Оптические методы возбуждения и регистрации сверхкоротких акустических импульсов в твердых средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Луговой Владимир Александрович

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ СВЕРХКОРОТКИХ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ

01.04.05 -Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Луговой Владимир Александрович

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ СВЕРХКОРОТКИХ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ

01.04.05 - Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в НПО "Дальстандарт".

А.Н. Бондаренко Ю.Б. Дробот

Ю.И. Болотин О.А. Букин

Научные руководители: - доктор физико-математических наук, профессор, доктор технических наук. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доктор физико-математических наук.

Ведущая организация: Дальневосточный государственный университет (г. Владивосток).

Защита состоится «/¿Г» 1998 г. на заседании дис-

сертационного совета К 114.12.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 236.

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

Автореферат разослан 17 мая 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета К 114.12.01 кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник ^ Б.Ф. Аптер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обращая внимание на частотный диапазон акустических волн, используемых в науке и технике, следует отметить, что в современной акустике твердого тела хорошо освоены частоты до 109 Гц и имеются лишь отдельные работы, в которых изучаются возбуждение и распространение акустических волн с частотами до 1011 Гц.

В то же время решение таких проблем как акустическое взаимодействие со свободными носителями в полупроводниках, с электронами грово-димости в металлах, акустический парамагнитный резонанс, взаимодействие с мягкой модой при фазовых переходах, нелинейные эффекты при распространении акустических волн, дающих представление о пространственном масштабе исследуемых объектов и скорости протекания процессов и явлений, требует освоения частотного диапазона до 101О-10и Гц.

Освоение частотного диапазона до 101°-10 Гц требуется и для технических приложений, в частности для неразрушающего контроля качества, где акустические импульсные методы измерений являются преобладающими, и для обеспечения наивысшей точности измерений и расширения частотного диапазона исследований которых возникает необходимость воспроизведения сверхкоротких (10"10-Ю"11 с) акустических импульсов. Вот некоторые примеры.

Возбуждение поверхностных акустических волн (ПАВ). Для возбуждения акустических поверхностных волн необходимо выполнение условия х « Т, где т - длительность зондирующего импульса, Т - период акустической монохроматической волны. Так для возбуждения ПАЕ5 частотой 50 МГц, длительность зондирующего импульса должна иметь значение х «10"9с.

Толщинометрия и дефектоскопия сверхвысокого разрешения.

Разрешающая способность толщиномеров определяется длительностью зондирующего импульса т. Минимальная толщина И, измеряемая эхо-импульсным толщиномером, определяется формулой Ь = 1У2т а, где а -скорость распространения акустической волны в материале. При т = 10"1Осм а = 5 .103м/с измеряемая толщина равна 2,5*10 м.

В дефектоскопии для достижения сверхвысокого разрешения перспективным является спектральный метод, основанный на анализе измерения спектра акустического импульса, прошедшего через дефектный

участок. При этом минимальным размер гт1П 2 ~-, а разрешающая

2Д о)

способность А г < —, где А со - ширина спектра зондирующего аку-2А<э

стического импульса. При длительности зондирующего импульса т~10"19си а =5П03м/с, гтш> 8.10 ® м, Аг < 8.10'3м.

В дополнение, не останавливаясь подробно, отметим только, что при контроле упругих и прочностных характеристик конструкционных материалов используются акустические колебания в диапазоне до Ю10 Гц, в

ультразвуковой спектроскопии пространственные масштабы объектов таковы, что требуют использования акустических волн сЫ0'?м, что соответствует частотам Ю10 Гц, в акустико-эмиссионном контроле для определения передаточной функции объекта целесообразно использование акустических импульсов длительностью т = 10"1О-10"11 с, моделирующих дельта функцию.

Вот краткий перечень научно-технических проблем, требующих создания теоретической и экспериментальной базы для воспроизведения сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ).

Цель и задачи работы. Целью исследования является выбор, анализ и развитие наиболее перспективных методов возбуждения и приема сверхкоротких акустических сигналов (СКАИ) в твердых средах; техническая реализация оптического метода с целью создания экспериментального задела для последующих разработок эталонных установок, образцовых и высокоточных рабочих средств воспроизведения сверхкоротких акустических импульсов; исследование оптическими средствами возможностей воспроизведения СКАИ емкостным методом.

