2 Емкостный приемник, входящий в состав установки, реализован на емкостном преобразователе с тонкопленочным диэлектриком и имеет следующие техниче-

ские характеристики:

- чувствительность, В/к 1.0 • 108

- порог чувствительности, м/Гц|/2 2,5 -10"17

- полоса рабочих частот, Гц 4,0-108

- динамический диапазон, дБ 100,0

4.3 На экспериментальной установке для воспроизведения акустических сигналов нано- и субнаносекундного диапазона зарегистрированы акустические сигналы со следующими параметрами:

- длительность акустического импульса по основанию, не 40,0

- длительность переднего фронта, не 20,0

- амплитуда смещения, м 3,0*10'10

5. Получены существенные результаты по совершенствованию эталонной базы ВНИИФТИ «Дальстандарт», предназначенной для метрологического обеспечения средств измерений акустических характеристик твердых сред:

-исследована, с использованием лазерного интерферометра в качестве приемника, термооптическая генерация сдвиговых волн. Впервые выявлены особенности во временной форме импульса сдвиговой волны при переходе от термоупругого режима к испарительному режиму генерации. Определен оптимальный переходный режим генерации импульса смещения сдвиговой волны. Предложены две методики измерения скорости распространения сдвиговых волн импульсно-лазерным методом. Разработана блок-схема установки для реализации методик. Сформулированы технические требования к установке.

-на базе емкостного метода предложены две схемы для измерения коэффициента затухания ультразвуковых сдвиговых волн, с использованием эффекта трансформации акустических волн. Получены оценки точности и диапазона измерений.

-разработаны импульсный метод и методика измерения коэффициента затухания ПАВ на основе дискретного спектрально-временного анализа функции, описывающей форму широкополосного акустического импульса. Даны результаты экспериментальных исследований. Представлена установка для измерения коэффициента затухания ПАВ.

Список основных публикаций

1. Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М., Луговой В.А. Экспериментальное определение предельного порога чувствительности оптического измерителя акустических колебаний // Метрология. -1981. - №5. - С. 11-16.

2. А.С. № 1003628 СССР. Интерферометрический способ измерения дисперсии скорости ультразвука в жидкости / Бондаренко А.Н., Луговой В.А (СССР) -Заявка№ 3314201.- Приоритет от 10.07.1981.- Зарегистрировано 09.11.1982.-Бюл. 1983-№9.-С. 154.

3. Копвиллем У.В., Бондаренко А.Н., Луговой В.А. и др. Регистрация собственных резонаторов Земли с помощью лазерного измерителя деформаций // Динамические процессы в океане и атмосфере: Сб. научн. тр.- Владивосток, 1981.-С. 18-29.

4. Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Возбуждение коротких упругих импульсов емкостным методом // Дефектоскопия.-1983,- №3.-С.35-37.

5. Луговой В.А., Троценко В.П. Высокостабильный емкостный преобразователь ультразвуковых сигналов // ПТЭ.-1986.- №3.- С. 194-195.

6. Базылев П.В., Бондаренко А.Н., Луговой В.А. О генерации сверхкоротких акустических импульсов//Тезисы докл. III Всесоюз. науч.-техн. конф. «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле».- Хабаровск, 1987.- С. 188-189

7. А.С. №1373148 СССР. Интерференционное устройство для измерения параметров распространения ориентированных поверхностных акустических волн / Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Луговой В.А. (СССР).- Заявка № 4078618.- Приоритет от 16.06.1986.- Зарегистрировано 08.10.1987.- Бюл. 1988-№5.-С266.

8. Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Тонкопленочный самоустанавливающийся датчик ультразвуковых сигналов // ПТЭ.- 1988.-№2.-С. 197199.

9. Кондратьев А.И., Архипов В.И., Луговой В.А. Измерение скорости продольных ультразвуковых волн емкостным преобразователем // Дефектоскопия.-1988.-№2.-С.90-93.

10. Бондаренко А.Н., Базылев П.В., Луговой ВА. Лазерная установка для измерения скорости распространения поверхностных волн Релея // Дефектоскопия.-1990.-№10.-С.91-93.

11. Кондратьев А.И., Луговой В А Датчик акустических сигналов для высокоточных измерений7/Дефектоскопия.-1990.-№3 .-С.30-38.

12. Бондаренко А.Н., Базылев П.В., Луговой В.А. Лазерное возбуждение сверхкоротких акустических импульсов // Дефектоскопия,-1989.- №4.-С.29-30.

13. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Измерение скорости и затухания Рэлеев-ских волн емкостным преобразователем // Измерительная техника. -1991.-№5.-С.43-44.

14. AC №1831237 СССР. Способ настройки емкостного преобразователя и емкостный самонастраивающийся преобразователь / Бондаренко А.Н., Луговой В.А. (СССР) - Заявка № 4607082,- Приоритет от 03.10.1988.-3арегистрировано 13Л0Л992.-Бюл. 1993.-№28.-С.79.

15. Аршинов Ю.Ф., Базылев П.В., Луговой В.А. и др. Calibration of a Raman-Lidar GasAnalizer of Atmospheric Emission from Plant Stacks Using a Remote Gaz-Chamber//18 th International Laser Radar Conpherence.-1995.-Leipzig, Germany.

16. Базылев П.В., Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М., Луговой В.А. Исследование амплитудно-временных характеристик поверхностных акустических волн при лазерном возбуждении // Автометрия - Новосибирск - 2002 -№2-с. 101-107.

17. Архипов В.И., Базылев П.В., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И., Луговой

B.А. Совершенствование и развитие метрологического обеспечения акустических методов неразрушающего контроля // Тезисы докладов 1-го Всероссийского семинара «Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля». -Москва, 1999-С.78

18. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Аттестация датчиков сигналов акустической эмиссии // Тезисы докладов 1-го Всероссийского семинара «Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля». — Москва, 1999 — С.83

19. Кондратьев А.И., Луговой В.А Емкостный широкополосный датчик сигналов акустической эмиссии // Тезисы докладов 4 — ой Международной конференции «Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль». — Москва, 1998 -

C.47.

20. Кондратьев А.И., Базылев П.В., Луговой В.А. Имитатор сигналов акустической эмиссии // Тезисы докладов 4-ой Международной конференции «Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль».- Москва ,1998 — С.63.

21. Архипов В.И., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Метрологическое обеспечение средств неразрушающего контроля // Тезисы докладов 4-ой Международной конференции «Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль». - Москва, 1998-С.51.

22. Луговой В.А. Интерферометрический оптический приемник для регистрации акустических сигналов нано - и субнаносекундной длительности // Бюллетень научных сообщений / под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: Изд - во ДВГУПС,1996. - №1.-С.49-50

23» Луговой В.А., Лыков Ю.И. Метрологическое обеспечение акустических измерений в твердом теле // Материалы 2-го Всероссийского научно-технического семинара «Метрологическое обеспечение в области неразрушаю-щего контроля».-Москва, 2000-С.25.

24. Кондратьев А.И., Луговой ВА Разработка новых методов измерения физико-механических характеристик твердых материалов на основе прецизионных измерений коэффициента затухания // Материалы 2-го Всероссийского научно-

технического семинара «Метрологическое обеспечения в области неразрушаю-щего контроля».-Москва.2000-С25.

25. Архипов В.И, Луговой ВА. Создание эталонной установки для измерения скорости распространения сдвиговых волн // Материалы 2-го Всероссийского научно-технического семинара «Метрологическое обеспечения в области неразрушаю щего контроля». - Москва,2000- С22.

26. Архипов В.И, Луговой ВА. Создание прецизионных средств измерений для контроля физико-механических характеристик твердых сред // Материалы 2-го Всероссийского научно-технического семинара « Метрологическое обеспечения в области неразрушающего контроля».-Москва,2000-С39.

27. Бондаренко А.Н., Луговой В.А. Стабилизированный лазер для оптического деформометра // Материалы 2-го Всероссийского симпозиума «Сейсмоакусти-ка переходных зон».-Владивосток,2001.-С74

28. Базылев П.В., Луговой В.А. Лазерная генерация узкополосных рэлеев-ских волн // Материалы 2-ой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования».-Хабаровск,2001.-СЛ 13.

29. Луговой В.А. Интерферометрические измерители показателя преломления // Материалы 2-ой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования».-Хабаровск,2001.-СЛ12.

30. Базылев П.В., Луговой В.А. Исследование характеристик оптического приемника ультразвуковых колебаний с полупроводниковым лазером // Бюллетень научных сообщений / под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2002.- №7.-С.4-5

31. Луговой В.А. Широкополосный емкостный приемник акустических сигналов // Материалы 3-го Всероссийского симпозиума «Сейсмоакустика переходных зон». - Владивосток,2003.-С.56-58

32. Бондаренко А.Н., Луговой В.А Трехкомпонентный скважийный прибор для приема сейсмоакустических сигналов // Материалы 3-го Всероссийского симпозиума «Сейсмоакустика переходных зон».-Владивосток,2003.-С.58-59

33. Архипов В.И., Базылев П.В., Луговой В.А. Метрологическое обеспечение акустических методов контроля твердых сред // Материалы 2-го Всероссийского научно-технического семинара « Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля».-Москва,2002-С1 11.

34. Архипов В.И., Луговой В А. Метрологическое обеспечение акустических методов контроля физико-механических характеристик твердых сред // Материалы 2-го Всероссийского научно-технического семинара « Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля».-Москва,2002-С.П7.

