Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Акустика

Диссертационная работа:

Кожушко Виктор Владимирович. Лазерная оптико-акустическая диагностика слоистых сред : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.06 : Москва, 2004 124 c. РГБ ОД, 61:04-1/1378

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

  1. Обзор фото- и оптико-акустических методов диагностики пространственно неоднородных сред 19

  2. Распространение широкополосных ультразвуковых сигналов в слоистых структурах 43

  1. Расчет пропускания слоистой структуры 43

  2. Теоретический анализ распространения плоских акустических волн в одномерных периодических структурах 47

  3. Широкополосная оптико-акустическая спектроскопия одномерных периодических структур 55

3 Интерференция встречных акустических волн в поглощающих слои
стых средах
69

  1. Интерференция встречных плоских ультразвуковых волн в изотропной поглощающей пластинке 71

  2. Интерференция встречных плоских акустических волн в одномерной периодической структуре с дефектом 78

4 Оштчсо-акустическое преобразование в одномерных пространственно-
неоднородных средах
82

  1. Оптико-акустическое преобразование в слоистой среде 82

  2. Оптико-акустическое преобразование в нетеплопроводящей среде с неоднородным распределением коэффициента поглощения 89

4.3 Гермооптическая генерация звука в системе подложка-пленка-жидкость

источниками тепла, локализованными на границе подложка-пленка ... 95

  1. Расчет передаточной функции оптико-акустического преобразования для системы кварцевое стекло - металлическая пленка - жидкость 95

  2. Измерение толщины пленки по передаточной функции оптико-акустического преобразования 103

Основные результаты 109

Список источников 111

Введение к работе:

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 стекловоло-конные 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

результате термоакустического преобразования или оптико-акустического (ОА) эффекта. Эффективность преобразования и полоса частот возбуждаемого ультразвукового импульса зависит от оптических, теплофизических и механических свойств материалов и параметров лазерного импульса. Для успешного применения любого метода диагностики необходимо, чтобы локальное изменение физических свойств материалов превышало порог чувствительности. Регистрация ультразвуковых импульсов, рассеянных на неодьородностях исследуемой среды, проводится пьезоэлектрическими преобразователями или оптическими методами. Процесс возбуждения ультразвукового импульса происходит независимо от его детектирования, что увеличивает отношение сигнал-шум системы. Разрешающая способность метода определяется размерами минимально обнаруживаемой неоднородности. Как уже отмечалось, в ультразвуковых методах разрешающая способность связана с верхней границей регистрируемой полосы частот. При использовании лазерных источников с импульсами наносекундной длительности, возможно возбуждение зондирующих ультразвуковых моноимпульсов в полосе, составляющей десятки мегагерц. Амплитуда возбуждаемого ультразвукового импульса пропорциональна плотности мощности лазерного импульса, что позволяет расширить динамический диапазон измерений. Высокая стабильность современных лазерных источников позволяет в значительной степени увеличить соотношение сигнал-шум. Поэтому представляется актуальным дальнейшее развитие неразрушающих методов контроля, использующих лазерное термооптическое преобразование для решения ряда задач, связанных с диагностикой механических свойств композитных материалов.

Слоистые структуры являются технологически наиболее простыми и, как следствие, наиболее широко используемыми пространственно-неоднородными средами. Такие структуры используют в различных прикладных областях: оптике, акустике, технологии композитных материалов. В оптике многослойные структуры используются в качестве диэлектрических зеркал резонаторов и фильтров, которые представляют собой чередующиеся плоскопараллельные слои с различными показателями преломления.

Слоистые структуры, построенные из материалов с различными акустическими им-педансами, используются в гидроакустике в качестве резонансных покрытий гидрофонов, отражающих экранов и т.д. Применяются такие структуры и в системах высокоточного машиностроения для уменьшения вибрации оборудования. Сложность и высо-

кие требования к точности изготовления таких структур делают практически важными задачи их диагностики.

Развитие полупроводниковых и оптоэлектронных приборов обязано прогрессу в технологии тонкопленочных материалов и конструкций. Физические свойства пленочных покрытий могут в значительной степени отличаться от свойств объемных материалов. Таким образом, задачи диагностики свойств тонких пленок являются актуальными, что повышает требования к существующим методам контроля и стимулирует поиск новых.

