Развитие методов акустической голографии и лазерной виброметрии для исследования колебаний ультразвуковых излучателей в жидкостях

• Автор: Морозов, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Аннотация

Применения ультразвука

Ультразвуковые излучатели

Колебания и поля излучателей

Методы исследования колебаний поверхности излучателей

Цели работы

Краткое содержание глав

Научная новизна и практическая ценность работы

Защищаемые положения

Апробация работы и основные публикации

Глава 1. МЕТОД ЛАЗЕРНОЙ ВИБРОМЕТРИИ В ГАЗАХ.

КОЛЕБАНИЯ РЕАЛЬНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
1.1. Экспериментальная установка
1.2. Режимы измерений
1.3. Экспериментальное исследование колебаний реальных излучателей в воздухе
1.3.1. Представление результатов
1.3.2. Измерения колебаний пьезокомпозитного излучателя в непрерывном режиме
1.3.3. Измерения колебаний пьезокерамического излучателя во временном режиме
1.3.4. Измерения колебаний пьезокомпозитного излучателя во временном режиме

1.3.5. Объяснения инвертированное фронта волны
1.3.6. Моды колебаний пьезокомпозитного излучателя во временном и непрерывном режимах
1.4. Выводы к Главе
Глава 2. МЕТОД ЛАЗЕРНОЙ ВИБРОМЕТРИИ В ЖИДКОСТЯХ. ВЛИЯНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
2.1. Сравнение измерений с помощью лазерного виброметра в газах и жидкостях
2.2. Численное моделирование показаний лазерного виброметра в жидкостях
2.2.1. Техники моделирования
2.2.2. Численное моделирование показаний лазерного виброметра в непрерывном режиме
2.2.3. Численное моделирование показаний лазерного виброметра во временном режиме
2.3. Экспериментальные измерения в жидкостях
2.3.1. Экспериментальная установка для измерений в жидкостях
2.3.2. Измерение колебаний в воде в непрерывном режиме
2.3.3. Измерение колебаний в воде во временном режиме
2.3.4. Сравнение показаний лазерного виброметра при измерениях в воздухе, воде и глицерине
2.3.5. Измерения структуры стоячих волн в непрерывном режиме
2.3.6. Попытки уменьшить искажения, вызванные акустооптическим взаимодействием, с помощью применения специальных численных коррекций
2.4. Выводы к Главе

Глава 3. МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ.
ПРЕДСКАЗАНИЕ ПОЛЕЙ В ПРОСТРАНСТВЕ
3.1. Теория метода акустической голографии
3.2. Численные расчеты для излучателей различной формы
3.3. Экспериментальная проверка метода акустической голографии
3.3.1. Экспериментальная установка
3.3.2. Порядок экспериментов
3.3.3. Нахождение оптимальных параметров контрольной плоскости
3.3.4. Измерения давления
3.3.5. Восстановление скорости
3.3.6. Экспериментальные доказательства точности метода
3.4. Предсказание полей в пространстве
3.5. Сравнение методов акустической голографии и лазерной виброметрии
3.6. Применения метода акустической голографии
3.6.1. Исследование волн Лэмба
3.6.2. Исследования колебаний поверхности и ее излучения
3.6.3. Исследование неоднородностей поверхности
3.6.4. Визуализация повреждений поверхности
3.7. Выводы к Главе
Выводы диссертации
Благодарности
Список литературы
Аннотация
Поверхности пьезоэлектрических излучателей колеблются неравномерно, либо из-за структуры самого излучателя (например, многоэлементные излучатели [1]), либо из-за возбуждения волн Лэмба в пьезокерамической пластине [2-7]. Знание характера колебаний поверхности может быть использовано для точного предсказания излучаемых акустических полей и для создания излучателей с заранее заданными свойствами [8, 9]. Однако до сих пор нет надежных прямых методов для измерения колебаний поверхности в жидкости.
В данной работе, а также в наших предыдущих публикациях [10-28], описывается разработанный нами новый метод акустической голографии для изучения колебаний поверхностей ультразвуковых излучателей. Метод включает измерение амплитуды и фазы волны во многих точках контрольной плоскости перед излучателем, численное обращение волнового фронта во времени и расчет обратного распространения поля к источнику с использованием интеграла Рэлея.
Метод акустической голографии экспериментально использован для изучения множества акустических излучателей различных форм, размеров и частот, включая пьезокомпозитные излучатели и медицинские ультразвуковые датчики [18]. В работе

