SU1021951A1

SU1021951A1 - Acoustic mirror focal length measuring method

Info

Publication number: SU1021951A1
Application number: SU823380269A
Authority: SU
Inventors: Валерий Васильевич Тараканов
Original assignee: Ордена Трудового Красного Знамени Институт Радиофизики И Электроники Ан Усср
Priority date: 1982-01-08
Filing date: 1982-01-08
Publication date: 1983-06-07

Abstract

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА, вьтолненного на одной границе твердого тела, заключающийс в том, что облучают акустическое зеркало корот- КИМ импульсе когерентных ультразвуковых колебаний пьезопреобразовате- ; л со сторожл плоской границы тела. противоположной зеркалу, и по величине информативного параметра определ ют фокусное рассто ние, отличающийс тем, что, с целью упрощени измерений и повышени точности , в качестве инфО1 1ативного паргилетра используют многократно отргикенные сигналы или группы сигналов с максимальной амплитудой, ПЕжн тые тем же пьезопреобразователем , измер ют рассто ние L между зеркалом и плоской границей и определ ют фокусное рассто ние f по . 4-СОв(й1(ГП1|и) где п - пор дковый номер отраженного сигнала, выделенного по ам- . КО плитуде; m - пор дковый номер группы, с включающей этот выделенный cHrHajj.A METHOD FOR MEASURING A FOCUS DISTANCE OF THE ACOUSTIC MIRROR, made at one boundary of a solid, consists in irradiating an acoustic mirror with a short-time pulse of coherent ultrasonic oscillations of a piezo-transform; l with a guard the flat border of the body. opposite to the mirror, and by the value of the informative parameter, determine the focal distance, characterized in that, in order to simplify the measurements and improve the accuracy, as an info O1 pargilletra, multiple-negative signals or groups of signals with a maximum amplitude, measured by the same piezoelectric transducer, are used the distance L between the mirror and the flat boundary and determine the focal distance f on. 4-СОВ (11 (ГП1 | и) where η is the sequence number of the reflected signal allocated by the US CO;); m is the sequence number of the group, including this highlighted CH3Hajj.