Лазерный ультразвук используется для диагностики тонких пленок металлов и полупроводников. Так как эти материалы имеют коэффициент поглощения оптического излучения более 104 см"1, то применение фемтосекундных лазерных импульсов позволяет возбуждать ультразвук в полосе вплоть до Дебаевской частоты, и делает возможным проведение диагностики пленок толщиной в десятки нанометров. Информацию о механических свойствах или толщине покрытия можно получить по регистрации времени прихода отражения акустического импульса от подложки или другого слоя. Регистрация ультразвуковых импульсов в такой полосе частот возможна только бесконтактными - оптическими методами, среди недостатков которых можно отметить высокие требования к качеству поверхности и более низкую чувствительность в сравнении с пьезоэлектрическими методами регистрации. Оптические методы используют при регистрации поверхностных акустических волн, которые возбуждают лазерными импульсами, сфокусированными в линию. Так как глубина проникновения поверхностных волн в объем материала сравнима с длиной волны, то по дисперсии скорости звука возможно проводить диагностику физических свойств поверхности, например, шероховатости, наличия вертикальных трещин. В тонких пленках возможно исследование локальных изменение толщины и степени однородности.

Высокая чувствительность к неоднородностям теплофизических свойств делает привлекательным применение методов, основанных на фотоакустическом эффекте. В классической схеме [1] эффект проявляется следующим образом: модулированное по интенсивности оптическое излучение поглощается исследуемым образцом; в результате нестационарного локального нагрева в образце локализуются источники тепла. Далее идет процесс диффузии тепла в образец, изменение температуры граничащего с образцом объема газа приводит к возбуждению волны давления — фотоакустического

сигнала. Информация о результате взаимодействия излучения с веществом и свойствах исследуемого материала содержится в амплитуде и фазе регистрируемого фотоакустического сигнала. Практическая ценность фотоакустического эффекта заключается в возможности неразрушающего определения оптических, теплофизических и механических свойств исследуемых образцов и материалов [1-3].

Проведенные исследования однородных сред методами фотоакустической спектроскопия показали высокую чувствительность к оптическому поглощению, что нашло применение данному методу в спектроскопии газов, сильнопоглощающих или сильно-рассеивающих сред, неудобных для традиционной оптической спектроскопии [4]. На сегодняшний день фотоакустические и родственные им методы находят практическое применение в промышленном контроле, экологии, и т.д.

В результате поглощения гармонически модулированного оптического излучения в исследуемой среде возбуждаются тепловые волны. В случае сильнопоглощающих сред (металлы, полупроводники), в приповерхностном слое локализуются источники тепла. Амплитуда и фаза фотоакустического сигнала определяются только распределением теплофизических свойств исследуемого образца и свойствами подложки. Возбуждаемый фотоакустический сигнал зависит от частоты модуляции оптического излучения, определяющей глубину тепловой диффузии. Это позволяет проводить дефектоскопию подповерхностных неоднородностей с помощью тепловых волн. Глубина, на которой возможна диагностика, зависит от теплофизических свойств материала и частоты модуляции излучения. Для металлов изменение частоты модуляции в пределах десятки герц - десяткл килогерц позволяет изменить глубину диффузии от десятков микрометров до миллиметров. Фотоакустические методы являются уникальными для исследования пространственных неоднородностей теплофизических свойств структурных материалов, так как информация о неоднородностях среды содержится ни только в амплитуде, но и фазе сигнала.

Диагностика пространственного распределения оптических свойств материалов легла в основу дальнейшего развитие фотоакустических методов. В работе [5] была математически обоснована и предложена процедура восстановления распределения коэффициента оптического поглощения в результате применения обратного преобразования Лапласа к частотной передаточной функции фотоакустического преобразования. Ча-

стотная передаточная функция — это зависимость результирующего фотоакустического сигнала от частоты гармонической модуляции интенсивности оптического излучения. Для реализации предлагаемого подхода в качестве опорного сигнала необходимо иметь длину оптического излучения, на которой поглощение в объекте постоянно. Тогда передаточная функция получается из отношения фотоакустических сигналов, полученных для опорного и зондирующего излучения.

Преимущество оптико-акустических методов связано с тем, что в результате действия одиночного лазерного импульса возможно измерение передаточной функции системы в широкой полосе частот от десятков килогерц до десятков мегагерц.

Метод частотных передаточных функций хорошо известен в теории линейных систем, В линейном приближении, отклик среды на возбуждение лазерными импульсами, может быть представлен как свертка функции отклика среды на бесконечно короткий импульс с временной формой огибающей интенсивности лазерного импульса. Спектр результирующего ОА сигнала — это произведение спектров возбуждающего лазерного импульса и частотной передаточной функции [6,7]. Передаточная функция определяет эффективность возбуждения отдельных гармоник ОА сигнала и учитывает влияние оптических, теплофизических и механических свойств исследуемой среды. Поэтому теоретическое исследование механизмов возбуждения ОА сигналов удобно проводить методом частотных передаточных функций, позволяющим отделить влияние параметров возбуждающего излучения, таких как длительность и форма лазерного импульса.