35. Луговой В.А. Широкополосный приемник акустических сигналов // Материалы Дальневосточного инновационного форума.- Хабаровск,2003. С. 174-175

36. Кондратьев А.И., Луговой В.А Высокоточные методы измерений физико-механических характеристик твердых сред // Материалы Международной

конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики». - Хаба-ровск,2003.-С.577-580

37. Бондаренко А.Н., Луговой В.А. Трехкоординатный прибор для приема сейсмоакустических сигналов // Материалы 8-ой Международной конференции «Современные методы и средства Океанологических исследований».- Москва, 2003.-С.212-213

38. Базылев П.В., Луговой В.А. Некоторые вопросы метрологического обеспечения средств измерений сигналов акустической эмиссии //Тезисы докладов 3-ей Международной выставки и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». - Москва,2004.-С.312

39. Бондаренко А.Н., Луговой В.А. Скважийный прибор для приема сейс-моакустических сигналов // Тезисы докладов 3-ей Международной выставки и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». - Моск-ва,2004.-С.227

ЛУГОВОЙ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Технический редактор А. И. Пугачев

Сдано в набор 10.09.04 Подписано в печать 19.10.04 Формат 60х84 '/30 Бумага тип. №2. Гарнитура «Times». Печать «Riso». Усл. печ. л. 1,8. Тираж 120 экз.

Издательство РИО ХКДБ 680013, г.Хабаровск, ул. Ленинградская, 25

»22 б 15

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Методы генерации и приема сверхкоротких акустических импульсов в твердых средах

1.2. Методы генерации и приема поверхностных акустических волн в твердых средах

2. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ НА БАЗЕ ДВУХЛУЧЕВОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

2.1. Технические характеристики двухлучевого лазерного интерферометра

2.2. Оптический приемник для регистрации акустических сигналов нано-и субнаносекундной длительности

2.3. Оптические приемники для регистрации поверхностных акустических волн

3. ОПТИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

3.1. Оптическая генерация сверхкоротких акустических сигналов

3.2. Оптическая генерация ультразвуковых рэлеевских волн

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ГЕНЕРАЦИИ И ПРИЕМА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН РЭЛЕЯ

4.1. Экспериментальная установка

4.2. Исследование интерферометрического метода регистрации рэлеевских волн

4.3. Исследование лазерной генерации широкополосных сигналов волн Рэлея

4.4. Исследование лазерной генерации узкополосных сигналов волн Рэлея

5. УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СКОРОСТИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЭЛЕЕВСКИХ ВОЛН УВТ79-А

5.1. Назначение и основные метрологические характеристики установки высшей точности У ВТ 79 - А

5.2. Принцип действия, структурная и оптическая схема установки

5.3. Методика измерения скорости распространения рэлеевских волн

5.4. Анализ погрешности измерения скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ВОЗМОЖ -НОСТЕЙ ЕМКОСТНОГО СПОСОБА ГЕНЕРАЦИИ И ПРИЕМА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

6.1. Емкостный приемник акустических сигналов с тонкопленочным диэлектриком

6.2. Генерация акустических сигналов емкостным методом

7. РАЗВИТИЕ ЭТАЛОННОЙ БАЗЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОГО И ЕМКОСТНОГО МЕТОДОВ

7.1. Исходная установка для измерения скорости распространения ультразвуковых сдвиговых волн

7.2. Исходная установка для измерения затухания рэлеевских ультразвуковых волн

7.3. Исследование методов измерения затухания ультразвуковых сдвиговых волн для создания эталонной установки

Акустические измерения в твердых средах находят широкое применение. В физике твердого тела с их помощью изучают фундаментальные свойства твердых тел: ангармонизм межатомного взаимодействия, структуру и свойства различных дефектов решетки, фазовые переходы, сверхпроводимость, магнитоуп-ругие и акусто-электрические эффекты и др. В комплексе наук о Земле акустические измерения используют в сейсмологии, сейсмической разведке, акустическом каротаже скважин и т.д. В технических приложениях наиболее обширная область применения акустических измерений в твердом теле относится к неразрушающим испытаниям конструкционных материалов. Эти измерения используются для обнаружения и оценки параметров дефектов, определения линейных размеров, структуры материалов и их физико-механических характеристик. В перечисленных областях применяются очень широкие диапазоны длин волн, что связано с различными пространственными масштабами изучаемых объектов и явлений; а также, амплитуд перемещений, что обусловлено большим разбросом энергетических характеристик источников излучения [1-3,17].

Как и в любой области измерительной техники, при акустических измерениях в твердом теле актуальна проблема повышения точности. Точность определения параметров состояния зависит, прежде всего, от точности измерений информативных акустических величин, связанных с параметрами состояния функциональными или корреляционными зависимостями.

Так акустические методы широко применяются при определении упругих постоянных и модулей упругости - важнейших характеристик твердых тел. Последние являются расчетными параметрами в аналитическом аппарате физической теории деформации и разрушения твердого тела, базирующейся на современной теории дислокаций. Модули упругости входят во все уравнения механики твердого тела и служат основными параметрами в конструкторских расчетах сооружений, машин и механизмов. В отличие от показателей реальной ^ прочности твердого тела упругие постоянные и модули упругости относятся к мало структурно чувствительным характеристикам. Например, сопротивление разрыву и удлинение легированной углеродистой стали в зависимости от структурных изменений, обусловленных операцией термической либо механо-термической обработки, могут изменяться почти на порядок; при этом нормальный модуль упругости изменяется на несколько процентов. И все-таки для модулей упругости квазиизотропных кристаллических тел, как ни для какого другого физического параметра твердых тел, характерны ненадежность и широкие пределы рассеяния экспериментальных значений, получаемых для одного и того же материала различными методами.

При неразрушающих испытаниях конструкционных материалов допустимые погрешности измерений составляют обычно единицы процентов. Однако имеются и такие области применения, где требования к погрешностям более жесткие. Так, при малой чувствительности акустических величин к изменению параметров состояния достоверные оценки последних требуют снижения погрешностей акустических измерений. Например, скорость распространения ультразвуковых колебаний /УЗК/ слабочувствительна к степени радиационного повреждения материала или к уровню действующих в нем механических напряжений. Существенные изменения указанных параметров состояния вызывают изменения скорости лишь на десятые доли процента. Поэтому достоверные суждения в этих случаях возможны при погрешностях акустических измерений порядка сотых долей процента и менее.

Воспроизведение единиц информативных параметров акустических величин для целей метрологического обеспечения этой области измерительной техники, также требует существенного снижения погрешностей измерений, чтобы компенсировать потери точности при передачи единиц по элементам поверочных схем. Таким образом, практические потребности выдвигают задачу снижения погрешностей акустических измерений в твердых телах до сотых или даже тысячных долей процента.

Традиционными широко распространенными методами в акустических измерениях являются контактные методы, использующие, как правило, пьезоэлектрические преобразователи. В этом случае измерительная схема представляет собой излучающий и приемный преобразователи, связанные с объектом контроля переходной средой, обеспечивающей акустический контакт. При этом принципиальным ограничением для увеличения точности измерений является влияние переходного слоя, существенным образом изменяющее амплитудно-фазовые характеристики акустических сигналов. В традиционных схемах измерений это влияние неустранимо и не поддается контролю; и как показывают оценки, значительно увеличивает погрешность измерений [4-6].

Исследования и накопленный опыт применения акустических методов измерения в фундаментальных и прикладных работах показывает, что дальнейший рост точности и достоверности измерений возможен только с введением в практику акустических измерений бесконтактных методов генерации и приема акустических сигналов с использованием для их обработки аппарата акустической спектроскопии и акустической голографии [7,8].

В настоящее время наиболее широко применяются импульсные методы измерений. Применение коротких акустических импульсов позволяет снизить за-j траты мощности, вводимой в объект, обеспечить широкую полосу частот повысить повторяемость результатов и точность измерений. Для уменьшения погрешностей измерений излучающие преобразователи должны обеспечивать высокую воспроизводимость генерируемых волновых пакетов, их минимальную

12 длительность /до 10" с/, а также позволяют легко регулировать тип волны и параметры формы пакетов. Приемники УЗК должны иметь низкий порог чувствительности / до 10"14 м /, быть широкополосными и легко градуируемыми, вносить минимальные искажения в регистрируемый сигнал. Искажения могут быть обусловлены влиянием приемного преобразователя / ПП / на поле входных воздействий при установке его на объект, осреднением входного воздействия за счет соизмеримости размеров чувствительной зоны ПП с масштабом пространственной изменчивости поля, сложностями законов электромеханического преобразования в ПП. Стремление уменьшить эти искажения приводит к необходимости "бесконтактности" и "точечности" измерений, упрощения соотношений между сигналами на входе и выходе 1111.

Известно большое число методов и средств возбуждения и приема УЗК в твердом теле. Однако многие из них плохо удовлетворяют некоторым из указанных требований, что и ограничивает точность измерений. Так, в акустических измерениях наибольшее применение нашли пьезоэлектрические преобразователи УЗК. Теоретически, минимальная длительность акустических импульсов, которые может излучать преобразователь, ограничивается временем установления поляризации, что составляет 10"10-10~и с. На практике длительность этих импульсов ограничивается шероховатостью излучающей поверхности и составляет ~ 2*10"9 с. Кроме того, пьезопреобразователи являются резонансными системами, и при попадании собственной частоты преобразователя в спектр возбуждающего электрического импульса, длительность акустического импульса резко возрастает. Для устранения этого явления необходимо резонансную частоту преобразователя вывести выше верхней границы возбуждающих частот, что иногда довольно сложно обеспечить, Так, для частот более 10 МГц требуется пьезопластина толщиной менее 0,08 мм, а это усложняет технологию изготовления и конструкцию преобразователя, снижает его надежность.