показано, что метод позволяет восстанавливать колебания поверхности с высокой точностью и пространственным разрешением. Техника успешно применялась для исследования характера повреждений поверхностей разбитых или перегретых излучателей. Восстановленное распределение нормальной скорости на поверхности излучателя также использовалось для предсказания излучаемых акустических полей в пространстве. Было показано [15], что разработанный метод дает намного более точные результаты, чем предсказания на основе часто используемой поршневой модели излучателя. В работе рассмотрены существующие прямые и косвенные методы изучения колебаний поверхности и выявлены преимущества разработанного метода акустической голографии перед другими методами.
В дополнение к акустической голографии, колебания пьезоэлектрических излучателей исследовались напрямую с помощью лазерного виброметра [14, 17] в воздухе, воде и глицерине. С помощью специально проведенных исследований было показано экспериментально, численно и теоретически, что хорошо разработанный метод лазерной виброметрии дает неправильные результаты, когда измерения проводятся в жидкостях, из-за сильного акустооптического взаимодействия в конденсированных средах. Разработаны техники моделирования показаний лазерного виброметра в жидкостях. Численно и экспериментально исследован точный характер акустооптических искажений во временном и непрерывном режимах. Рассмотрены способы уменьшения искажений, вносимых акустооптическим взаимодействием, с помощью применения специальных численных коррекций.
Экспериментальная техника измерений с помощью лазерного виброметра расширена, чтобы измерять и записывать всю временную форму волны в каждой точке излучателя. Пространственно-временные колебания поверхностей пьезокерамических и пьезокомпозитных излучателей и процессы генерации и распространения волн Лэмба на их поверхностях исследованы в непрерывном и импульсном режимах в воздухе и в жидкостях.

рассчитывается комплексное акустическое давление на пути лазерного луча (или сразу во всем пространстве, которое покроет лазерный луч при сканировании). Затем результирующее распределение акустического давления в заданный момент времени рассчитывается как сумма (со сдвигами фаз) комплексных распределений давления от всех гармоник. Все описанные шаги проделываются для каждого момента времени из заданного интервала и для каждой измеряемой точки.
В результате получается пространственно-временное распределение давления перед излучателем для заданной пространственно-временной формы колебаний его поверхности. Используя это распределение и выражение (2.1), рассчитывается наблюдаемое пространственно-временное распределение смещения поверхности излучателя и сравнивается с действительным (заданным для моделирования) распределением смещения.
Другая, "быстрая" техника была специально разработана только для непрерывного режима. Эта техника имеет некоторые ограничения и не так точна, как предыдущая, но она позволяет на несколько порядков повысить скорость расчетов, поэтому с помощью нее удается рассчитывать большие пространственные распределения наблюдаемого смещения в непрерывном режиме.
В этой технике сначала вычисляется пространственный спектр распределения смещения. Потом производится определенное численное преобразование этого спектра, которое соответствует искажениям, вносимым акустооптическим взаимодействием. Затем из преобразованного пространственного спектра рассчитывается наблюдаемое смещение. Расчетные формулы, на которых основывается эта техника, довольно громоздки и не приводятся в данной работе.
2.2.2. Численное моделирование показаний лазерного виброметра в непрерывном режиме
Рассмотрим квадратный 4x4 см плоский излучатель с неравномерным распределением амплитуды смещения (Рис. 12 В), колеблющийся в непрерывном режиме на частоте 1 МГц. Возникающее в воде перед ним распределение акустического давления на плоскости XX (Рис. 12 А) показано на Рис. 12 С. Благодаря акустооптическому взаимодействию распределение оптического показателя преломления п в воде будет похожим: п(Г,!) = п0 + ^;(Д,/). При измерениях лазерным