В последнее время широкое распространение получают томографические методы, в которых восстанавливаются пространственные неоднородности свойств исследуемого объекта. Восстановление пространственного распределения оптических неоднородно-стей особенно актуально применительно к биологическим тканям, сильно рассеивающим оптическое излучение, что создает определенные сложности для их диагностики оптическими методами. Хотя методы оптической когерентной томографии позволяют получить информацию о неоднородностях на клеточном уровне, глубина возможного сканирования не превышает нескольких миллиметров. Не останавливаясь на преимуществах и недостатках других методов томографии, отметим, что последние десять лет интенсивно развивается термоакустическая и ОА томография. В основе данных методов лежит импульсное возмущение биологических тканей излучением, которое, с

одной стороны, проникает на достаточную глубину, с другой стороны обнаруживаемые неоднородности тканей проявляют контраст поглощения. В случае ОА томографии в терапевтическом окне 0,5 - 1,1 мкм основным поглотителем является гемоглобин. Контраст в ткани обеспечивается сетью кровеносных сосудов, наиболее ярко характеризующей патологические изменения. Поглощение излучения в ткани приводит к локальному тепловыделению и изменению температуры, в результате чего возбуждаются волны давления, которые несут информацию о неоднородностях и в меньшей степени изменяются в процессе распространения. Теоретически и экспериментально показано, что Фурье образ давления является частотной передаточной функцией пространственного распределения тепловых источников, в случае если пространственные неоднородности могут быть рассмотрены в рамках одномерной модели. Таким образом, с помощью ОА методов диагностики возможно восстановление пространственного распределения тепловых источников, которое определяется неоднородностями оптического поглощения. Эффективное решение задач диагностики пространственно-неоднородных сред требует развития численных моделей, которые позволили бы проводить теоретический расчет измеряемых зависимостей. Слоистые структуры, с выраженными неоднородностями механических, теплофизических или оптических свойств применительно к ОА методам диагностики, могут быть рассмотрены в рамках одномерной модели. Практически задачи ультразвукового контроля решаются посредством регистрации импульсов давления прошедших исследуемую структуру или отраженных от нее. Помимо оптических методов широкополосная регистрация ультразвукового импульса возможна с помощью тонкопленочных пьезополимерных материалов, имеющих высокую погонную чувствительность. Иммерсионная широкополосная ультразвуковая спектроскопия с лазерными термооптическими источниками обеспечивает возможность диагностики в полосе частот вплоть до 100 МГц, что применяется для измерения спектров пропускания, поглощения, дисперсии скорости звука. Спектр пропускания можно рассматривать как частотную передаточную функцию системы. При наличии модели результаты измерений могут быть аппроксимированы расчетами для сред с известным распределением свойств. Решение задач о прохождении ультразвука через многослойные структуры проводилось как теоретически, так и экспериментально во многих работах. В классических теоретических работах, например [8], методом передаточных матриц подробно

исследованы вопросы свободного распространения акустических волн в слоистых средах. Данный метод получил развитие и был использован во многих задачах, в том числе в задачах рассматривающих фотоакустическое преобразование в слоистых средах. В работе [8] также отмечается, что возможно определение амплитуды волны, прошедшей слоистую среду, из решения системы связанных уравнений, выражающих условия непрерывности давления и колебательной скорости на границах.

Представляется перспективным применение этого подхода для расчета частотных передаточных функций ОА преобразования в слоистой среде, что требует поэтапного решения следующих задач: определение пространственного распределения тепловых источников, затем рассматривается процесс диффузии тепла и возбуждение ультразвукового импульса.

На сегодняшний день ОА методы диагностики находят практическое применение в неразрушающем контроле полупроводников, металлов, керамики, композитов, биологических тканей. Информация о пространственном распределении неоднородностей свойств чсследуемой среды может быть получена из временной формы и спектра ОА сигнала. Таким образом, дальнейшее развитие методов диагностики, использующих ОА эффект с лазерными источниками, является актуальным и перспективным направлением для решения задач неразрушающего контроля и медицинских исследований.

Таким образом, решение прямой ОА задачи по определению формы возбуждаемого импульса давления может быть сведено к определению частотной передаточной функции среды. С другой стороны, при решении задач диагностики по восстановлению распределения свойств исследуемой среды измеренная частотная передаточная функция аппроксимируется рассчитанными функциями, полученными в результате решения прямой ОА задачи в модельной среде.