При этом основными задачами являются:

- разработка и техническая реализация оптического метода, позволяющего возбуждать СКАИ со стабильными амплитудно-временными характеристиками;

- разработка и создание оптического приемника СКАИ, работающего в частотном диапазоне, верхняя граница которого равна 10 -1011 Гц;

- разработка и создание экспериментального макета емкостного генератора и приемника СКАИ и исследование их возможностей оптическими средствами.

Методы исследований. Из известных методов генерации и приема СКАИ, как наиболее перспективные, анализировались оптический и емкостный методы.

При рассмотрении оптического метода сравнивались возможности твердотельных лазеров, работающих в режиме пассивной и активной синхронизации мод, для возбуждения СКАИ; анализировались условия возбуждения СКАИ в образце? и предъявляемые при этом требования к нему; анализировались технические характеристики оптического приемника и разрабатывались меры их улучшения.

При разработке емкостного метода рассчитывались его возможности при возбуждении СКАИ, выявлялись возможности увеличения эффективности возбуждения, оценивались технические характеристики емкостного приемника и намечались пути их улучшения.

Экспериментальная проверка вышеназванных возможностей и оценок проводилась на лабораторной установке с использованием твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме вынужденной синхронизации мод, двухлучевого лазерного интерферометра и емкостных преобразователей, разработанных и созданных в лабораторных условиях.

Научная новизна. В предыдущих исследованиях по освоению гигагерцового диапазона в акустике твердого тела использовались методы и средства, позволяющие реализовывать либо монохроматические акустические,волны гигагерцового диапазона, либо сверхкороткие акустические

импульсы, амплитудно-временные параметры которых воспроизводились с некоторой вероятностью. Регистрация акустических сигналов осуществлялась резонансными пьезоэлектрическими приемниками.

В представленной работе предлагается следующее:

- 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;

- для регистрации и оценки амплитудно-временных параметров СКАИ разработан оптический приемник с предельно низким порогом чувствительности 1,5.10"14 м/Гц в полосе частот ~ Ю10 Гц);

- для достижения предельно низкого порога чувствительности оптического приемника в полосе частот Ю10 Гц разработан (введением в резонатор серийно выпускаемого лазера ЛГ-79/2 "селектора Троицкого") и используется одночастотный лазер, служащий источником когерентного излучения в двухлучевом лазерном интерферометре;

- впервые, для реализации возможностей емкостного метода возбуждения и приема СКАИ разработаны и используются емкостные преобразователи с тонкопленочными диэлектриками.

Практическая ценность и реализация результатов. Созданный в работе теоретический и экспериментальный задел по возбуждению и регистрации сверхкоротких акустических импульсов СКАИ с использованием оптического и емкостного методов содержит следующие возможности:

- предполагает в дальнейшем использование для создания эталонных, образцовых и высокоточных рабочих средств измерений акустических параметров твердых сред с использованием СКАИ;

- позволяет разработать средства, повышающие точность измерений существующих установок высшей точности (УВТ) для измерения скорости распространения продольных (УВТ 39-А-86) и поверхностных (УВТ 79-А-92) акустических волн;

- позволяет создать приборы, акустического контроля с улучшенными характеристиками: дефектоскопы, струюуроскопы и толщиномеры с разрешающей способностью ~ 10'7 м;

- позволяет создать средства калибровки и аттестации средств измерений параметров акустического поля в нано- и субнаносекундном диапазоне;

- позволяет расширить диапазон исследований акустическими методами до частот Ю10 -1011 Гц.

Результаты работы реализованы следующим образом: с учетом проведенных исследований создана оптическая установка высшей точности (УВТ) для воспроизведения скорости распространения волн Релея - УВТ-79-А-92;

- разработанные емкостные преобразователи с тонкопленочными' диэлектриками вошли в узлы возбуждения и приема при создании установки высшей точности для воспроизведения коэффициента затухания в твердых средах - УВТ-73-А-91;

- созданы измерители акустических параметров в твердых и жидких средах на базе емкостных преобразователей с тонкопленочными ди-

электриками: приемники самоустанавливающиеся и самокалибрующиеся; датчики со сферическими, цилиндрическими и плоскими электродами; датчики с протектором и без него.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1, 3-5, 7, 8, 10-13], изложены в трех 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 г.);

на Всесоюзных конференциях "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1984, 1987 гг.).

