Применение ультракоротких импульсов фокусированного ультразвука для характеризации современных углеродных материалов

• Автор: Петронюк, Юлия Степановна
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ФОКУСИРОВАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПУЧКОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ

СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Фокусирующие излучатели

1.2. Геометрическая и временная структура фокусированного пучка

1.3. Методы и режимы применения сходящихся ультразвуковых пучков для изучения структуры и свойств материалов

1.3.1. Режимы акустической визуализации

1.3.2. Количественные микроакустические методы

1.4. Микроакустические методы для изучения упругой анизотропии

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЙ УГЛЕРОД. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

УГЛЕРОДА
2.1. Аллотропные формы углерода. Нано- и микроструктурированный углерод
2.2. Пиролитический углерод. Структура и методы её характеризации
2.3. Упругие свойства различных форм углерода и их взаимосвязь с его структурной организацией
2.4. Моделирование и оценка упругих свойств современных углеродных материалов
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАКОРОТКОГО ЗВУКОВОГО ИМПУЛЬСА С ИЗОТРОПНОЙ
ПЛАСТИНКОЙ
3.1. Общее выражение для выходного сигнала У(г) при взаимодействии ультракороткого фокусированного импульса с изотропной пластинкой
3.2. Формирование эхо-импульса (В), отраженного от передней поверхности пластины
3.3. Формирование эхо-импульса, обусловленного однократным распространением продольных волн в пластине (В-сигнал)
3.4. Формирование эхо-импульса, обусловленного однократным переотражением поперечных волн в пластине (Г-сигнал)
3.5. Особенности формирования ВГ-сигнала, образованного в результате конверсии акустических мод на границах раздела
3.6. Микроакустическая техника измерения объёмных упругих свойств в изотропных твёрдых телах
ГЛАВА 4. НАБЛЮДЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИМПУЛЬСА С АНИЗОТРОПНОЙ СРЕДОЙ. ИЗУЧЕНИЕ УПРУГИХ
СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКИ ИЗОТРОПНОГО ПИРОЛИТИЧЕСКОГО НАНОУГЛЕРОДА
4.1. Описание экспериментальной установки и образцов
4.2. Измерение упругих свойств оптически изотропного пироуглерода
Разделение импульсов, связанных с распространением поперечных
волн в пластине низкотемпературного пироуглерода
4.3. Расчет коэффициентов упругости и упругих модулей
4.4. Изучение объёмной микроструктуры оптически изотропного пироуглерода
методами акустической микроскопии. Визуализация упругих свойств материала
ГЛАВА 5. ПРИНЦИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СХОДЯЩЕГОСЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОРОТКОГО ИМПУЛЬСА С ТЕЛАМИ ОРТОТРОПНОЙ СИММЕТРИИ
5.1. Коэффициент отражения для различных компонент пространственного
спектра фокусированного ультразвукового пучка при взаимодействии
такого пучка с ортотропной пластиной
5.2. Формирование Л-импульса, обусловленного отражением от передней
поверхности пластины
5.3. Формирование i-сигнала, обусловленного распространением
продольных волн
5.3.1. Х-ориентация ортотропной пластинки
5.4. Формирование Г- и S-сигнала, обусловленного распространением
квазипоперечных и сдвиговых волн
5.4.1. Х-ориентация ортотропной пластинки
5.5. Формирование смешанных LT-, LS- и ST- эхосигналов за счет вклада
различных компонент пространственного спектра зондирующего пучка
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Работа посвящена изучению взаимодействия коротких импульсов фокусированного ультразвука с границами раздела и плоскопараллельными объектами, развитию современных ультразвуковых измерительных методов высокого разрешения на основе такого взаимодействия и применению этих методов для изучения упругих свойств и микроструктуры одного из видов современных углеродных материалов - пиролитического наноуглерода. Общая тенденция современной науки и техники - переход к многофазным средам, системам с микро- и наноструктурной организацией, определяет всё возрастающую потребность в методах оценки структуры и измерения свойств таких материалов. Среди этих методов существенную роль играют ультразвуковые методы измерения упругих и вязких свойств, т.к. для многих композитов, многофазных и градиентных материалов именно их механические свойства и структура являются ключевым фактором, определяющим возможное применение и высокие потребительские качества.
