Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. РЕГИСТРАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 12
1.1. Выбор методов регистрации 12
1.2. Измерение колебаний лазерными интерферометрами 14
1.3. Емкостный прием УЗ-колебаний 20
ГЛАВА 2. ЕМКОСТНЫЙ МЕТОД ВОЗБЩЕНИЯ 28
2.1. Краткий аналитический обзор ... 28
2.2. Анализ работы емкостного преобразователя 29
2.3. Экспериментальные исследования. Обсуждение результатов 47
ГЛАВА 3. ВОЗБЩЕНИЕ УЗ-КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ МЕТОДОМ. 64
3.1. Краткий аналитический обзор 64
3.2. Анализ механизмов возбуждения 65
3.3. Экспериментальные исследования. Обсуждение результатов 76
ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ВОЗБЩЕНИЯ УЗ-КОЛЕБАНИЙ 92
4.1. Краткий аналитический обзор 92
4.2. Теоретический анализ механизмов возбуждения 93
4.3. Описание экспериментальной установки НО
4.4. Экспериментальные результаты и их обсуждение... НО
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
ЛИТЕРАТУРА 138
ПРИЛОЖЕНИЯ 151
П.І. Методика измерения скорости продольных УЗ-волн с помощью емкостных преобразователей 151
П.2. Методика измерения дисперсии скорости и затухания продольных УЗ-волн 156
П.З. Методика измерения скорости сдвиговых волн 163
П.4. Акты внедрения 168
- Выбор методов регистрации
- Краткий аналитический обзор
- Краткий аналитический обзор
- Краткий аналитический обзор
Выбор методов регистрации
В настоящее время в практике ультразвуковых измерений применяются следующие методы регистрации: пьезоэлектрический, электромагнитный, емкостный и оптический [і -5] . Последние три группы методов являются бесконтактными (при измерении УЗ-колебаний бесконтактными методами необходимо учитывать, что на свободной границе при нормальном падении смещение и колебательная скорость в УЗ-вол-не в два раза больше, чем внутри образца). Основные недостатки, присущие пьезоэлектрическому и электромагнитному методам, можно сформулировать следующим образом.
1. Неравномерность амплитудно-частотных характеристик.
2. Ограниченность диапазона воспроизводимых частот.
3. Необходимость калибровки и градуировки преобразователей.
4. Зависимость коэффициента преобразования от электрических, магнитных или акустических свойств среды.
Кроме того, наличие промежуточного слоя между пьезопреобра-зователем и образцом не позволяет измерять истинные характеристики УЗ-импульсов. Для доказательства этого факта был проведен эксперимент, схема которого показана на рис.1.1. Для возбуждения УЗ-импульсов использовался рубиновый лазер I, а регистрация их формы осуществлялась лазерным интерферометром 3 [9] .На рис. 1.2-а,б показана форма УЗ-импульсов, зарегистрированная лазерным интерферометром при возбуждении по схеме, приведенной на рисі. 1-а,б соответственно.
Краткий аналитический обзор
Впервые о возможности использования механических сил, действующих на обкладки конденсатора, для возбуждения УЗ колебаний сообщалось в работе Бергмана [20] . Впоследствии этот метод не нашел широкого применения вследствии того, что амплитуда возбуждаемых упругих импульсов мала [i] . Однако, в последнее время появился ряд работ [14, 21-27] , в которых интерес к емкостному методу возобновился. В [14] , например, он использовался для калибровки пьезопреобразователей в режиме приема, а в [21,24,25] он применялся для генерации УЗ-колебаний на частотах до I ГГц. Причем было показано, что на высоких частотах эффективность его близка к эффективности кварцевых преобразователей. Преимущества емкостных преобразователей обусловлены тем, что они, во-первых, позволяют повысить точность измерения скорости и затухания УЗ-колебаний [22,23] , во-вторых, обладают достаточной широкополос-ностью и, в третьих, довольно просты. В перечисленных работах исследовались свойства емкостных преобразователей в режиме излучения узкополосных сигналов, причем для приема применялись пьезопре-образователи.
В работах [24,25,26] было установлено, что при отсутствии акустического контакта между электродами эффективность преобразования электрической энергии в акустическую не зависит от толщины диэлектрического слоя и составляет большую величину, чем при наличии акустического контакта.
Однако, ни в одной из перечисленных работ не была изучена временная форма УЗ-импульсов, а также ее зависимость от ограниченности размеров возбуждающего электрода. Теоретические результаты, полученные в работах [35-40] , могут быть использованы только для установления качественных закономерностей. Так, например, в работах [35,36] решение получено в интегральной форме, а в [ 37-40] приведено частное решение при ffi i)1 3-0Н(1)&(г)/г. Щ -і)-сила, действующая на поверхность образца; г - радиус; H(t) -единичная функция; Г( ) - дельта функция). Не было исследовано также влияние силы прижатия возбуждающего электрода к образцу на форму УЗ-импульса и эффективность преобразования.
Краткий аналитический обзор
В этой главе приведен краткий аналитический обзор данных по электроискровому методу возбуждения УЗ-колебаний. Перечислены недостатки ранее выполненных работ. Изложены результаты оригинальных экспериментальных и теоретических исследований (3.2,3.3).
3.1. Краткий аналитический обзор.
Наиболее простым способом возбуждения УЗ-колебаний является электроискровой. Этот метод применялся для генерации УЗ-импульсов в воздухе [44-48] . Теоретические результаты, полученные в [49, 50] для разряда в воздухе, достаточно хорошо согласуются с экспериментом.
Основные выводы, полученные в этих работах, можно сформулировать следующим образом.
1. Основным источником УЗ-колебаний является резкий нагрев и расширение газа в искровом канале. С течением времени плотность тока в искровом канале резко убывает, что приводит к уменьшению амплитуды УЗ-колебаний.
Краткий аналитический обзор
По-видимому, впервые об использовании световой энергии для генерации звука сообщалось в работах Даниловской (59,60] . С появлением лазеров было опубликовано ряд экспериментальных работ, посвященных этому методу [61-64] .
В настоящее время наиболее интенсивно исследуются оптические методы генерации УЗ-колебаний в жидких и твердых диэлектриках
[65-98] . В работе [65] приведен обзор литературных данных, определены основные механизмы возбуждения: термоупругость, давление фотона, электрострикция, тепловой или диэлектрический пробой. При умеренных плотностях энергии лазерного излучения, когда не наблюдается пробоя основным механизмом является термоупругость. При этом давление в УЗ-импульсе может достигать несколько тысяч гек-топаскаль. При пробое давление возрастает в сотни раз [96-98] .
Существенное влияние на амплитуду и форму УЗ-импульсов оказывает коэффициент поглощения лазерного излучения [66-76] наличие переходных слоев на облучаемой поверхности [77-81] , состояние самой поверхности [82-91] , температурная зависимость теплофизи-ческих констант материала [92,93] , диаметр лазерного пучка [94,95]
Возбуждению УЗ-колебаний лазерным излучением в металлах посвящен ряд теоретических и экспериментальных работ [63,64,98-107]. В [98,99] была рассчитана форма УЗ-импульсов напряжения при прямоугольной и треугольной форме возбуждающего лазерного импульса. Интерес к лазерному методу возбуждения обусловлен, во-первых, перспективностью применения его в дефектоскопии (например, для дистанционного контроля) [4] , во-вторых, возможностью повысить точность измерения скорости и затухания УЗ-колебаний [III-II4] и, в третьих, возможностью возбуждения очень коротких акустических