Основные положения работы защищены 4 авторскими свидетельствами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы и приложение. Общий объем работы составляет 145 страниц, включая 32 рисунка, 10 таблиц и библиографию из 73 наименований.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Использование при разработке оптического приемника равно-плечного (равенство оптических плеч с точностью до < 50 мкм) двухлуче-вого 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 интенсивностных шумов лазера; системы автоподстройки равенства плеч интерферометра для снижения влияния тепловых деформаций и вредных акустических шумов позволяет создать на базе двухлу-чевогэ лазерного интерферометра оптический приемник в полосе частот до Ю10 Гц с предельно низким порогом чувствительности, спектральная плотность которого ~ 1,5*10"14 м/Гц .

. 2'.. Использование при создании генератора сверхкоротких акустических импульсов в качестве генератора сверхкоротких световых импульсов (СКИ) твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме активной синхронизации мод и в качестве объекта, в котором возбуждаются акустические сигналы, образца из слабопоглащающего материала (например, кварца) с нанесенной на его поверхность пленкой позволяет создать генератор сверхкоротких акустических импульсов со стабильными (20 %) амплитудно-временными характеристиками.

3. Использование емкостного метода возможно для создания генератора сверхкоротких акустических импульсов со стабильными амплитудно-временными параметрами.

3.1. Впервые разработанные емкостные преобразователи с тонкопленочными диэлектриками позволяют создать емкостные генераторы и приемники со стабильными во времени техническими характеристиками.

3.2. Использование в качестве диэлектрика тонкой пленки А1:,03| с относительной диэлектрической проницаемостью ~ 8,0, позволяет увеличить чувствительность и снизить порог чувствительности емкостного приемника до ~ 10е В/м и - 2,5*1017 м/Гц1'2 соответственно и повысить эффективность преобразования электрической энергии в акустическую в емкостном генераторе до 10'2-10"3.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе дается аналитический обзор методов возбуждения и регистрации сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ). Анализируется магнитострикционный, пьезоэлектрический, емкостной и оптический методы. Дается сравнительная оценка методов, представленная таблицей.

Во второй главе формулируются требования к оптическому приемнику, предназначенному для регистрации СКАИ. Описывается конструкция интерферометрической головки разработанного равноплечного двухлучевого лазерного интерферометра. Даются оценки и результаты экспериментальных исследований технических характеристик оптического приемника на базе двухлучевого лазерного интерферометра (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 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; описывается 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/Гц1'2.

Чувствительность оптического приемника определяется по формуле

7, = М / Д/ = (/тах-'тт)2я- / Я.

где imax 1 z min~ фототоки в максимуме и минимуме интерференционной картины, Л - длина световой волны; Ai - изменение фототока, вызванное смещением AI в акустической волне.

Для интерферометра с одночастотным лазером мощностью 2,4 тВт в качестве источника излучения и фотодиодом ФД-21КП в качестве фотоприемника расчетное значение чувствительности по току и напряжению составляет соответственно Т]Р = 1,5« Ю^ А/м и

Т)Р = 7,5« 105 В/м. Экспериментально полученное значение равно

rfu = 5,0. ю4 В/м.

Если в качестве фотоприемника использовать ЛФД-2, то следует ожидать, что tjP - 6,5 • 105 А/м и г)Р = 3,3 • 107 В/м.

Полоса воспроизведения частот определяется областью дисперсии Av двухлучевого лазерного интерферометра (Ли = С/21, где С - скорость света; / - оптическая разность хода) и используемым фотоприемником.

В разработанной интерферометрической головке легко реализуются условия / = 50 мкм, при этом полоса рабочих частот интерферометра составляет Af=31012 Гц.

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"'4 м/Гц'я.(Л/),/2, а в области измерения больших смещений - величиной AI = Л/40 = 1,5.10"5 м и для рабочей полосы частот Af ~ 109 Гц составляет 30 дБ, а для полосы Af- Ю10 Гц - 20 дБ.

Далее в работе предлагается два варианта, различающиеся составом оптического приемника, разработанного для регистрации акустических сигналов нано- и субнаносекундной 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 излучежия служит одночастотный лазер мощностью ~ 2,4 тВт.