Задачей настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование слоистых структур в рамках одномерной пространственной модели применительно к ОА методам диагностики. В качестве метода исследования предлагается метод частотных передаточных функций. Расчеты передаточной функции выполняются в результате поэтапного решения связанных систем уравнений, выражающих условия непрерывности полей на границах слоев.

Цели настоящей работы

  1. Решение задачи о термоакустическом возбуждении продольных ультразвуковых волн в одномерной слоистой структуре с определением поля давления акустических волн в отдельных слоях.

  2. Диагностика одномерных пространственно-периодических структур методом широкополосной акустической спектроскопии с лазерными термооптическими источниками ультразвука.

  3. Решение задачи об интерференции встречных плоских волн в поглощающих средах на примере пластинки и одномерной периодической структуры.

  4. Поэтапный расчет частотной передаточной функции оптико-акустического преобразования в одномерной пространственно-неоднородной среде с заданным распределением оптических и теплофизических свойств.

  5. Диагностика теплофизических свойств и толщины субмикронной металлической пленки на кварцевой подложке оптико-акустическим методом.

Общая характеристика работы

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 124 страниц, в том числе 27 рисунков, 1 таблица. Список литературы включает 132 наименования.

Во введении показана актуальность и перспективность применения ОА и родственных методов для решения задач диагностики и неразрушающего контроля, а также в медицинских приложениях. Сформулированы цели и задачи работы. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе проводится обзор литературы по вопросом, касающимся диагностики и неразрушающего контроля пространственно-неоднородных сред, в том числе многослойных структур фотоакустическими и оптико-акустическими методами; подчеркиваются преимущества, получаемые при применении оптико-акустических методов для

диагностики и неразрушающего контроля широкого круга материалов с различными типами неоднородностей; обсуждаются результаты диагностики биологических тканей, полученные с помощью ОА методов.

Во второй главе рассматривается задача распространения широкополосных импульсов продольных акустических волн в одномерных средах с неоднородностями акустических свойств. Амплитуды неизвестных волн давления находятся из решения связанной системы уравнений, выражающих условия непрерывности на границах слоев. Теоретически рассчитываются и экспериментально измеряются спектры пропускания одномерных ПС. Приводится схема экспериментальной установки, и описывается метод широкополосной ультразвуковой спектроскопии с лазерными источниками ультразвука для диагностики пространственно-неоднородных сред. Сравниваются полученные теоретические и экспериментальные результаты.

2.1. Рассмотрена одномерная модель акустически пространственно-неоднородной среды, представленной в виде многослойной структуры, у которой изменения СВОЙСТВ Б пределах слоя незначительны. При нормальном падении плоской ультразвуковой волны на такую структуры считаем, что в каждом слое существует две распространяющиеся навстречу друг другу продольные акустические моды. Практически важным является определение спектра пропускания или отражения слоистой структуры. Для этого используем условия непрерывности спектральных составляющих колебательной скорости частиц и давления на границах слоистой структуры, толщины и свойства которой известны. В результате получается система из 2ЛГ + 2 связанных линейных уравнений, где N общее число слоев. Такая система может быть записана в виде квадратной матрицы, а её решение найдено численно, например методом Гаусса, что позволит определить ни только коэффициенты пропускания и отражения, но и поле давления в отдельных слоях структуры. Изложен способ построения такой системы уравнений. Данный подход к решению можно рассматривать как альтернативу методу передаточных матриц. Общность подхода позволяет решать задачи оптико-акустического преобразования, когда в слоистой среде появляются распределенные источники.

2.2. С помощью метода изложенного в 2.1. рассчитаны спектры пропускания ультразвука одномерной ПС, состоящей из чередующихся слоев воды и слоев оргстекла. Для полосы частот 0,5 - 6 МГц расчеты спектров пропускания таких структур про-

ведены с учетом поглощение в оргстекле. Показано, что при фиксированном периоде в результате изменения соотношения толщин слоев, образующих период структуры, в полосе 2-6 МГц значительно изменяется спектр пропускания, т.е. изменяется положение областей прозрачности и непрозрачности. Что может быть использована для неразрушающего контроля регулярных изменений периодичности структуры. Рассчитаны спектры пропускания ПС, содержащей модельный дефектный слой — удаленный слой оргстекла. Показано, что наличие дефекта в структуре приводит к появлению в спектре в областях непрозрачности локальных максимумов пропускания, положение и амплитуда которых зависит от положения дефектного слоя в структуре.