Приемные пьезопреобразователи имеют высокую чувствительность, просты и компактны. Теоретический порог чувствительности такого 1111, нагруженного на твердое тело, в режиме холостого хода достигает 2*10"14 см. Однако из-за своих резонансных свойств, сильного влияния акустического контакта, сложности и плохой воспроизводимости передаточных характеристик 1111 не пригодны для прецизионных измерений.

Кроме того, измерительная схема с пьезопреобразователями представляет собой излучатель и приемник, связанные с объектом контроля переходной средой, влияние которой на аплитудно-фазовые характеристики акустических сигналов приводит к снижению точности измерений [4-6].

В последние время все шире стали применяться оптические методы возбуждения и приема акустических колебаний. К числу достоинств этих методов относятся возможность возбуждения акустических волновых пакетов длитель

1 У 1 У ностью до 10" с, что соответствует частотам до 10 Гц, бесконтактность и дистанционность, возможность формирования практически любой конфигурации и размера светового пятна на поверхности исследуемого объекта. При приеме УЗК оптические методы практически безинерционны, не требуют акустического контакта с исследуемым объектом, позволяют сузить область измерений до единиц микрометров, обладают достаточной чувствительностью, не требуют градуировки, обеспечивают высокую воспроизводимость результатов.

Несомненными достоинствами при возбуждении и регистрации акустических колебаний в твердых средах обладает и емкостный метод. Соответствующие преобразователи бесконтактны, широкополосны, обладают высокой чувствительностью, просты в расчете, изготовлении и аттестации. При этом лазерные методы генерации и приема ультразвуковых акустических сигналов являются уникальным "инструментом" исследования емкостного метода.

Реализации положительных качеств указанных методов были посвящены теоретические и экспериментальные работы, начатые во ВНИИФТИ "Дальст-андарт" в 1971 году [9]. Для оптических методов необходимо было изучить механизмы возбуждения лазерным излучение акустических волн в твердых средах, способы снижения порога чувствительности при измерениях и длительности возбуждающих импульсов, стабилизации амплитудно-временных параметров лазерного излучения и т.д. Для емкостных методов необходимо было разработать электроды с тонкопленочным диэлектриком, исследовать свойства преобразователей с тонкопленочным электродом: электрическую прочность, временную и температурную стабильность, порог чувствительности, эффективность преобразования электрической энергии в акустическую и т.д.

В результате проведенных исследований были созданы лазерные измерительные технологии и измерительные технологии с применением емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком. При этом были разработаны методы достижения наивысших значений технических характеристик приемников ультразвуковых волн: лазерного интерферометра и емкостного датчика с тонкопленочным диэлектриком. Изучены механизмы возбуждения и выявлены оптимальные режимы генерации продольных, сдвиговых и поверхностных волн. На базе акустических приемников созданы устройства для измерения колебаний и перемещений в широкой полосе частот с предельно низким порогом чувствительности близким, а на основе моноимпульсных твердотельных лазеров созданы генераторы акустических волн, позволяющие возбуждать короткие и сверхкороткие акустические импульсы различных типов волн со стабильными амплитудно-временными характеристиками, управлять формой волны. Созданы методики измерения параметров распространения акустических волн: скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн; коэффициента затухания продольных волн; дисперсии скорости и затухания и т.д.

Созданный теоретический и экспериментальный задел позволил заложить основы метрологического обеспечения акустических измерений в твердых средах, включающие в себя создание ряда установок высшей точности - УВТ, рабочих эталонов высших разрядов - РЭ, разработку системы передачи размеров единиц физических величин (скорости, затухания) от УВТ рабочим средствам измерений - Рекомендаций по метрологии (МИ).

Перечень созданных эталонных установок и разработанных Рекомендаций приведен ниже.

1. УВТ 39-А-86. Установка высшей точности для хранения и воспроизведения единицы скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердых средах.

МИ 2055-90. ГСИ. Государственная поверочная схема для СИ скорости распространения продольных УЗ - волн в твердых средах.

2. УВТ73-А-91. Установка высшей точности для хранения и воспроизведения единицы коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в твердых средах.

МИ 2163-91. ГСИ. Государственная поверочная схема для СИ коэффициента затухания продольных УЗ - колебаний в твердых средах.

3. УВТ 79-А-92. Установка высшей точности для хранения и воспроизведения единицы скорости распространения УЗ рэлеевских волн в твердых средах.

МИ 2227 - 92. ГСИ. Государственная поверочная схема для СИ скорости распространения УЗ рэлеевских волн в твердых средах.

4. Рабочий эталон 2-го разряда (ИЗУ-1) для измерения коэффициента затухания и скорости распространения продольных УЗ колебаний.

5. Рабочий эталон 2-го разряда (ИВАХ-1) для аттестации преобразователей акустической эмиссии.

После распада СССР ВНИИФТИ "Дальстандарт" является единственным метрологическим центром в России, обеспечивающим единство акустических измерений в твердых средах.

Дальнейшее развитие метрологической базы "Дальстандарта" связано с созданием Государственного специального эталонного комплекса для воспроизведения скоростей распространения и коэффициентов затухания объемных и поверхностных ультразвуковых волн, работы над которым вступили в завершающую стадию.

Первыми эталонными установками, созданными во ВНИИФТИ "Дальстандарт", были установки для воспроизведения единиц скорости распространения и коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в металлах.

В дальнейшем решались следующие задачи:

1. Исследовались лазерные методы генерации и приема сверхкоротких импульсов (СКАИ) продольных акустических волн с целью расширения частотного диапазона измерений акустических характеристик твердых сред и создания задела для исследования параметров распространения поверхностных акустических волн (ПАВ).

2. Исследовались лазерные методы генерации и приема ПАВ в диапазоне частот (0-109) Гц, результатом чего явилось создание эталонной установки для воспроизведения единицы скорости распространения рэлеевских ультразвуковых волн.

3. Исследовались возможности емкостного метода с использованием емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком для создания эталонных и высокоточных рабочих средств.

4. Исследовались возможности лазерных измерительных технологий и измерительных технологий на базе емкостного метода с целью их применения для создания установок, обеспечивающих измерение скорости распространения сдвиговых волн и коэффициента затухания сдвиговых и рэлеевских волн.

Проведенные исследования являются содержанием представленной диссертационной работы.

Цель исследований:

-создание теоретического и экспериментального задела для разработки средств генерации и приема сигналов объемных и поверхностных акустических волн в твердых средах и диапазоне частот (0-109) Гц;

-создание эталонной базы для средств измерений скоростей распространения и коэффициентов затухания объемных и поверхностных ультразвуковых волн в твердых средах;

-исследование емкостного метода генерации и приема акустических сигналов и создание на его базе эталонных и высокоточных средств измерений.

В рамках работы представлены:

• Аналитический обзор методов генерации и приема сверхкоротких импульсов (СКАИ) продольных и ультразвуковых поверхностных (ПАВ) акустических волн - Глава 1.

• Оптические приемники для регистрации сигналов объемных и поверхностных акустических волн - Глава 2;

• Оптическая генерация акустических сигналов объемных и поверхностных акустических волн - Глава 3;

• Результаты экспериментального исследования методов генерации и приема ультразвуковых волн Рэлея - Глава 4;

• Установка для прецизионных измерений скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн (УВТ 79-А-92) - Глава 5;

• Широкополосные емкостные преобразователи с тонкопленочным диэлектриком - Глава 6;

• Оптические и емкостные методы для развития эталонной базы ультразвуковых измерений в твердых средах - Глава 7.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [42,71,75,8388,90,112-114,151-157,121-122,127,133-139,185,188-189,190-195]. Материалы исследований по теме диссертации изложены в шести научно - технических отчетах и докладывались на научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение средств неразрушающего контроля на основе акустической эмиссии и пути ускорения их внедрения на предприятиях края" (Хабаровск, 1983); Всесоюзных конференциях "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1984, 1987); IV Международной конференции "Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль" (Москва, 1998); 1,2,3-ем Всероссийских научно - технических семинарах "Метрологическое обеспечение НК" (Москва, 1999,2000,2001); Всероссийском научно-техническом семинаре "Метрологическое обеспечение НК" (Москва, ВИИОФИ, 2002); XVI Российской научно - технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Санкт-Петербург,2002); 2 и 3-ей Региональных конференциях "Фундаментальные и прикладные исследования, образование" (Хабаровск, ХГТУ, 2001,2002); Международной научной конференции "Фундаментальные и прикладные вопросы механики" (Хабаровск, ХГТУ, 2003); Дальневосточном инновационном форуме-2003 "Роль науки, новой техники, и технологий в экономическом развитии регионов" (Хабаровск,2003); Всероссийских симпозиумах "Сейсмоакустика переходных зон" (Владивосток, ТОЙ ДВО РАН, 2001,2003); VIII Международной научно-технической конференции "Современные методы и средства океанологических исследований" (Москва,2003).

Результаты исследований вошли в состав конкурсной работы "Создание основ научной и экспериментальной базы для метрологического обеспечения акустических методов неразрушающего контроля", ставшей лауреатом Международного конкурса и удостоенной медали "W.K.Roentgen-С.Я.Соколов" в 2002 году за достижения в области НК.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Использование при разработке оптического приемника

- равноплечего (равенство плеч с точностью < 50 мкм) двухлучевого лазерного интерферометра для снижения частотных шумов;

- высокочастотных фотодиодов в качестве фотоприемников для снижения дробовых шумов;

- одночастотного лазера в качестве источника излучения в двухлучевом интерферометре и компенсационной схемы приема для снижения интенсивных шумов лазера;

- системы стабилизации рабочей точки интерферометра для снижения влияния тепловых деформаций и вредных акустических шумов позволяет создать на базе двухлучевого лазерного интерферометра оптический приемник для регистрации ОАВ в полосе частот (0-1010)Гц с предельно низким порогом чувствительности, спектральная плотность которого ~1,5-10'14 м/Гц1'2.