В первом варианте используются фотодиоды ФД-21КП (полоса рабочих частот 1,5.10е Гц), включенные по компенсационной схеме и нагруженные 50-омным сопротивлением. Сигнал с компенсационной схемы усиливается двумя усилителями УЗ-ЗЗ с общим коэффициентом усиления Кус = 400 и полосой пропускания 0,1-400 МГц и снимается на осциллограф С7-10Б, чувствительностью 0,5 В/см и полосой пропускания 1,0 ГГц.

Во втором варианте фотоприемниками служат лавинные фотодиоды ЛФД-2 (полоса пропускания до 3.108 Гц). Сигнал с компенсационной схемы усиливается усилителями с коэффициентом усиления К/с= 5С0, полосой пропускания 0,0001-2,2 ГГц и снимается на осциллограф С7-19 с полосой пропускания 5,0 ГГц.

Технические параметры обоих вариантов представлены в таблице:

Технические характеристики Оптический приемник

Вариант I: фотодиоды ФД-21КП Вариант II: фотодиоды ЛФД-2

1. Порог чувствительности, м/Гц'" 1,5.10-" 1,5.10

2. Чувствительность, В/м 5,0.10" 3,3.1 С

3. Полоса воспроизводимых частот, Гц 1,5-10° 2,2»1С3

4. Динамический диапазон 30 20

Даны выводы по второй главе.

В третьей главе излагаются сведения о результатах возбущения сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ) лазерным излучателем. Дается физическая сущность взаимодействия лазерного излучения с твердым телом, при котором в последнем возникают акустические колебания. Отмечается, что среди механизмов взаимодействия лазерного излучения с твердым телом (светового давления, термоупругого эффекта, испарения материалов с поверхности образца и искрового пробоя) основным является термоупругий эффект, при котором величина амплитуд смещений значительна (~ 10"9 -10'10 м) и не происходит нарушения поверхности образца.

Далее описываются первые эксперименты по возбуждению СКАИ лазерным излучением и их результаты. Отмечается, что прием при этом осуществлялся резонансными пьезоэлектрическими приемниками, а амплитудно-временные параметры сигналов воспроизводились с некоторой вероятностью.

Предлагается состав установки и условия проведения эксперимента по возбуждению СКАИ с учетом результатов теоретической модели генерации, которые сводятся к следующему:

- возбуждение сверхкоротких акустических импульсов возможно в диэлектрических кристаллах с нанесенным на него тонким поглощающим слоем толщиной б ~ с0т„, где с0 - скорость акустической волны в кристалле, т„ - длительность лазерного импульса;

- в диэлектрическом кристалле возбуждаются акустические еюлны движущимися и локализованными источниками;

- движущиеся источники синхронно возбу>кдают акустические волны;

- в типичной экспериментальной ситуации (Ь = 10 мм, 11 /с1 = 105, где Ь - толщина образца, с1 - толщина металлической пленки на поверхности образца) амплитуда синхронно генерируемой волны движущимися источниками превосходит амплитуды волн, возбуждаемых локализованными источниками;

- амплитуда синхронно возбуждаемой волны зависит от длительности лазерного импульса г„ при 0<Т<2 и не зависит от гл при Т>2, где Т = с 0 гМ

- длительность синхронно возбуждаемого акустического имгульса равна га= тп +2 с/ /с0;

- характерная длительность импульса деформации определяется длительностью синхронно возбуждаемого акустического импульса.

Описывается экспериментальная установка, созданная для возбуждения и регистрации сверхкоротких акустических импульсов. Она включает в себя генератор сверхкоротких импульсов света СКИ, схему выделения одиночного светового импульса, образец, в котором возбуждаются акустические импульсы, и систему регистрации.

Для получения СКАИ используется лазер, работающий в режиме активной (вынужденной) синхронизации мод. Лазер содержит активный элемент в качестве которого используется рубиновый стеэжень РЛ 8x80/120 с плоско-параллельными торцами; электрооптический :атвор со схемой управления; плоское переднее зеркало с коэффициентом отражения 97%. Оптическая длина резонатора, составленного передним зеркалом и модулятором ¿р равна 225 ш, что соответствует периоду 2 1Р/С = 15 не.

