книги / Применения ультразвука

Рис. 4.30. Взаимная корреляция выбранных эхо-сигналов

Ошибка в измерении времени пробега оценивается приблизи­ тельно в ±10 нс. Ошибка, связанная с измерением коэффициента затухания, составляет ±0,9 дБ мм'1. Данный тип ошибок рассчи­ тан для нержавеющей стали Л/57толщиной 25 мм. Более высокое разрешение может быть достигнуто в результате дополнительной интерполяции данных. Вышеописанную систему можно создать на основе доступных компонентов, работающих в частотном диа­ пазоне 500 кГц — 5 МГц.

4.4.5. Метод пересечения нулевого уровня

В данном методе измеряется время между моментом пересече­ ния нулевого уровня первым эхо-сигналом и соответствующим моментом пересечения нулевого уровня вторым эхо-сигналом. Оба ультразвуковых эхо-сигнала пропускаются через устройс­ тва, вырабатывающие широкие строб-импульсы. Расположение окон строб-импульсов определяется временем задержки с учетом запаздывания сигнала синхронизации/запуска, приходящего от электрического передатчика. После выбора двух эхо-сигналов в каждый из указанных моментов пересечения нулевого уровня генерируются короткие прямоугольные импульсы. После этого для каждого эхо-сигнала измеряют запаздывание между пере­ дним фронтом строб-импульса и выбранным местом пересече­ ния. Используя данный метод, можно определять интервал между двумя эхо-сигналами с точностью 2 наносекунды или даже более высокой.

4.5.Резонансная ультразвуковая спектроскопия

илазерная интерферометрия

Ультразвуковые измерения в тонких образцах, например в тонких пленках, кристаллах и других подобных материалах, чрезвычай­ но сложны. В данной области широко применяются импульсные эхо-методы ультразвуковых измерений или язычковые вибра­ торы, а также другие технические приемы. Учитывая сложность инструментария и недостаточность информационной базы, уче­ ные хотят найти лучший метод получения величин скорости звука и затухания в очень тонких кристаллах. Далее, до сих пор одной из главных проблем являются исследования при сверхвысоких температурах. При изучении скоростей звука и затухания в мо­ нокристаллах, текстурированных сплавах требуется высокая точ­ ность, поскольку именно она обусловливает достоверность изме­ рения характерных параметров.

В данной области сравнительно недавно были разработаны новые методы:

(I) Резонансная ультразвуковая спектроскопия. (II) Лазерная интерферометрия.

Подробно рассмотрим эти методы в следующих двух разделах.

4.5.1. Резонансная ультразвуковая спектроскопия

В резонансной ультразвуковой спектроскопии (RUS) [29—34] оп­ ределяется собственная частота образца со свободными грани­ цами. Резонансные частоты образца оцениваются при двух его положениях между преобразователями на его поверхностях. При этом образец легко удерживается без каких-либо склеивающих веществ. Схема [29] показана на рис. 4.31.

Рис. 4.31. Схема резонансной ультразвуковой спектроскопии

Первый преобразователь Т возбуждает колебания в образце с частотой, которую можно регулировать, в то время как второй преобразователь R измеряет амплитуду и фазу волны отклика об-

Резонанснаяультразвуковая спектроскопия	159
илазерная интерферометрия	^

разца. Поскольку частота возбуждения колеблется, записывается последовательность резонансных пиков. Местоположения пиков определяются собственными частотами fn (с помощью которых определяются постоянные упругости), а фактор качества (доб­ ротность) для каждого резонанса дает информацию о рассеянии энергии упругой деформации.

Для осуществления достаточно точного согласования резо­ нансной частоты с собственной частотой образца необходимо, чтобы нагрузка образцов со стороны преобразователей была мала. Можно исследовать образцы только в том случае, если нагрузка лишь незначительно превышает их вес. Тогда измерение будет выполняться с достоверностью до одной десятой процента. В от­ личие от достоверности, точность измерения, как правило, имеет порядок несколько частей на миллион (ррт). Более высокие зна­ чения точности позволяют изучать незначительные изменения в образцах, связанные со структурой, температурой, давлением, фазовым превращением и прочими явлениями.

В импульсных методах важную роль играет качество контакта преобразователя с образцом. Необходимо уделять пристальное вни­ мание их подгонке. В этом случае резонирующий преобразователь выдаст наибольшую амплитуду в нерезонирующий образец. Если образец резонируетс частотой, соответствующейсобственнойчасто­ те преобразователя, нет необходимости в сильной связи, поскольку образец выступает в качестве естественного усилителя с усилением, равным величине Q. Типичное значение Qнаходится в промежутке от 1000 до 10 000. Таким образом измеряют амплитуды сигналов в резонирующем образце. Важным в измерении амплитуд является то, что их изменение обусловлено лишь изменениями структуры, тем­ пературы, давления, фазы и т.д. и не зависит от изменений, происхо­ дящих в преобразователе или связующих материалах. Вданном ме­ тоде используется возбуждение незатухающей волны, что помогает применять чувствительные фазовые способы обнаружения, позво­ ляющие выделять сигналы из шума. Таким образом можно выявлять тепловой шум при высоких температурах.