2. Минимизация размеров приемной зоны оптического приемника ультразвуковых сигналов на основе двухлучевого лазерного интерферометра за счет фокусировки лазерного излучения в его рабочем плече позволяет обеспечить полосу воспроизведения частот при регистрации ПАВ (0-109)Гц.

3. Разработанные модификации интерферометра Майкельсона обеспечивают возможность создания двухканальных широкополосных оптических приемников ПАВ с порогом чувствительности ~2-10'14 м/Гц1а, близким к теоретическому ~10'15 м/Гц1/2.

4. Использование при создании генератора сверхкоротких импульсов продольных акустических волн:

- в качестве генератора сверхкоротких световых импульсов (СКИ) твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме активной синхронизации мод;

- в качестве объекта, в котором возбуждаются акустические сигналы, образца из слабопоглощающего материала (например, кварца) с нанесенной на его поверхность пленкой позволяет создать генератор сверхкоротких акустических импульсов со стабильными (10 %) амплитудно-временными характеристиками.

5. Использование твердотельного моноимпульсного лазера, работающего в режиме модулированной добротности, в сочетании с предложенными способами формирования оптико-акустического источника позволяет создать оптические генераторы широкополосных и узкополосных (с перестраиваемой частотой) сигналов рэлеевских волн со стабильными (10 %) амплитудно-временными характеристиками в диапазоне частот (0-30) МГц.

6 .Применение в измерительной установке оптического генератора рэлеевских волн на базе твердотельного моноимпульсного лазера и оптического приемника ПАВ на базе двухканального модифицированного интерферометра Майкельсона в сочетании с разработанной методикой измерений обеспечивают наивысшую точность измерений скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн в твердых средах с относительной погрешностью не более 1-Ш4.

7. Исследования емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком доказывают возможность их использования для создания эталонных установок и высокоточных рабочих средств измерений акустических параметров твердых сред.

7.1. Впервые разработанные емкостные преобразователи с тонкопленочными диэлектриками позволяют создать емкостные генераторы и приемники акустических сигналов с высокими и стабильными во времени техническими характеристиками.

7.2. Использование в качестве диэлектрика тонкой пленки AI2O3 с относительной диэлектрической проницаемостью ~8Д позволяет увеличить чувствительность и снизить порог чувствительности емкостного приемника до

Я /7 /

-10 В/м и 2,5-10"' м/Гц соответственно и повысить эффективность преобразования электрической энергии в акустическую при емкостном возбуждении до 10'2-10'3.

8. Разработанные оптические и емкостные методы и средства, обеспечивающие высокую точность и широкий частотный диапазон измерений, являются наиболее перспективными для развития и совершенствования метрологического обеспечения акустических измерений в твердом теле, в частности, для создания эталонных средств измерений скорости распространения сдвиговых волн, коэффициентов затухания ультразвуковых сдвиговых и рэлеевских волн.

Выводы по разделу 7.3

Полученные оценки показывают, что точность определения коэффициента затухания 5, составляет величину порядка 0,l/(2z) дБ/м. При этом, обеспечиваются измерения значений 8, более 10 дБ/м с относительной погрешностью менее 10%.

Для снижения погрешности и расширения диапазона измерений коэффициентов затухания в область меньших значений необходимо повысить точность измерения угловых и геометрических характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные исследования со всей очевидностью показывают, что ресурс для увеличения точности акустических измерений с использованием контактных методов исчерпан [4-9]. Дальнейшее снижение погрешности измерений может быть связано только с применением бесконтактных методов, среди которых оптические методы генерации и приема акустических сигналов как нельзя лучше подходят для создания эталонов высших разрядов, а емкостные методы - для разработки рабочих эталонов и высокоточных рабочих средств.

Средства измерений созданные на базе вышеназванных методов позволяют создать стройную метрологическую схему для передачи размера акустических единиц от верхних звеньев поверочной схемы низшим с наименьшими потерями точности.

Цель исследований - на базе оптического метода:

- создание теоретического и экспериментального задела для разработки средств генерации и приема сигналов объемных и поверхностных акустических волн в твердых средах и диапазоне частот (0-109) Гц;

- создание эталонной базы для средств измерений скоростей распространения и коэффициентов затухания объемных и поверхностных ультразвуковых волн в твердых средах;

- исследование емкостного метода генерации и приема акустических сигналов и создание на его базе эталонных и высокоточных средств измерений.

В ходе выполнения работ по достижению поставленной цели были получены следующие результаты:

1. Исследованы возможности интерферометрического приема сигналов объемных (ОАВ) и поверхностных (ПАВ) акустических волн в полосе частот (0-109) Гц и показаны пути достижения наивысших технических характеристик оптического приемника.

1.1. На базе двухлучевого лазерного интерферометра разработан оптический приемник ОАВ с полосой воспроизведения частот (0,0001-2.2) ГГц и порогом чувствительности близким к теоретическому ~10"15м/Гц1/2, в котором использованы:

- рациональная конструкция головки интерферометра;

- высокочастотные диоды ФД-21КП и JIAB-2 в качестве фото приемников;

- одночастотный лазер и компенсационная схема приема;

- система стабилизации рабочей точки интерферометра;

- малошумящие высокочастотные усилители.

Технические характеристики разработанного приемника представлены в таблице

Технические характеристики Оптический приемник

Вариант1: фотодиоды ФД-21КП Вариант2: фотодиоды ЛФД-2

Порог чувствительности, м 1,8- Ю"10 7,0- Ю"10

Чувствительность, В/м 5,0-104 3,3-107

Полоса воспроизведения частот, МГц 0.1-150 0.1-2200

Динамический диапазон, дБ 45 33

1.2. Теоретически и экспериментально исследовано применение оптического интерферометрического метода регистрации малых УЗ колебаний при приеме поверхностных акустических волн (ПАВ) Рэлея; показана принципиальная возможность создания оптического приемника ПАВ в диапазоне частот (0-1100) МГц и порогом чувствительности ~10"15 м/Гц1/2.

1.3. Разработан бесконтактный оптический приемник ПАВ на базе двухлучевого лазерного интерферометра Майкельсона, технические характеристики которого даны в таблице.

Технические характеристики Диаметр зоны приема d, мкм

300 40

Полоса воспроизведения частот, МГц 0,05-7 0,05-50

Порог чувствительности, м 4,0-10'11 1,1Т0"'°

Чувствительность, В/м 5-Ю5

Динамический диапазон, дБ 60 50

1.4. Для проведения измерений параметров распространения ПАВ разработаны оптические приемники, имеющие 2 приемных канала, с полосой пропускания (0.1-50) МГц и порогом чувствительности близким к теоретическому ~10 "15 м/Гц1/2; при этом реализованы две принципиальные схемы такого приемника: на основе двух связанных по фазе обычных (одноканальных) интерферометров, освещаемых общим лазером, и на основе впервые разработанного лазерного интерферометрического приемника -двухканального, созданного на основе модификации интерферометра Майкельсона. Технические характеристики представлены в таблице.

Технические характеристики Оптический приемник

1 тип 2 тип

Полоса воспроизведения частот, МГц** (0,05-50) (0,05-50)

Порог чувствительности, м 1,1 • ю-ш 1,5 • Ю-10

Чувствительность, В/м 2,5 • 105 5 • 105

Динамический диапазон, дБ 50 45 при d=40 мкм

2. В рамках диссертационной работы разработаны две экспериментальные установки

- для генерации сверхкоротких акустических импульсов продольных волн;

- для генерации ультразвуковых рэлеевских волн.

2.1. Установка для генерации акустических импульсов продольных волн включает:

- разработанный на базе рубинового лазера оптический генератор, работающий в режиме активной синхронизации мод (АСМ);

- образец из кварца с тонкой металлической пленкой, нанесенной на его поверхность;

- лазерный интерферометр в качестве оптического приемника с рабочей полосой частот AJ= (0-2,2)ГГц и порогом чувствительности Д1= 7,0-Ю~10 м

Разработанная установка позволяет воспроизводить акустические сигналы со стабильными амплитудно-временными параметрами: длительностью акустического импульса Та ~3 не, амплитудой Ат ~300 ангстрем.

2.2. Установка для генерации ультразвуковых рэлеевских волн включает:

- оптические генераторы широкополосных и узкополосных сигналов ультразвуковых рэлеевских волн, разработанные на базе твердотельного импульсного оптического квантового генератора на рубине, работающего в двух режимах: режиме модулированной добротности и режиме активной синхронизации мод. В установке впервые реализован интерференционный метод генерации ПАВ, обеспечивающий перестройку частоты ПАВ.

Основные технические характеристики оптических генераторов широкополосных сигналов ПАВ Рэлея

Технические характеристики Оптический генератор

1 тип 2 тип

Диапазон интенсивности лазерного излучения, Вт/см2 О+Ю10 0+6-108

Минимальный размер ОАИ*\ мкм 300 50

Диапазон частот генерируемых ПАВ, МГц 0+15 0+30

Воспроизводимость характеристик ПАВ, % 10 10 диаметр D или ширина h

Основные технические характеристики оптического генератора узкополосных сигналов ПАВ Рэлея.

Технические характеристики Значение

Диапазон интенсивности лазерного излучения, Bt/cmz O-s-5-l О7

Диапазон частот генерируемых ПАВ, МГц 3-ИО

Амплитуда УЗ сигнала, м < 7-Ю"10

Воспроизводимость характеристик ПАВ, % 10

- набор образцов из различных металлов;

- оптический приемник на базе двухлучевого лазерного интерферометра (п.1.3)

Созданная экспериментальная установка предназначена для исследования характеристик ультразвуковых рэлеевских волн, генерируемых термооптическим источником.