Для модуляции добротности резонатора на модулятор типа МДЭ-2 подается серия электрических импульсов от высоковольтного генератора, построенного на накопительной коаксиальной линии с искровым галовым 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. Схема управления электрооптическим затвором состоит из накопительной линии, собранной на трех параллельных отрезках коаксиального кабеля длиной 1к = 0,75 м; искрового разрядника с поперечным лазерным поджигом (Р.Л.П.), заполненного азотом под давлением 7,5 атм. расстоянием меяеду электродами с! ~ 1,2 мм и временем задержки срабатывания 13 ~ 9 не); нагрузочного сопротивления 470м.

В качестве образцов, в которых изучалось возбуждение СКАЛ, использовался, в одном случае, кварц размерами 60x60x12 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 акустически?« сигналов служил либо лазерный интерферометр с порогом чувствительности - 1,5«10"14м/Гц1'2, чувствительностью ~ 5*104 В/м и динамическим диапазоном 34 дБ, либо емкостный датчик с тонкопленочным электродом диаметром 3 мм, порогом чувствительности - Ю"16 м/Гц1'2, чувствительностью ~ 210е В/м и динамическим диапазоном 50 дБ.

Дается анализ результатов при оптическом возбуждении СКАИ.

Описываются параметры оптических импульсов, генерируемые лазером на рубине, работающим в режиме активной синхронизации мод и входящим в экспериментальную установку, описанную выше, зарегистри-

рованные ФЭКом с постоянной времени Ю"10 с. Серия световых импульсов состоит, как правило, из 10-15, общей длительности Тп = 150-200 не. Энергия серии оптических импульсов, измеренная на ИМО-2, равна ~ 49 тДж.

Одиночный световой импульс, выделенный из серии, имеет следующие параметры: длительность (на полувысоте) т„ ~ 3 не, энергию Еп и 6 тДж, нестабильность амплитудно-временных параметров ~ 20%.

Следующая часть работы посвящена генерации акустических сигналов в кварце последовательностью оптических импульсов. При этом акустический импульс оказывается непромодулированным и акустический эффект носит интегральный характер. Амплитуда смещения в акустической волне составляет ~ 200-300 А, а длительность совпадает с длительностью последовательности оптических импульсов ~ 200 не. В акустическом импульсе ясно видно наличие "полки" длительностью ~ 90-100 не.

Анализируется генерация акустических сигналов в образцах кварца и алюминия (Д16) одиночными оптическими импульсами. 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 га = тл+2 d /с0, то при 2 d /с0«тл, (что реализуется в эксперименте) - та~ т„. Амплитуда смещения составляет Am ~ 300 А.

Энергия акустической волны Еак в предположении, что форма импульса треугольная, а форма волны сферической, равна Еак ~ 9,0«10"5 Дж. При этом эффективность преобразования составитц ~ 1,5*10"2.

В первом случае, при возбуждении через слой туши, наблюдается в кварцевом образце 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 Am ~ 150 А. Эффективность преобразования л и 7,5*10'3.

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

Величина смещения в акустической волне составляет Ат « 170 А; энергия равна Еа1( я 2«10"5 и эффективность преобразования г) а 4.10"3.

В заключение даются выводы по третьей главе.

В четвертой главе исследуется возможность воспроизведения сверхкоротких акустических импульсов С КАИ емкостным методом и предлагается экспериментальная база, с использованием разработанных емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком, для реализации этой возможности.

В первой части главы излагаются сведения о 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 (~ 108 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 поляризаций), создающего обратное поле в диэлектрике.

Этих недостатков лишены разработанные емкостные преобразователи с диэлектрическим слоем, который получается на поверхности электрода при его анодировании. Эти датчики отмечаются 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, Б/м -2*108;

- порог чувствительности, м/Гц1'2 -2»10'19;

- полоса рабочих частот, Гц -0-Ю12;

- динамический диапазон, дБ -120.

Приводятся результаты их окспериментальной 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 импульса - 30 не), либо а режиме вынужденной синхронизации мод (длительность оптического импульса ~ 3 н:). 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 -108;

. - порог чувствительности, м/Гц"2 -2,5*10"17;

- динамический диапазон, дБ -100;

- полоса рабочих частот, Гц - 4*10® (определяется усилительной аппаратурой).