Простая экспериментальная установка [35], используемая для RUS, показана на рис. 4.32. Образец, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда, помещается между преобра­ зователями. Контакт преобразователя и образца осуществляется через углы последнего. При таком способе уменьшается влияние связи как нагрузки благодаря эластичным свойствам. Два преоб-

Резонанснаяультразвуковая спектроскопия илазерная интерферометрия

йены с алмазными цилиндрами для повышения резонансных частот преобразователей, чтобы препятствовать наложению их на частоты образца. С целью получения дополнительных сведений для идентификации нормальных мод можно в процессе измере­ ний перемещать преобразователь вбок. Резонансную частоту из­ меряют с помощью резонансного ультразвукового метода [36] как показано на рис. 4.34.

Важными областями применения RUS являются:

(I) Определение постоянных упругости материалов при тем­ пературах, значительно превышающих дебаевскую.

(II) Применение в геофизике для определения термодина­ мических свойств материалов и ангармонических эффектов при температурах, превышающих дебаевскую более чем в два раза.

(III) Определение фазового перехода второго порядка с помо­ щью измерений постоянных упругости.

(IV) Определение фазового перехода в высокотемпературных проводниках.

Рис. 4.34. Спектр резонансных частот для монокристалла

YBa2CUj07—d при температуре

295 К Частота (мГц)

4.5.2, Лазерная интерферометрия

Электромагнитные акустические преобразователи (ЕМАТ) [37, 38] используются для генерации и обнаружения всех типов ультра­ звуковых волн. Однако данный преобразователь в наибольшей степени подходит только для металлических материалов. Что же касается лазерных ультразвуковых методов [38-41], то они при­ менимы для всех материалов. Лазерные методы можно также использовать для генерации всех типов ультразвуковых волн раз­ личной частоты.

В следующих разделах описывается обнаружение ультразву­ ковых волн посредством лазерной интерферометрии.

Оптическое обнаружение ультразвука

Оптические методыобнаружения ультразвуковыхперемещений можно разделить на неинтерферометрические (например, метод опорной призмы, метод поверхностной дифракционной решетки, методы, основанные на отражательной способности, на использо­ вании светофильтра) и интерферометрические. Первые менее по­ пулярны по сравнению с последними из-за своей низкой чувстви­ тельности и пропускной способности [42]. Интерферометрические методы благодаря высокой чувствительности и хорошей про­ пускной способности в настоящее время активно развивают­ ся. Интерферометры обнаруживают поверхностные смещения, производимые ультразвуком, измеряя либо фазовую модуляцию, либо доплеровский сдвиг в луче, отраженном от поверхности. Интерферометрические методы можно обобщенно классифици­ ровать по трем категориям: оптическое гетеродинирование, диф­ ференциальная интерферометрия, интерферометрия скорости или времени запаздывания. В оптическом гетеродинировании волна, рассеянная от тестируемой поверхности, суммируется с контроль­ ной волной. В дифференциальной интерферометрии использует­ ся интерференция двух волн, исходящих из двух различных точек поверхности или из одной точки, облучаемой двумя отдельными лучами. В интерферометрии скорости или времени запаздывания используется только один луч с поверхности и генерируется сиг­ нал, определяемый суммированием этого луча с ним же самим, но только запаздывающим на определенное время. В оптическом гетеродинировании можно применять многие оптические конфи­ гурации, например Майкельсона, Маха—Цандера, Физо и т.д. Во всех этих случаях тестируемая поверхность выступает в качестве зеркала интерферометра. Оптические интерферометры разделяют­ ся на две группы: гомодинные (без сдвига частоты) и гетеродинные (со сдвигом частоты).

Вситуации с интерферометрическим образцом при отражении света от вибрирующей поверхности поверхностное смещение, вызванное воздействием ультразвука, приводит к изменениям в оптической длине пути. Обозначим высоту пика поверхностно­ го смещения, производимого ультразвуковой вибрацией, как 5, тогда длина оптического пути уменьшается на 28 в связи с изме­ нением фазы 2кЪ (рис. 4.35). Интерферометр преобразует поверх­ ностное смещение, связанное с оптическим изменением фазы, в соответствующие колебания оптической мощности.

Рис. 4.35. Изменения длины пути вследствие ультразвукового смещения

Ш

Рис. 4.36. Блок-схема интерферометра Майкельсона со стабилизированным лучом

Интерферометр Майкельсона со стабилизированным лучом (гомодинный) можно использовать для обнаружения ультразвука, ге­ нерированного лазером. Данный интерферометр подходит как для лабораторного, так и для промышленного применения, потому что он соответствует требованию высокой устойчивости к вибрациям и температурным колебаниям. Блок-схема экспериментальной уста­ новки показана на рис. 4.36.