2.3. Приводится схема и описание экспериментальной установки, использующей метод ультразвуковой широкополосной спектроскопии с лазерными термооптическими источниками. С помощью данного метода измерены спектры пропускания ультразвука одномерных ПС, образованных 10 слоями оргстекла, помещенными в дистиллированную воду. Измеренный спектр был аппроксимирован теоретическим спектром, полученным в результате вариаций толщин слоев, образующих период, в пределах точности их изготовления. В структуре были удалены 5-ый и 8-ой слои оргстекла и тем самым созданы дефекты. Теоретически рассчитанный спектр пропускания такой структуры соответствует экспериментальному в пределах ошибки измерений. Хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов показывает возможность проведения диагностики слоистых сред методами лазерной широкополосной ультразвуковой спектроскопии, при динамическом диапазоне 40 дБ, который обеспечивается использованной установкой.

Из решения связанной системы уравнений, теоретически рассчитана спектральная чувствительность конструкций пьезоэлектрических приемников на основе ПВДФ пленки с учетом тыльной нагрузки и экранирующего слоя. Экспериментально измеренные спектральные чувствительности приемников из ПВДФ пленки хорошо согласуются с результатами расчета.

В главе 3 на примере пластинки и периодической структуры, рассматривается интерференция встречных продольных акустических волн в поглощающих средах. Для поглощающей пластинки получены условия для экстремумов амплитуды прошедшей волны. Показано, что при изменении амплитуды и фазы встречной волны возможна

диагностика нарушений в периодической структуре, не обнаруживаемых при наличии только одной падающей на структуру волны.

3.1. Рассмотрен случай нормального падения встречных акустических волн на плоскопараллельную поглощающую пластинку. Давление в пластинке представлено как суперпозиция двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях с учетом многократных переотражений. Из системы уравнений, выражающей условия непрерывности давления и колебательной скорости частиц на границах пластинки, определяются неизвестные амплитуды волн давления, зависящие от разности фаз и соотношения амплитуд между падающими на пластинку извне волнами. Показано, что наличие встречной волны, падающей на пластинку, позволяет управлять интерференционным потоком в широкой полосе частот. Получены условия для экстремумов пропускания амплитуды проходящей волны при фиксированном общем потоке энергии, подводимом к пластинке.

3.2. Рассмотрена интерференция встречных продольных волн в одномерной ПС, состоящей из чередующихся слоев оргстекла и воды. Как отмечено в 2.2, удаление слоя оргстекла в такой структуре приводит к значительному изменению спектра пропускания в полосе непрозрачности, а именно: к появлению локального максимума. Теоретически показано, что при однонаправленном распространении спектры пропускания ПС с таким дефектом инвариантны к пространственному положению источника и приемника, в силу теоремы взаимности. Эта неоднозначность спектра пропускания препятствует решению задачи по определению положении дефектного слоя в структуре. Включение встречного источника позволяет различить такие структуры по спектрам амплитуды волны, распространяющейся от пластинки, полученным при различных отношениях амплитуд встречных волн. Изменение соотношения амплитуд встречных волн приводит к изменению амплитуды локального максимума на минимум.

Подобные работы
Вакс Владимир Лейбович
Методы диагностики сред, основанные на высокоточных СВЧ измерениях
Гарбацевич Владимир Алексеевич
Исследование излучателей и сигналов ионозонда и георадара для диагностики геофизических сред
Баулин Евгений Владимирович
Дистанционная диагностика водных сред методами нестационарной лазерной спектроскопии
Попов Алексей Петрович
Лазерная диагностика сильнорассеивающих сред и изменение их оптических свойств путем имплантации наночастиц
Трощанович Павел Вячеславович
Особенности структуры объемных голограмм, обусловленные свойствами регистрирующей среды, и их диагностика
Кузнецов Андрей Александрович
Диагностика состояния металлополимерных композиционных материалов во влажной среде
Быков Александр Викторович
Анализ рассеяния лазерного излучения в структурно и динамически неоднородных сильнорассеивающих средах применительно к некоторым задачам оптической биомедицинской диагностики
Кириллин Михаил Юрьевич
Распространение света в сильнорассеивающих средах и формирование сигналов в системах лазерной диагностики
Лескова Светлана Сергеевна
Диагностика свойств жидкости на границах раздела гетерогенных сред
Хохлова Татьяна Дмитриевна
Оптико-акустическая томография поглощающих объектов в рассеивающей среде многоэлементной фокусированной антенной

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net