3. Проведены экспериментальные исследования параметров сигналов ультразвуковых рэлеевских волн при различных механизмах взаимодействия лазерного излучения с поверхностью образца.

3.1. Впервые, с использованием широкополосного оптического приемника на базе двухлучевого лазерного интерферометра, выполнены экспериментальные исследования термооптической генерации широкополосных сигналов волн Рэлея:

-импульсным лазерным излучением в широком диапазоне интенсивности лазерного излучения, обеспечивающем реализацию всех механизмов лазерной генерации рэлеевских волн;

-в различных материалах;

-двумя основными типами оптико-акустических источников (точечный и линейный);

-лазерными импульсами различной длительности.

Показано, что амплитудно-временные и спектральные характеристики ПАВ определяются как параметрами оптико-акустического источника, так и акустическими и теплофизическими характеристиками самого материала.

3.2.Впервые, с использованием широкополосного оптического приемника на базе двухлучевого лазерного интерферометра, проведены исследования генерации узкополосных сигналов волн Рэлея импульсным лазерным излучением с использованием интерферометрического метода формирования пространственного периодического распределения интенсивности на поверхности.

Экспериментально показано, что данный метод при длительности лазерного импульса 25 не обеспечивает возбуждение ПАВ в диапазоне частот до 10 МГц и с амплитудой УЗ сигнала до 7-10"10 м.

3.3 Определены оптимальные режимы лазерной генерации УЗ рэлеевских волн. Разработана методика прецизионных измерений скорости распространения рэлеевских волн, обеспечивающая методическую относительную погрешность измерений ~Ы0"5.

3.4 Результатом исследований явилось создание эталонной установки и ее аттестация в качестве установки высшей точности УВТ 79-А-92, предназначенной для воспроизведения единицы скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн в диапазоне частот (О.З-ЗО)МГц, диапазоне скоростей (2000-^3500) м/с, с относительной погрешностью не более МО"4.

Созданная установка возглавляет государственную поверочную схему для средств измерений скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн.

3.5. Разработка установки УВТ 79-А-92 завершила цикл работ по созданию технической базы для Государственного специального эталонного комплекса по воспроизведению единиц скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн и коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн и определило ближайшую задачу - проведение аттестации эталонного комплекса в Госстандарте России.

Разработан проект Государственной поверочной схемы для средств измерений (Приложение А.З).

4. Для обеспечения передачи размеров акустических единиц от верхних звеньев поверочной схемы низшим с наименьшими потерями точности был исследован емкостный метод генерации и приема акустических сигналов. Впервые разработаны емкостные преобразователи с тонкопленочным диэлектриком. Исследованы возможности емкостного метода для генерации и приема акустических сигналов с применением таких преобразователей. Созданы высокоточные средства измерений акустических параметров конденсированных сред.

4.1 Емкостный генератор коротких акустических сигналов представляет собой генератор высоковольтных электрических импульсов, собранный на накопительной линии с искровым разрядником, которая нагружена на емкостный преобразователь с тонкопленочным диэлектриком. Вторым электродом является поверхность образца. Эффективность преобразования электрической энергии в акустическую не ниже ~ 10"3.

4.2 Емкостный приемник, входящий в состав установки, реализован на емкостном преобразователе с тонкопленочным диэлектриком и имеет следующие технические характеристики: g

- чувствительность, В/м 10 м | т

- порог чувствительности, м/Гц 2,5-10"

- полоса рабочих частот, Гц 4,0-108

- динамический диапазон, дБ 100,0

4.3 На экспериментальной установке для воспроизведения акустических сигналов нано- и субнаносекундного диапазона зарегистрированы акустические сигналы со следующими параметрами:

- длительность акустического импульса по основанию, не 40,0

- длительность переднего фронта, не 20,0

- амплитуда смещения, м 3,0-Ю'10 5. Развитие эталонного комплекса ВНИИФТИ «Дальстандарт» предполагает проведение следующих работ:

- разработку и аттестацию эталонной установки для измерения скорости распространения ультразвуковых сдвиговых волн;

- разработку и аттестацию эталонной установки для измерения коэффициента затухания ультразвуковых сдвиговых волн;

- разработку и аттестацию эталонной установки для измерения коэффициента затухания ультразвуковых поверхностных волн;

- разработку эталонной установки для контроля физико-механических характеристик твердых сред на основе прецизионных измерений скоростей распространения продольных и сдвиговых волн и их коэффициентов затухания.

5.1. Наиболее значимые результаты по этим работам, полученные на данном этапе следующие:

- впервые выявлены особенности во временной форме импульса сдвиговой волны при переходе от термоупругого режима к испарительному режиму генерации. Определен оптимальный переходный режим генерации импульса смещения сдвиговой волны. Предложены две методики измерения скорости распространения сдвиговых волн импульсно-лазерным методом. Разработана блок-схема установки для реализации методик. предложены две схемы для измерения коэффициента затухания ультразвуковых сдвиговых волн, с использованием эффекта трансформации акустических волн. Получены оценки точности и диапазона измерений.

- разработаны импульсный метод и методика измерения коэффициента затухания ПАВ на основе дискретного спектрально-временного анализа функции, описывающей форму широкополосного акустического импульса.

Метод базируется на бесконтактной регистрации параметров акустических импульсов в двух точках поверхности, расположенных на одной оси на различных расстояниях от опто-акустического источника.

Методика представляет собой практическую реализацию способа спектрального анализа импульсных сигналов на основе Фурье-преобразования в случае, когда функция задана набором дискретных точек, получаемых при обработке экспериментальных данных.

1. Брагинский В.Б., Манукин А.Б. Измерение малых сил в физических экспериментах.- М.: Наука, 1974.- 151 с.

2. Дьелсан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых средах.- М.: Наука, 1982.- 424 с.

3. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Изд. Советская энциклопедия, 1979.-400 с.

4. Цветянский В.Л. О прхождении ультразвуковых колебаний через контактный слой при акустических исследованиях твердых тел.// Акустический журнал.- 1981.- №4.- С.610-615.

5. Vincent. Influence of vearplate and coupling lager theckaess of ultrasonic velocity measurement // Ultrasonic.- 1987.- №4.- P. 237-243.

6. Архипов В.И., Кондратьев А.И. Исследование прохождения ультразвукового импульса через слой жидкорсти // Денфектоскопия. -1994.-№4.-С.21-25.

7. Щербинский В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия: вчера, сегодня, завтра // В мире неразрушающего контроля, 2002.- №4 (18). - С.6-9.

8. Ланге Ю.В. Многослойные конструкции и изделия из пластиков // В мире неразрушающего контроля, 2002.- №4 (18). - С.21-23/

9. Неразрушающий кнтроль: Справочник: В 7 т. Под общ. Ред. В.В.Клюева. Т.З: Ультразвуковой контроль/И.Н.Ермолов, Ю.В.Ланге. -М.Машиностроение,2004,- 864 стр.

10. Ультразвуковые преобразователи / Под ред. Кекучи.- М.: Мир, 1972.427 с.

11. Foster N.F. The performaus of dilatational ducers // IRE Trans on ultrasonic Engineering.- 1963.-UE-10, №1.- P.39-44.

12. Ананьева А.Л. Керамические приемники звука,- М.: Изд. АН СССР.-1963.-361 с.

13. Гончаров К.В., Краснльников B.JT. Тепловые механические колебания (флуктуации) пьезоэлектрических кристаллов // Известия АН СССР, Сер. физ.- 1956.- Т.20.- В.2.- С. 231-236.

14. Ван-дер-Зил А. Флуктуации в радиотехнике и физике.- М.: Госэнергоиздат, 1958.- 458 с.

15. Домаркас В.И., Кажис Р. Контрольно-измерительные и пьезоэлектрические преобразователи.- Вильнюс: Минтае, 1975.- 255 с.

16. Aindow А.Н., Cooper J.A., Dewhurst R.J., Palmer S.B. A sperical capacitance transducer for ultrasonic displacement measurements in NDE // J. Phys. E: Sci. Jnstrum.- 1987.- V.20.- P. 204-209.

17. Гитис М.Б., Добромыслов B.M., Сажин В.В. Определение некоторых параметров датчиков ультразвуковых дефектоскопов // Дефектоскопия.-1970.-№1.- С. 51-57.

18. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. Применение емкостного метода для регистрации коротких акустических импульсов // Дефектоскопия.- 1981.- №5.- С. 109-111.

19. Ким К., Ню JL, Кастаньеде Б., Саке В. Миниатюрный емкостный датчик для регистрации широкополосных ультразвуковых сигналов // Rev. Sci. Instrum.- 1989.- №8- Р.2785-2788.

20. Электро радио - материалы / Под ред. Б.Н. Тареева.- М.: Высшая школа, 1978.- 336 с.

21. Бергман JI. Ультразвук и его применение в науке и технике.- М.: Иностранная литература, 1957.- 520 с.

22. Болтарь К.О., Котелянский Н.Н., Мансфельд Г.Д. Исследование диэлектрического электроакустического преобразователя // Акустический журнал.- 1977.- Т.23.- С. 544-549.

23. Болтарь К.О., Мансфельд Г.Д. Возбуждение ультразвуковых импульсов в твердых средах // ПТЭ 1977 - №1 - С. 128-130.

24. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. Прецизионные акустические измерения оптическими и емкостными методами.-Владивосток: ДВО АН СССР, 1990- 240 с.

25. Зак Е.А. Когерентные световые методы измерения параметров механических колебаний (обзор) // Зарубежная радиоэлектроника.- 1975.-№12.- С. 70-76.

26. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С. и др. Действие излучения большой мощности на металлы.- М.: Наука,- 1970.- 272 с.

27. Агеев В.П. Исследование механического действия импульсного излучения СОг-лазера на твердые мишени в газовой среде // Квантовая электроника.- 1977.- Т.4.- №3.- С. 310-319.

28. Морозов JI.H., Проколов В.В., Станковский Б.А., Гитис Л.Д. Пьезополупроводниковые преобразователи и их применение.- М.: Энергия, 1973.- 120 с.

29. Броуд Г. Расчеты взрывов на ЭВМ. Гидродинамика взрывов.- М.: Мир, 1976.- 270 с.

30. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах.- М.: Наука, 1981.- 288 с.

31. Физическая акустика. Т. VII/ Под ред. У. Мэзона.- М.,Мир, 1973.-430 с.

32. Методы акустического контроля металлов/Под ред. Н.П. Алешина.-М.: Машиностроение, 1989.- 456 с.

33. Виноградов К.Н., Ульянов Г.К. Измерение скорости и затухания ультразвуковых поверхностных волн в твердых материалах//А куст, журн.-1959.- Т.5.- В.З.- С.290-293

34. Бондаренко А.Н. Лазерные методы возбуждения и регистрации акустических сигналов.- М.: Изд-во стандартов, 1989.- 115 с.

35. Карабутов А.А. Лазерное возбуждение поверхностных акустических волн: новое направление в оптико-акустической спектроскопии твердого тела//УФН.- 1985.-Т. 147.- В.З.- С.605-620

36. Firestone F., Frederic J. Refinements in supersonic reflectoscopy//J.Acoust. Soc. Am.- 1946.- V.18.- №1.- P.200-201

37. Minton C.F. Inspection of metals with ultrasonic surface waves//Nondestruct. Test.- 1954.- V.12.- № 4.- P. 13-16

38. Cook E.G., Valkenburg H.E. Surface waves at ultrasonic frequencies//ASTM Bull.- 1954.- №198.- P.81-84

39. A.c. №162373 (СССР). Возбудитель (приемник) ультразвуковых поверхностных волн /А.Г. Соколинский. Заявл. 24.06.58, №469139/26

40. Поверхностные акустические волны/Под ред. А. Олинера.- М.: Мир, 1981.-390 с.

41. Луговой В.А., Троценко В.П. Высокостабильный емкостный преобразователь ультразвуковых сигналов//ПТЭ.- 1986.- №3.- С. 194-195

42. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Измерение скорости и затухания рэлеевских волн емкостным преобразователем//Измерительная техника.-1991.- №5.- С.43-44

43. Rayleigh wave interaction with discontinuities: a numerical model and an experimental study/ Saffary N., Bond L.J., Dewhurst R.J. et al//Ultrasonics.- 1987.-V.25.- №6.- P.344-345

44. Scruby S.B. Some applications of laser ultrasound//Ultrasonics.- 1989.-V.27.- №4.- P. 195-209

45. P. Cielo, F. Nadeau, M. Lamontaqne. Laser generation of convergent acoustic waves for materials inspection //Ultrasonics.- 1985.- V.23.- №2.- P.55-62

46. Гусев В.Э., Карабутов A.A. Лазерная оптоакустика.- M., Наука, 1991.304 с.

47. Scruby C.B. Laser Generation of Ultrasound in Metals//Res. Techn. in NDT. London: Academic Press.- 1982.- V.5.- P.281-327

48. Hutchins D.A. Mechanisms of pulsed photoacoustic generation//Can. J. Phys.- 1986.-V.64.-P. 1247-1264

49. Aindow A.M., Dewhurst R.J., Hutchins D.A., Palmer S.B. Laser-generation ultrasonic pulses at free metal surfaces// J.Acoust. Soc. Am.- 1981.-V.69.- №2.- P. 449-456

50. Lee R.E., White R.M. Excitation of surface elastic waves by transient surface heating //Appl. Phys. Lett.-1968.-V.12.- №1.- P. 12-14

51. Ledbetter H.M., MoulderJ.C. Laser-induced Rayleigh waves in aluminium//J. Acoust. Soc. Am.- 1979.- V.65.- №3.- P.840-842

52. Ходинский A.H., Корочкин A.C., Михнов C.A. Свойства ультразвуковых колебаний, возникающих в твердом теле под воздействием излучения импульсного лазера//Журн. прикладной спектроскопии.- 1983.-Т.38.- №5.- С. 745-748

53. Голенищев-Кутузов А.В., Мигачев С.А., Яфаев Н.Р. Генерация поверхностных акустических волн с помощью импульсов лазерного излучения// Акуст. журн.- 1985.- Т.31.- №5.- С.671-672.

54. Архипов В.И. Возбуждение и регистрация поверхностного упругого импульса оптическими методами//Акустические измерения в твердом теле. Сб. науч. тр./ВНИИФТРИ.- М.: 1983.- С.16-19

55. Aussel J.D., Brun A., Baboux J.C. Generating acoustic waves by laser: theoretical and experimental study of the emission source//Ultrasonics.- 1988.-V.26.- №9.- P.245-255

56. Ash E.A., Dieulesaint E., Rakouth H. Generation of surface acoustic waves by means of a c.w. laser//Electron. Lett.- 1980.- V.16.- №12.- P.470-472

57. Burov J.I., Branzalov K.P., Ivanov D.V. High accuracy noncontact laser-optical method for measuring surface acoustic wave velocity and attenuation//Appl. Phys. Lett.- 1985.- V.46.- №2.- P. 141-142

58. Murrey T.W., Baldwin K.C., Wagner J.W. Laser ultrasonic chirp sources for low damage and high detectability without loss of temporal resolution//J. Acoust. Soc. Am.- 1997.- V.102.- №5.- P.2742-2746

59. Huang J., Krishnaswamy S., Achenbach J.D. Laser generation of narrowband surface waves//! Acoust. Soc. Am.- 1992.- V.92.- №5,- P.2527-2531

60. Nakano H., Nagai S. Laser generation of antisimmetric Lamb waves in thin plates//Ultrasonic.- 1991.- V.29.- №5.- P.230-234

61. Деев B.H., Пятаков П.А. Оптическая генерация звука в фотопроводящем пьезоэлектрике//Письма в ЖЭТФ.- 1986.- Т.12.- В.15.-С.928-932

62. Monchalin J.-P. Optical Detection of Ultrasound//IEEE Trans, on UFFC.-1986.- V.UFFC-33.- №5.- P.485-499

63. Базылев П.В., Бондаренко A.H., Луговой B.A. Лазерное возбуждение сверхкоротких акустических импульсов//Дефектоскопия.- 1989.-№4.-С24-30 с

64. Aharoni A., Tur М., Jassby К.М. Monitoring material grain size by laser-generated ultrasound//Appl. Phys. Lett.- 1991.- V.59.- P. 3530-3532

65. Doule P.A., Scala C.M. Near-field ultrasonic Rayleigh waves from a laser line source //Ultrasonic.- 1996.- V.34.- P. 1-8

66. Murrey T.W., Deaton J.B., Wagner J. W. Experimental evaluation of enhanced generation of ultrasonic waves using an array of laser sources//Ultrasonic.- 1996.- V.34.- P.69-77

67. Berthelot Y.H. Half-order derivative formulation for the analysis of laser-generated Rayleigh waves //Ultrasonic.- 1994.- V.32.- P. 153-154

68. Deutsch W.A.K., Cheng A., Achenbach J.D. Focusing of Rayleigh waves: Simulation and Experiments//IEEE Trans, on UFFC.- 1999.- V.46.- №2.- P.333-340

69. Чувствительность интерференционного метода измерения малых колебаний поверхности твердых тел / Бесхлебный В.И., Бондаренко А.Н., Панин В.И. и др. //Измерительная техника.- 1974.- №9.- С. 56-57.

70. Уменьшение флуктуации мощности газового лазера / Воронин Э.С. и др.//ПТЭ.- 1971.-№5.-С. 200-202.

71. Метод снижения шумов газового лазера / Бородавка В.П. и др. // Оптико-механическая промышленность.- 1977.- №3.- С. 11-14.

72. Бондаренко А.Н., Криницын Ю.М., Луговой В.А. Экспериментальное определение предельного порога чувствительности оптического измерителя акустических колебаний // Метрология. 1981. - №5. - С. 11-16.

73. Ищенко Е.С., Климков Ю.Н. Оптические квантовые генераторы.- М.: Сов. радио, 1968.-470 с.

74. А.С.№ 326677. СССР МКИ НО Is 3/02. Резонатор для оптического квантового генератора / Троицкий Ю.В./СССР/.- Заявка от 05.08.1963.- Бюлл. изобр., 1972.- №4.

75. Авдоченко Б.И., Ильюшенко В.Н. Пикосекундные усилительные модули с повышенным выходным напряжением // ПТЭ. 1987. - №2.- 115с.

76. Авдоченко Б.И., Ильюшенко В.Н, Донских Л.П. Пикосекундные усилители//ПТЭ.-1985.-№1.-С.249.

77. Оптическая установка для измерения сверхмалых акустических колебаний./А.Н.Бондаренко, Б.Я.Маслов, В.П.Троценко и др.// ПТЭ.-1975.-№6.-С. 0101-104.

78. А.С. 1415072, СССР, МКИ3 G01H9/00. Интерференционный способ измерения малых ультразвуковых сигналов и интерференционное устройство для его осуществления /С.А.Гусаков, А.И.Кондратьев// Открытия. Изобретения. -1988. №29. С. 153-154

79. А.С. № 1315793. СССР. МКИ GOln 29/04. Способ измерения колебаний объекта и устройство для его осуществления / Бондаренко А.И., Кондратьев А.И., Гусаков С.А. /СССР/.- Открытия. Изобретения.- 1987.№21. С. 174.