Они подтверждают расчетные значения.

Технические характеристики датчиков Теоретические оценки Экспер тальные ИМб!Н- данные

лазерный интерфер. емкост. датчик лазерный интерфер. емкости, дгтчик

1. Чувствительность, В/м 10° 1,9.10° 5.10" 10°

2. Порог чувствительности, м/Гц'" 10"13 2.10-'3 1,5.10"'4 2,5.10"

3. Полоса воспроизводимых частот, Гц 10" 10" 4.10° 4..Ю0

4. Динамический диапазон, дБ 1) 2) 25 100

1)* 20 Ig 1,5»10"8/10"15*(/lf)1,2

2)" 20 Ig 1,6»10"7/2«10"19 • {A£)1/2

Для доказательства перспективности применения емкостного датчика с тонкопленочным диэлектриком для регистрации СКАИ в 4-й главе представлены в виде вышеприведенной таблицы результаты сраЕжения его технических характеристик с характеристиками лазерного интерферометра.

Из сравнения видно, что емкостный датчик не уступает лазерному интерферометру, что убедительно доказывает его применимость для регистрации СКАИ.

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

Из решения уравнения, описывающего смещение на поверхности образца при приложении к обкладкам емкостного преобразователе электрического импульсного сигнала V(t) длительностью тэ, следует, что колебательная скорость u (t) и смещение u(t) в акустической волне описываются выражениями:

, / ч _ У2(0 а . , v__а_Х?y2/t\ и

%xd2 Я+2/^' 4 S7i(Ä+2M)d2 о

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

При возбуждении акустической волны электрическим прямоугольным импульсом длительностью тэ и амплитудой Vn колебательная скорость u(t) описывается выражением

[1-ехр(-Г/ДэС>] t<3 ЯЭС,

1 3ЯЭС < t<5R3C,

л

[ехр(-//А'эС)] 5R3C < t<l 1А'ЭС.

V2

«40 = -^ tV

Ud2 Л+2/j

а смещение и^) -

и( 0 =

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 з 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 способом 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, не - 40; длительность переднего фронта, не - 20; амплитуда, м - 3.10'10 и предлагаются пути совершенствования установки с целью увеличения эффективности возбуждения и сокращения длительности акустического импульса.

Представлены выводы по главе.

В заключении представлены основные результаты работы.

В приложении 1 дается расчет оценок технических характеристик емкостного тонкопленочного преобразователя акустических сигналов.

В приложении 2 сравниваются технические характеристики пьезоэлектрического и емкостного тонкопленочного приемника.

В приложении 3 описываются тонкопленочные емкостные преобразователи для различных акустических измерений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На базе оптического и емкостного методов создан теоретический и экспериментальный задел для создания эталонов, образцовых и высокоточных рабочих средств воспроизведения сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ), предназначенных для измерения параметров распространения акустических волн и обеспечения передачи аттестованных единиц от высших звеньев поверочной схемы к низшим.

1. Расчетным путем показано, что использование возможностей оптического метода позволяет создать генератор акустических сигналов со стабильными амплитудно-временными характеристиками и длительностью импульса ~ 10 с, а также оптический приемник для регистрации

акустических сигналов с рабочей полосой частот ~ 1012 Гц и порогом чувствительности ~ 10"16 м/Гц1'2

2. Разработан на базе двухлучевого лазерного интерферометра с одно^астотным лазером в качестве источника излучения оптический приемник для регистрации СКАИ с рабочей полосой частот ~ 2,2.10® Гц и порогэм чувствительности ~ 1,5*10"14 м/Гц1/2, который, являясь абсолютным измерителем смещения в акустической волне и обеспечивая бесконтактный, дистанционный прием (что существенно снижает границы неис-кпюченной систематической погрешности НСП), может выступать как высокоточное средство измерения и как средство аттестации и калибровки датчиков аналогичного назначения, например, емкостных.

2. Разработана лабораторная установка для воспроизведения сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ), включающая генератор сверхкоротких акустических импульсов света (СКИ), кварцевый образец с нанесенной на его поверхность тонкой металлической пленкой и двухлуче-вой лазерный интерферометр в качестве оптического приемника СКАИ.