Традиционные ультразвуковые методы [1] основываются на использовании плоских пучков и применяются для изучения однородных образцов. Для изучения объектов с неоднородной внутренней структурой или распределенными свойствами становится необходимым измерять локальные значения упругих характеристик. Применение фокусированных высокочастотных ультразвуковых пучков обеспечивает такую возможность: фокусированное излучение взаимодействует с объектом внутри фокальной области, размеры которой варьируются в диапазоне 10-100 мкм в зависимости от частоты 50-400 МГц. Фокусированные ультразвуковые пучки используются в акустической микроскопии для визуализации микроструктуры и измерения локальных упругих параметров материала. Классические микроакустические методы основываются на использовании гармонического излучения и короткофокусных акустических линз, при этом измеряются поверхностные упругие свойства (т.н. У(г)-методы), осуществляется визуализация микроструктуры поверхности или тонкого приповерхностного слоя [2-6]. Использование гармонического излучения не позволяет разделять сигналы от внутренних деталей объекта, что сразу ограничивает возможности метода.
Для создания методов измерения объёмных локальных упругих свойств и визуализации внутренней микроструктуры объектов было предложено перейти от гармонического зондирующего сигнала к коротким высокочастотным фокусированным импульсам [7]. При взаимодействии такого излучения с внутренний микронеоднородностями среды возникает эхо-сигнал, представляющий собой серию импульсов, возникающих при отражении зондирующего импульса от внутренних границ и различающихся по времени задержки. Измерение временных интервалов между эхо-импульсами от передней и задней поверхности даёт возможность определить скорости объёмных акустических волн в материале. В формирование отдельных импульсов в эхо-сигнале даёт вклад распространение через образец как продольных, так и поперечных волн. Применение фокусированного излучения обеспечивает локальность измерений.
внутри пластины, последующие переотражения 2£, 3Ь и т.д. чаще всего, хотя и видны на осцилограмме, имеют слабую интенсивность и не используются при измерениях, поэтому мы опускаем их из рассмотрения.
Парциальный коэффициент К(кх,ку), входящий в состав выражения (З.б) для выходного сигнала, представим в виде суммы коэффициентов В.х(к„ку), ч(кх,ку), гт{кх,ку), ги(кх,ку), каждый из которых характеризует амплитуду соответствующего эхоимпульса- £, ЬТ или Т:
к(к„,ку)~К,(к,.кг)*гАК'к,
Здесь к,, = — ’ ~ волновые вектора продольных и поперечных волн, распространяющихся внутри ‘т.г
пластины. Коэффициенты отражения Тк{кх.к^, Г/.(кх,ку), Тп(кх,ку) и гт{кх,ку) выражаются через коэффициенты отражения и прохождения на границах пластины. Коэффициент отражения от передней поверхности пластины Кх(кх,ку) является коэффициентом отражения плоской продольной волны на границе раздела «жидкость-твердое тело», а коэффициенты отражения гт(£Ду), Тц(кх,ку) и гг(кх,ку) выражаются как произведения:
гЛК*,)=^кхЛу)-^{кх,ку)-1У%,ку), (3.10)
гт {кхЛу)^т{кх,ку)-Ктт{кх,ку)^т{кх,ку (3.12)
где 1У1[кх,ку)и 1УГ{кх,ку) - коэффициенты прохождения упругой волны из жидкости в твердое тело в виде продольной и поперечной волны, соответственно; Я^г,к) и Ку{кх,ку) -коэффициенты отражения на границе «твердое тело-жидкость» прошедшей продольной волны в продольную и поперечной волны в поперечную; Я1{кх,ку)и Ку(кх,ку) —коэффициенты отражения на границе «твердое тело-жидкость» прошедшей продольной волны в поперечную и поперечной в продольную; 1¥т(кл,ку) и И'1(кх,ку) - коэффициенты прохождения из твердого тела в жидкость
поперечной и продольной волн. Коэффициенты ТЦкшк^) и У(к„ку) определяются из граничных условий, при которых: 1) сохраняется непрерывность сплошности среды, т.е. нормальные
компоненты колебательной скорости в твердом теле и жидкости равны V'| о = Уж' о; 2) сдвиговая компонента поля напряжений в твердом теле равна нулюегхгг_0 = 0 и 3) выполняется равенство сил по обеим сторонам границы, т.е. =-"Н2.о’ где Р Давление в жидкости, ег
компоненты поля напряжений в твердом теле.
(3.9)