В качестве источника света используется гелиево-неоновый лазер мощностью 1 мВт и с длиной волны 632,8 нм. Делитель де­ лит падающий лазерный луч на два луча одинаковой мощности так, что один из них отражается в направлении контрольного зер­ кала, установленного на пьезоэлектрическом генераторе импуль­ сов, а второй попадает на образец, расположенный по другую сто­ рону интерферометра. Оптические элементы, такие как делители луча PBSj и PBS2, фильтры пространственных частот, линзы Lt и Ь2, зеркала М} и М2, расширители пучка, фотодиоды Dt и DT ус­ танавливаются на соответствующие оптические держатели, чтобы обеспечить четкое выравнивание и механическую стабильность. Свет, отраженный от контрольного зеркала и образца, возвраща­ ется через делитель луча на оптический детектор — силиконовый фотодиод.

Данные с выхода фотодетектора записываются как функция времени, что позволяет проверять изменения длины пути, вы­ званные внешней средой. На низких частотах отмечается значи­ тельный дрейф данных на выходе фотодетекгора по сравнению с изменениями длины пути.

Филип (и др.) [43] избавляется от всех вышеперечисленных помех, установив контролирующую схему с электронным конту­ ром обратной связи. Блок-схема гетеродинного интерферометра, использующего 80-мегагерцовый акустооптический модулятор, приведена на рис. 4.37.

Ультразвуковые измерения с использованием лазера обладают следующими достоинствами:

(I)Генерация и обнаружение всех типов колебаний.

(II)Это неконтактная техника, следовательно, нет надобности

всвязующей среде.

(III)Передача основана на серии тепловых ударов, вызываю­ щих расширение и разрушение непосредственно в самой среде.

(IV) Установкой можно управлять на больших расстояниях.

(V)Возможность работы на высоких частотах и с широкой по­ лосой пропускания.

(VI) Нет ограничений на размер и форму образца. Недостатки лазерных ультразвуковых измерений:

(I)Лазерный ультразвуктребуетдорогостоящего оборудования.

(II)Необходима гладко отшлифованная поверхность.

(III) Возможно повреждение поверхности.

(IV) Обязательно соблюдение техники безопасности.

(V) Для обеспечения обнаружения сигнала необходим точный интерферометр.

4.6.Методы измерения затухания

Вобщем виде методы измерения затухания классифицируют по следующим категориям:

1)метод сравнения;

2)традиционный;

3)метод видимого затухания;

4)основанный на амплитудах первого эхо-сигнала от задней

поверхности;

5)метод поверхностной волны Рэлея;

6)автоматизированный, с определением частотной зависи­ мости затухания.

4.6.1. М етод сравнения

Вэтом методе затухание в двух или более образцах/материалах мож­ но сравнивать количественно. Сравнение осуществляется с помо­ щью (или без) калибратора или модуля атгенюатора/усилителя в блоке импульсного генератора/приемника. Предполагается, что все образцы, используемые в сравнительном исследовании, имеют одинаковую толщину. Если же толщина и отличается, то разница со­ ставляет не более ±1%. При наличии ряда образцов в качестве кон­ трольного выбирается тот, который имеет самую малую величину затухания.

В простой экспериментальной установке без калибратора на устройство преобразователь—образец подается известный энерге­ тический импульс (обычно с максимальной энергией). При этом на экране электронно-лучевой трубки (CRT) наблюдается после­ довательность эхо-сигналов, что показано на рис. 4.38. Далее под­ считывается число эхо-сигналов, амплитуда которых составляет больше 10% высоты экрана. После этого преобразователь соеди­ няется с другим образцом без изменения энергии импульсов, и опять подсчитывается число аналогичных эхо-сигналов. Нужно быть очень внимательным при воспроизведении одного и того же типа условий соединения в ходе всех испытаний. Если в заданном образце число эхо-сигналов меньше, чем в контрольном, считает­ ся, что для него величина затухания выше.

Во втором методе сравнения используется предварительная калибровка аттенюатора/усилителя, обычно имеющегося в им­ пульсном генераторе/приемнике или дефектоскопе. Эхо-сигнал выбирается в области дальнего поля и усиливается так, чтобы его размах был во весь экран CRT. Потом образец заменяется новым для сравнения затухания. Если новый образец имеет большее затухание, размах эхо-сигнала уменьшится. В этом случае с по­ мощью аттенюатора нужно вновь отрегулировать размах эхо-сиг­ нала, растягивая его во весь экран. Разница в показаниях аттеню­ атора, выраженная в децибелах, прямо указывает на различие в затухании для данных двух образцов. В этом случае разрешение составляет ±1 дБ.