Лазерная оптико-акустическая диагностика слоистых сред

• Автор: Кожушко, Виктор Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

1 Обзор фото- и оптико-акустических методов диагностики пространственно неоднородных сред

2 Распространение широкополосных ультразвуковых сигналов в слоистых структуре«

2.1 Расчет пропускания слоистой структуры

2.2 Теоретический анализ распространения плоских акустических волн в одномерных периодических структурах
2.3 Широкополосная оптико-акустическая спектроскопия одномерных периодических структур

3 Интерференция встречных акустических волн в поглощающих слоистых средах

3.1 Интерференция встречных плоских ультразвуковых волн в изотропной поглощающей пластинке
3.2 Интерференция встречных плоских акустических волн в одномерной периодической структуре с дефектом
4 Оптрко-акустическое преобразование в одномерных пространственнонеоднородных средах

4.1 Оптико-акустическое преобразование в слоистой среде

4.2 Оптико-акустическое преобразование в нетеплопроводящей среде с неоднородным распределением коэффициента поглощения

4.3 Гермооптическая генерация звука в системе подложка-пленка-жидкость
источниками тепла, локализованными на границе подложка-пленка
4.3.1 Расчет передаточной функции оптико-акустического преобразования для системы кварцевое стекло - металлическая пленка - жидкость
4.3.2 Измерение толщины пленки по передаточной функции оптико-акустического преобразования
Основные результаты
Список источников

В современных технологиях все большее практическое применение находят структуры, построенные из материалов, имеющих различные физические свойства. Таковыми являются, например, композитные материалы, свойства которых могут существенно отличаться от свойств составляющих их компонент. Графоэпоксидные и стекловолоконные композиты, представляющие собой матрицу волокон в отвердевшем полимере, используются как легкие и прочные конструкционные материалы. В силу своего происхождения композиты являются пространственно-неоднородными средами, размеры неоднородностей в которых варьируются от десятков микрон до миллиметров. Одной из проблем, связанной с безопасным использованием композитов в конструкциях является изменение механических свойств под действием статических и динамических нагрузок, ведущее к образование расслоений, микротрещин, и к последующему механическому разрушению. Поэтому задачи диагностики и неразрушающего контроля композитов важны как на этапе производства (технологический контроль), так и во время эксплуатации — для выявления изменений в структуре и определения остаточного ресурса. Традиционно диагностика механической целостности конструкционных материалов, используемых в машиностроении, проводится методами ультразвуковой эхоскопии, которые заключаются в регистрации эхо - зондирующего ультразвукового импульса, рассеянного на неоднородностях. Возбуждение и регистрация ультразвука происходит за счет последовательного переключения режимов работы пьезоэлектрического преобразователя. Минимальные размеры неоднородностей, обнаруживаемых методом ультразвуковой эхоскопии, связаны с максимальной частотой в спектре зондирующего импульса. В коммерческих пьезоэлектрических преобразователях рабочая полоса частот не превышает 10 МГц, поэтому размеры обнаруживаемых неоднородностей ограничены долей миллиметра. Неоднородности композитных материалов связаны со значительным рассеянием и поглощением ультразвука, что приводит к уменьшению глубины обзора. Для композитов важным является обнаружение неоднородностей размером в сотни микрон, что требует увеличения рабочей полосы частот, соотношения сигнал-шум и динамического диапазона измерений.
Последние десять лет в диагностике механических неоднородностей все чаще используется лазерный ультразвук — возбуждение зондирующих импульсов давления в

щина слоя составляет целое число длин полуволн. Для остальных компонент коэффициент пропускания определяется из решения задачи о распространении волны через пластинку. В периодической структуре условия ’’фильтрации” накладываются каждым слоем, периодом и всей структурой. При этом спектральная ширина полос прозрачности зависит от соотношения акустических импедансов: значительное отличие импедан-сов приводит к увеличению добротности отдельных слоев структуры и сужению полос прозрачности. Это объясняется значительным отражением волн, не удовлетворяющих условиям фильтрации, что также приводит к углублению полосы непрозрачности. На рис. 2.2 приводится рассчитанный спектр пропускания ПС, образованной чередующимися слоями алюминия и воды, толщины материалов выбирались таким образом, чтобы фазовый набег волн в материалах был приблизительно равным. Практически такой эксперимент может быть выполнен с помощью иммерсионной методики, если в иммерсионной жидкости на одинаковом расстоянии разместить алюминиевые пластинки. В спектре пропускания такой структуры наблюдаются полосы прозрачности и непрозрачности. Увеличение числа слоев в ПС приводит к углублению полос непрозрачности и более резким границам с полосами прозрачности. Общее число периодов в структуре влияет на пропускание в полосе непрозрачности: чем больше число периодов, тем меньше пропускание. Это можно объяснить возрастающей селективностью системы (ПС). С увеличением числа фильтрующий компонент (отдельных периодов и слоев), накладываются более жесткие условия на прохождение спектральных компонент, расположенных в полосе непрозрачности. Так как акустические импедансы материалов отличаются более чем в 11 раз, коэффициент пропускания уменьшается до 1СГ6 уже при наличии 7 слоев алюминия. Практически измерение коэффициента пропускания ультразвука в таком диапазоне известными на сегодняшний день методами представляет большие трудности.
В структуре, состоящей из материалов с близкими значениями акустических импедансов, условия для прохождения границы будут менее жесткими, поэтому при том же количестве слоев изменение пропускания будет проходить в меньшем диапазоне. В дальнейших теоретических расчетах будут рассмотрены структуры, состоящие из материалов с близкими волновыми сопротивлениями, — а именно воды и оргстекла. Расчет спектров пропускания таких структур будет проводиться для полосы частот 0,5-6 МГц.