80. А.С.№ 1003628 СССР. Интерферометрический способ измерения дисперсии скорости ультразвука в жидкости / Бщрдаренко А.Н., Луговой В.А. (СССР)-Заявка №3314201. Приоритет от 10.07.1981.- Зарегистрировано 09.11.1982.- Бюл. 1983-№9.-С.154

81. Копвиллем У.В., Бондаренко А.Н., Луговой В.А. и др. Регистрация собственных резонаторов Земли с помощью лазерного измерителя деформаций // Динамические процессы в океане и атмосфере: Сб. научн. тр.-Владивосток, 1981.-С. 18-29.

82. Бондаренко А.Н., Луговой В.А. Стабилизированный лазер для оптического дефармометра // Материалы 2-го Всероссийского симпозиума «Сейсмоакустика переходных зон».-Владивосток,2001.-С.74

83. Луговой В.А. Интерферометрические измерители показателя преломления // Материалы 2-ой региональной научной конференции

84. Физика: фундаментальные и прикладные исследования».-Хабаровск,2001.-С.112.

85. Луговой В.А. Интерферометрический оптический приемник для регистрации акустических сигналов нано и субнаносекундной длительности // Бюллетень научных сообщений / под ред. В.И. Строганова. -Хабаровск: Изд - во ДВГУПС, 1996. - №1.-С.49-50

86. Базылев П.В. О частотном диапазоне лазерного интерферометра при регистрации ПАВ//Бюллетень научных сообщений /под ред. В.И. Строганова.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 1999.- №4.- С. 12-16

87. Базылев П.В., Луговой В.А. Исследование характеристик оптического приемника ультразвуковых колебаний с полупроводниковым лазером // Бюллетень научных сообщений / под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: Изд - во ДВГУПС,2002. - №7.-С.4-5

88. M.J. Brienza and A.J. De Maria. Lasser-induced microwavs sound by surface heating // J. Appl. Phys.- 1965.- V.36.- P. 462-465.

89. J.F. Ready. Effects due to absorpion of laser radiation // J.Appl. Phys.-1965.- V.36.- P. 462-465.

90. R.M. White. Generation of elasticwaves by transient surface heating // J.Appl. Phys.- 1963.- V.34.- P. 3559-3567.

91. C. Thomsen, J. Strait, Z. Vardeny и др. Coheren Phonon Generation and Detection by Picoseconnd light Pulses // Phys. Rev. Letts.- 1984.- V.53.- P. 989995.

92. A.C. Tam. Pulsed laser generation of ultrashortacoustic pulses: Application for thinfilm ultrasonic measurement// Appl. Phys. Lett.- 1984.-V.45.-P. 510-512.

93. Гусев В.Э. Возбуждение сверхкоротких импульсов деформации при поглощении светового излучения // Квантовая электроника.- 1984.- Т. 11.-№11.- С. 2197-2209.

94. Аванесян С.Н., Гусев В.Э. Возбуждение сверхкоротких импульсов дефформации при поглощении оптического излучения // Квантовая электроника.- 1986,-Т. 13.-№6.-С. 1241-1249.

95. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Круглов С.В. Оптическое возбуждение и регистрация акустических импульсов при неразрушающих испытаниях // Дефектоскопия.- 1976.- №6.- С. 71-73.

96. Дж. Такер, В.Рэмптон. Гиперзвук в физике твердого тела.- М.: Мир, 1975.- 163 с.

97. Лившиц Е.М., Питаевская Л.П. Физическая кинетика: Теоретическая физикаю- М.: Мир, 1979.- Т. 10.- 203 с.

98. Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. // Тез. докл. Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике.- Ереван, 1982,- Ч.2.- С.540.

99. Hargrove L., Fork R., Pollack H. Locking of He-Ne lasser modes indused by synchronous intracavity modulation // Appl. Phys. Letts.- 1965.- V.5.-11.- P.4.

100. De Maria A., Stetser D., Heunau H. Self mode locking of lasers wiht saturable absorbers//Appl. Phys. Letts.- 1966.- V.S.-^.-P. 174.

101. Малышев В.И., Маркин A.C., Сычев А.А. Самосинхронизация мод в гигантском импульсе ОКГ на рубине с широким спектром // Письма в ЖЭТФ.- 1967.- Т.6.- !2.- С.503-505.

102. Weber Н. Generation and measurement of ultrashort light pulses // J.Appl. Phys.- 1968.- V.39.-№13.- P. 6041.

103. Кайтмазов С.Д., Красюк И.К., Пашинин П.П., Прохоров A.M. Характеристики ОКГ, работающего в режиме синхронизации мод // ДАН СССР.- 1968.- Т. 180.- '6.- С. 1331.

104. De Maria A., Glenn W., Brienza H. Picosecond laser pulses // Proc. IEEE.-1969.- V.57.-4.-P.2.

105. Зельдович Б.Я., Кузнецова Т.И. Генерация сверхкоротких импульсов света с помощью лазеров // УФН.- 1972.- Т. 106.- В.1.- с. 47-84.

106. Маркин А.С. Дискриминация типов колебаний и явление самосинхронизации в ОКГ на твердом теле с просветляющимся фильтром // Труды ФИАН, 1971.- Т.56.- С.3-65.

107. ПО. Гуревич Г.Д., Ингель JI.X. О синхронизации мод ОКГ при резонансной модуляции параметров резонатора // Изв. вузов СССР. Радиофизика.- 1974.- Т. 17.-№12.- С. 219-226.

108. Кривощеков Г.В., Никулин Н.Г., Смирнов B.J1. Генерация ультракоротких импульсов в лазере с двухкомпонентной средой при вынужденной синхронизации мод // Квантовая электроника.- 1975.- №9.- С. 2019-2025.

109. Бондаренко А.Н., Базылев П.В., Луговой В.А. Лазерное возбуждение сверхкоротких акустических импульсов // Дефектоскопия.- 1989.- №4.-С.29-30.

110. Аршинов Ю.Ф., Базылев П.В., Луговой В.А. и др. Calibration of а Raman-Lidar GasAnalizer of Atmospheric Emission from Plant Stacks Using a Remote GazChamber// 18 th International Laser Radar Conpherence.-1995.-Leipzig, Germany.

111. Тарасов A.B. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения.- М.: Радио и связь, 1981.- 439 с.

112. Быстрое Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства.- М.: Высшая школа, 1989.- 287 с.

113. Бункин Н.Ф. Комиссаров В.М. Оптическое возбуждение звуковых волн// Акуст. журн.- 1973.- Т.19.- В.З.- С.305-320

114. Pekeris C.L. The seismic surface pulse// Proc. Nat. Academ. Sci.- 1955.-V.41.- №7.- P.469-480

115. Усиление поверхностной акустической волны в твердом теле при сопровождении ее лазерным излучением/Е.П. Велихов, Е.В. Даньщиков, В.А. Дымшаков и др. // Письма в ЖЭТФ.- 1983.- Т.38.- В. 10.- С.483-48

116. Характеристики поверхностной акустической волны, возбуждаемой движущимся лучом лазера/Е.В. Даньщиков, В.А. Дымшаков, A.M. Дыхне и др. //Акуст. журн.- 1987.- Т.ЗЗ.- В.6.- С.1035-1040

117. Базылев П.В., Луговой В.А. Лазерная генерация узкополосных рэлеевских волн//Тез. докл. 2-й региональной научной конф. "Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование".- Хабаровск, 2001.- С.113-114

118. Исследование амплитудно-временных характеристик поверхностных акустических волн при лазерном возбуждении/Базылев П.В., Бондаренко А.Н., Луговой В.А. и др. //Автометрия.- 2002.- №2.- С.101-107

119. Архипов В.И., Бондаренко А.Н. Кондратьев А.И. Исследование возбуждения упругих импульсов лазерным излучением в металлах//Акуст. журн.- 1982.- Т.28.- В.З.- С.303-309.

120. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов.- М.: Машиностроение, 1989.- 304 с.

121. Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И. Измерение дисперсии скорости и затухания упругих волн// Акуст. журн.- 1981.- Т.27.- В.1.- С. 51-55

122. Базылев П.В., Бондаренко А.Н., Луговой В.А. Лазерная установка для измерения скорости распространения поверхностных волн Рэлея// Дефектоскопия.- 1990.- №10.- С. 91-93

123. Базылев П.В. Экспериментальное исследование частотного диапазона оптического приемника поверхностных акустических волн//Бюллетеньнаучных сообщений /под ред. В.И. Строганова.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001.-№6.- С.55-59.

124. Гусаков С.А., Кондратьев А.И. Образцовая установка для комплексного измерения акустических параметров материалов//Измерительная техника.- 1989.- №7.- С. 50-52

125. Ицхоки Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства.-М.: Сов. Радио, 1972.- 592 с.

126. Мейлинг В., Стари Ф. Наносекундная импульсная техника.- М., Атомиздат, 1973.- 384 с.

127. Образцовая лазерная установка для аттестации акустических мер по скорости ультразвука/В.И. Архипов, А.Н. Бондаренко, Ю.Б. Дробот и др. //Измерительная техника.- 1984.- №2.- С.60-62

128. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Аттестация датчиков сигналов акустической эмиссии // Тезисы докладов 1-го Всероссийского семинара «Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля». -Москва, 1999 С.83

129. Архипов В.И., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Метрологическое обеспечение средств неразрушающего контроля // Тезисы докладов 4-ой Международной конференции «Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль». Москва, 1998 - С.51.