4. При проведении экспериментальных исследований на вышеназванной установке возбуждены и зарегистрированы акустические сигналы со следующими параметрами:

- длительность, не -3,0;

- амплитуда, м -3.10"8;

- нестабильность амплитудно-временных параметров, % -20.

5. Теоретически показано, что на базе емкостного метода возможно создание генератора сверхкоротких акустических импульсов (СКАИ) дли-тельнэстью ~ Ю~10 с и приемника СКАИ с рабочей полосой - 10 Гц и порогом чувствительности ~ 10"13 м/Гц1'2.

6. Впервые предложены, разработаны и реализованы емкостные преобразователи с тонкопленочными диэлектриками, работающие в режиме возбуждения и приема СКАИ.

7. Разработан емкостный приемник с тонкопленочным диэлектриком, полоса рабочих частот и порог чувствительности которого составляют соответственно ~ 3«109 Гц и ~ 2,5.10"17 м/Гц1'2. Отсутствие акустического контакта с исследуемым образцом, что существенно снижает границы неисключенной систематической погрешности, и простота его аттестации с помощью оптического интерферометра позволяет отнести его к классу высокоточных средств измерений параметров акустических сигналов.

8. Разработана лабораторная установка для воспроизведения сверхкоротких акустических сигналов, включающая: генератор электрически;; сигналов на длинной линии с искровым разрядником; емкостный преобразователь, работающий в режиме возбуждения; образец из алюминия и емкостный приемник с тонкопленочным диэлектриком.

9. При проведении экспериментальных исследований на вышеуказанной установке возбуждены и зарегистрированы акустические импульсы со следующими параметрами:

- длительность по основанию, не - 40;

- длительность переднего фронта, не - 20;

- амплитуда, м -3*10"10.

13. Разработаны конструкции емкостных преобразователей с тонкопленочным диэлектриком для различных акустических измерений.

список основных публикаций

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

2. A.C. Ns 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. - Публикации не подлежит. - Бюл. 1983. -№9. -C.154.

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

4. Í,робот Ю.Б., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Возбу>кдение коротких упругих импульсов емкостным методом//Дефектоскопия. - 1983. - №3. - С.35-37.

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

6. A.C. №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. - Публикации не подлежит. - Бюл. 1988. - №5. - С.266.

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

8. Кондратьев А.И., Архипов В.И., Лугопой В.А. Измерение скорости продольных ультразвуковых волн емкостным преобразователем /' Дефектоскопия. ~ 1888. - №2. - С.90-93.

9. Еондаренко А.Н., Базылев П.В., Луовой В.А. Лазерная установка для измерения скорости распространения поверхностных вол-i Релея II Дефектоскопия. -1990. - №10. - С.91-93.

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

11. Бондаренко А.Н., Базылев П.В., Луговой В.А. Лазерное возбуждение сверхкоротких акустичзских импульсов II Дефектоскопия. - 1989. -. №4. - С.29-30.

12. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Измерение скорости и затухания Рэлеевских волн емкостным преобразователем// Измерительная техника. - 1991. - Na5. -С.43-44.

13. A.C. №1831237 СССР. Способ настройки емкостного преобразователя и емкостный самонастраивающийся преобразователь / Бондаренко А.Н., Луговой В.А. (СССР) - Заявка № 460708;;. - Приоритет от 03.10.1988. - Зг регистрировано 13.10.1992. - Публикации не подлежит. - Бюл. 1993. - №28. - С.79.

14. A.C. СССР. МКИ H01S 3/13. Способ стабилизации частоты лазера и лазер со стаби-лизироеанной частотой I Бондаренко А.Н.; Гусаков С.А., Луговой В.А. (СССР). - № 4688407725-064419. Заявка от 05.05.1989. - Положительное решение от 27.02.1991. - Публикации не подлежит.

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

Луговой Владимир Александрович

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ СВЕРХКОРОТКИХ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Подписано в печать 11.05.98. ЛР №021068. ПЛД №79-19. Печать офсетная. Бумага тип. № 2. Формат 60x84/16. Печ.л. 1,0. Зак. 21. Тираж 100 экз. Бесплатно.

Издательство ДВГУПС.

680021, г. Хабаровск, ул.Серышева, 47.