130. Луговой В.А., Лыков Ю.И. Метрологическое обеспечение акустических измерений в твердом теле // Материалы 2-го Всероссийского научно-технического семинара « Метрологическое обеспеченик в области неразрушающего контроля».-Москва,2000-С.25.

131. Кольский Г. Волны напряжения в твердых телах.- М.: Иностранная литература, 1965.- 148 с.

132. Иванов А.Г., Новиков С.А. Метод емкостного датчика для регистрации мгновенной скорости движущейся поверхности // ПТЭ.- 1963.- №1.- С. 135-139.

133. Микс, Петере, Арнольд. Емкостные микрофоны для ультразвуковых измерений в твердых телах//ПНИ.- 1971.- 40.- С. 57-60.

134. Bruneau A.M. Amplitude and phase measurement of vibration of radioting surfaces in order to determine the emited sound field // Andio Engineering Society.- 1983.- V.31.- 42.- P. 907-913.

135. Bindal V.N., Saksena Т.К., Jain S.K. Broadband Capacitive Transducer for Characterizing Pulsed Ultrasonic Sistems // Indian Journal of Technology.-1984.- V.22.- P. 397-400.

136. Aindow A.H., Cooper J.A., Dewhurst R.J., Palmer S.B. A sperical capacitance transducer for ultrasonic displacement measurements in NDE // J. Phys. E: Sci. Jnstrum.- 1987.- V.20.- P. 204-209.

137. Ким, Саке. Самоустанавливающийся емкостный датчик для регистрации широкополосных ультразвуковых сигналов смещения // ПНИ.- 1986.-№2.-С. 133-136.

138. Сканави Г.И. Физика диэлектриков.- М.: Изд-во физ.-мат. наук, 1968.98 с.

139. Голубев А.И. Анодное окисление алюминиевых сплавов.- М.: АН СССР, 1961.- 192 с.

140. Бондаренко А.Н., Маслов Б.Я., Рудая Б.Б., Троценко В.П. Оптическая установка для измерения сверхмалых акустических колебаний // ПТЭ.- 1975.-№6.-С. 101-104.

141. Разработка методов и средств генерации сверхкоротких (10-10) акусти-ческих импульсов бесконтактным способом: Отчет о НИР / НПО "Дальстан-дарт" Рук. Бондаренко.-№ ГР 01840007025. Инв. № 02870044336.-Хабаровск, 1987.- 63 с.

142. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. Возбуждение упругих колебаний емкостным методом // Дефектоскопия.- 1983.- №6.- С. 99-101.

143. Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Тонкопленочный самоустанавливающийся датчик ультразвуковых сигналов // ПТЭ.- 1988.-№2.-С. 197-199.

144. Кондратьев А.И., Архипов В.И., Луговой В.А. Измерение скорости продольных ультразвуковых волн емкостным преобразователем // Дефектоскопия.-1988.-№2.-С.90-93.

145. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Измерение скорости и затухания Рэлеевских волн емкостным преобразователем // Измерительная техника. -1991 .-№5 .-С .43-44.

146. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Высокоточные методы измерений физико-механических характеристик твердых сред // Материалы Международной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики». Хабаровск,2003.-С.577-580

147. Архипов В.И., Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И. Оптический метод измерения скорости сдвиговых волн // Измерительная техника.- 1984. № 3. — С.27-28.

148. Петрашень Г.И., Марчук Г.И., Огурцов К.И. О задаче Лэмба в случае полупространства//Ученые записки ЛГУ.- 1950.- №21. — 202с.

149. Огурцов К.И. Количественные исследования волновых процессов в упругом полупространстве при различных типах воздействий //Ученые записки ЛГУ.-1954.- № 208. — с. 142- 219.

150. Чабанов В.Е. Возбуждение и рассеяние нестационарных акустических сигналов при контроле твердых тел //Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.- М:, /Рукопись/ НПО ЦНИИТМАШ.-1990 — 33с.

151. Scruby С.В., Wadley H.N.G., Dewhurst D.A., Palmer S.B. A laser-generated standard emission source // Mater. Eval.-1981.- v.39.- №13.— p.p.1250-1254.

152. Архипов В.И., Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И. Влияние длины волны на форму упругих импульсов при лазерном возбуждении // Акустический журнал.- 1984.-Т.30.- №1. — С.5- 9.

153. G. Birnbaum, G.S. White. Laser techniques in NTD. /Nondestructive Testing, chapter 8/, London, 1984.

154. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов / Л17 Справочник/ Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора.- М,: Машиностроение, 1985—496 с.

155. Pekarek V. Relation between elastic and heart parameters in metals. // Materials Science and Engineering.-1989.-A112, —p.p. 193-198.

156. J.-D. Aussel and J.-P. Monchalin . Precision laser-ultrasonic measurement and elastic constant determenation // Ultrasonics, v.27, May, 1989 — p.p. 165-177

157. Hsu N.H. Dynamic Green's function of infinite plate /А compute program Report NBSIR 85-3234, National Bureau of Standards, Gaithersburg, MD, 1985.

158. M. Элайсез, Ф. Гарсиа-Молинер. Распространение волновых пакетов и частотно-зависимое трение. М:, Мир, Физическая акустика под ред. У.Мэзона, 1973 — С. 192- 253.

159. Самедов Я.Ю., Щербинский В.Г. Экспериментальное исследование влияния шероховатости на параметры поверхностной волны//Дефектоскопия.- 1989.- №8.- С. 85-87

160. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение. 1981. 240 с

161. Ермолов И.Н. Контроль ультразвуком (краткий справочник). М.: НПО ЦНИИТМАШ. 1992. 86 с

162. Меркулов Л.Г. Исследование рассеяния ультразвука в металлах // ЖТФ. 1956. Т.26. №1. С. 64-75

163. Труэл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир. 1978. 544 с

164. Баранов В.М. Акустические измерения в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат. 1990. 320 с

165. Буденков Г.А., Гурвич С.Ю. Современное состояние бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля. Обзор // Дефектоскопия. 1983. №5. С. 5-33

166. Jin С. A continuous wave method for simultaneous sound velosity and attenuation measurements // Rev. Sci. Instrum. 1996. V. 67. № 1. P. 271

167. Богданов C.B., Зубриков И.И. и др. Интерференционный акустооптический метод измерения скорости звука // Акустический журнал. 2000. т. 46. № 1.С. 35-42

168. Кондратьев А.И. Разработка и создание прецизионных методов и средств измерения акустических величин твердых сред. Автореферат д.т.н. Владивосток, 1998,41с.

169. Архипов В.И., Кондратьев А.И. О качестве образцов для ультразвуковых измерений // Дефектоскопия. 1991. № 10. С. 41-49

170. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Датчик акустических сигналов для высокоточных измерений//Дефектоскопия.-1990.-№3.-С.30-38.

171. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана.- Л.: Гидрометеоиздат, 1984,- 264 с.

172. Колмагоров В.Н., Соседов В.Н., Глухов И.А. Приемники сигналов акустической эмиссии // Дефектоскопия.- 1980.- №7.- С. 94-96.

173. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Емкостный широкополосный датчик сигналов акустической эмиссии // Тезисы докладов 4-ой Международной конференции «Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль». Москва, 1998-С.47.

174. Кондратьев А.И., Базылев П.В., Луговой В.А. Имитатор сигналов акустической эмиссии // Тезисы докладов 4-ой Международной конференции «Акустическая эмиссия. Неразрушающий контроль».- Москва ,1998 С.63.

175. Луговой В.А. Широкополосный емкостный приемник акустических сигналов // Материалы 3-го Всероссийского симпозиума «Сейсмоакустика переходных зон».-Владивосток,2003.-С.56-58

176. Бондаренко А.Н., Луговой В.А. Трехкомпонентный скважийный прибор для приема сейсмоакустических сигналов // Материалы 3-го Всероссийского симпозиума «Сейсмоакустика переходных зон».-Владивосток,2003.-С.58-59

177. Луговой В.А. Широкополосный приемник акустических сигналов // Материалы Дальневосточного инновационного форума.- Хабаровск,2003. С. 174-175

178. Бондаренко А.Н., Луговой В.А. Трехкоординатный прибор для приема сейсмоакустических сигналов // Материалы 8-ой Международной конференции «Современные метода и средства Океанологических исследований».- Москва, 2003. С.212-213

179. Бондаренко А.Н., Луговой В.А. Скважийный прибор для приема сейсмоакустических сигналов // Тезисы докладов 3-ей Международнойвыставки и конференции «Неразрушающий контроль техническая диагностика». Москва,2004.-С.227

180. АС №1831237 СССР. Способ настройки емкостного преобразователя и емкостный самонастраивающийся преобразователь / Бондаренко А.Н., Луговой В.А. (СССР) Заявка № 4607082.- Приоритет от 03.10.1988.-Зарегистрировано 13.10.1992.-Бюл. 1993.-№28.-С.79.

181. Кондратьев А.И., Рямлянд В.И. Казарбин А.В. Способ контроля и стабилизации чувствительности емкостного преобразователя. Заявка на предполагаемое изобретение. Кл. МКИ3 H04R 19/00

182. Кондратьев А.И., Рямлянд В.И. Казарбин А.В. Самокалибрующийся емкостный преобразователь. Заявка на предполагаемое изобретение. Кл. МКИ3 H04R 19/00

183. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Способ механического совмещения возбуждающего преобразователя и раздельно-совмещенный емкостный преобразователь. Заявка на предполагаемое изобретение. Кл. МКИ3 Н04 R19/00.

184. МИ 2227-92. Рекомендации по метрологии. Государственная поверочная схема для средств измерений скорости распространения ультразвуковых рэлеевских волн в твердых средах. М:. Изд-во стандартов. 1992.-6 с.