Description

tt

со сд Изобретение относитс к акустиче КИМ измерени м, а именно к способам измерени фокусного рассто ни акус тического зеркала, фокусирующего ультразвуковой пучок в объеме твердого тела, например кристалла, и может найти применение при исследовании физических свойств кристаллов а также при разработке различных акустических устройств, имеющих фокусирующую поверхность. Известен способ измерени Фокусного рассто ни акустического зерка ла, заключающийс в том, что облучают зеркало коротким ультразвукйвьвл импульсом, принимают отраженный сигнал линейной решетки акустических преобразователей, расположенных вдоль пути распространени импульса восстанавливают амплитуды и фазы ультразвуковой волны на каждом преобразователе посредством сравнени зарегистрированных сигналов с рпор м и на основании этих данных определ ют фокусное рассто ние ij. Недостатком способа вл етс его трудоемкость и невозможность применени при фокусировке ультразвука в твердой среде, так как в ее объем невозможно поместить акустические преобразователи. Наиболее близким потехнической сущности и достигаемому результату к изобретению вл етс способ измерени фокусного рассто ни акустического зеркала, выполненного на одной границе твердого тела, заключающийс в том, что облучают акустическое зеркало коротким импульсом когерентных ультразвуковых колебаний , пьезопреобразовател со стороны плоской границы тела, противоположной зеркалу, и по величине информативного параметра определ ют фокусное рассто ние. В качестве инфор 4ативного параметра используют визуализированный путём дифракции электромагнитной (световой) волны профиль отраженного от зеркала ультразвукового пучка 2. Однако этот способ трудоемок, так как дл его реализации необходи ма специальна оптическа техника, причем в случае оптически непрозрач ной срдады используют инфракрасную. Кроме того дл получени надежных результатов требуютс дополнительны измерени , чтобы исключить погрешно ти, св занные с дифракционной расхо димостью светового пучка, оптическо анизотропией (в кристаллах) и т.д. Без введени этих поправок результат измерени получают с большой погрешностью (10% и более). Целью изобретени вл етс упрощение измерений и повыиюние точности . Поставленна цель достигаетс тем, что согласно способу измерени фокусного рассто ни акустического зеркала, выполненного на одной границе твердого тела, заключающемус в том, что облучают акустическое зеркало коротким импульсом когерентных ультразвуковых колее аний пьезопреобразовател со стороны плоской границы тела, противоположной зеркалу , и по величине информативного параметра определ ют фокусное рассто ние , в качестве информативного парг1метра используют многократно отраженные сигналы или группы сигналов с максимальной амплитудой, прин тые тем же пьезопреобразователем, измер ют рассто ние L между зеркалом и плоской границей и определ ют фокусное рассто ние f по формуле () где п - пор дковый номер отраженного сигнала, выделенного по амплитуде; m - пор дковый номер группы, включающей этот выделенный сигнал. На фиг. 1 изображена схема реализации способа; на фиг. 2 - зависимость амплитуды А отраженных сигналов от пор дкового номера п отражени и номера m группы в случае, когда выделены по амплитуде отдельные отражени ; на фиг. 3 - зависимость амплитуды отраженных сигналов от номера п отражени и номера m группы , когда выделены по амплитуде несколько соседних отражений. Способ осуществл ют следующим образом. Фокусирующее зеркало 1, выполненное на одной границе твердой среды (кристалла) 2/ облучают коротким импульсом когерентных УЗВ колебаний, формируемым пьезопреобразователем 3 На противоположной плоской границе той же среды. Длительность импульса выбирают короче времени его пробега в кристалле между двум последовательными отражени ми. Тем же пьезопреобразователем 3 принимают последовательность отраженных сигналов, и после их усилени и детектировани огибающую указанной последовательности наблюдают на экране осциллографа. Затем селектируют отраженные сигналы по амплитуде , выдел отражени или группы соседних отражений с максимальной амплитудой.. При этом определ ют пор дковые номера п отражений, выделенных по амплитуде, и пор дковые номера m групп, содержащих по крайней мере одно вьщеленное по амплитуе отражение. После измерени рассто ни L между обеими зеркальнымиThe invention relates to acoustic KIM measurements, namely to methods for measuring the focal length of an acoustic mirror that focuses an ultrasonic beam in a solid, for example a crystal, and can be used to study the physical properties of crystals as well as to develop various acoustic devices, having a focusing surface. The known method of measuring the focal length of an acoustic mirror, which implies that the mirror is irradiated with a short ultrasound pulse, receives the reflected signal of the linear array of acoustic transducers located along the propagation path of the ultrasonic wave on each transducer by comparing the recorded signals with rpores and based on these data, the focal distance ij is determined. The disadvantage of this method is its laboriousness and the impossibility of using it when focusing ultrasound in a solid medium, since acoustic transducers cannot be placed in its volume. The closest technical essence and the achieved result to the invention is the method of measuring the focal length of an acoustic mirror, made on one solid boundary, consisting in irradiating an acoustic mirror with a short pulse of coherent ultrasonic vibrations, a piezoelectric transducer on the side of the flat boundary of the body opposite to the mirror, and the focal length is determined by the value of the informative parameter. The profile of the ultrasonic beam reflected from the mirror 2 is visualized by diffraction of an electromagnetic (light) wave as an informative parameter. However, this method is laborious, since special optical technology is needed to implement it, and in the case of optically opaque radiation, infrared is used. In addition, in order to obtain reliable results, additional measurements are required to eliminate the errors associated with the diffraction divergence of the light beam, optical anisotropy (in crystals), etc. Without the introduction of these corrections, the measurement result is obtained with a large error (10% or more). The aim of the invention is to simplify measurements and improve accuracy. The goal is achieved by the method of measuring the focal length of an acoustic mirror made on one solid boundary, which consists in irradiating the acoustic mirror with a short pulse of coherent ultrasonic splicing of the piezoelectric transducer from the side of the flat boundary of the body opposite to the mirror and according to the value of informative the focal distance is determined by the parameter, multiple-reflection signals or groups of signals with the maximum Amplitude, taken by the same piezoelectric transducer, measures the distance L between the mirror and the flat boundary and determines the focal distance f by the formula () where n is the order number of the reflected signal allocated in amplitude; m is the sequence number of the group including this dedicated signal. FIG. 1 shows a scheme for implementing the method; in fig. 2 shows the dependence of the amplitude A of the reflected signals on the sequence number n of the reflection and the number m of the group in the case when separate reflections are selected in amplitude; in fig. 3 shows the dependence of the amplitude of the reflected signals on the number n of the reflection and the number m of the group when several adjacent reflections are selected in amplitude. The method is carried out as follows. A focusing mirror 1 made on one boundary of a solid medium (crystal) 2 / is irradiated with a short pulse of coherent ultrasonic vibrations generated by a piezo-transducer 3 On the opposite flat boundary of the same medium. The pulse duration is chosen shorter than the time of its run in the crystal between two successive reflections. The same piezotransducer 3 receives a sequence of reflected signals, and after amplifying and detecting them, the envelope of the indicated sequence is observed on the oscilloscope screen. Then, the reflected signals are selected by amplitude, highlighting reflections or groups of neighboring reflections with a maximum amplitude. This determines the sequence numbers of the n reflections, selected by the amplitude, and the sequence numbers of the m groups containing at least one reflection amplitude. After measuring the distance L between both mirror

границами определ ют фокусное рассто ние f по формуле (1).the boundaries determine the focal distance f by the formula (1).

Способ основан на свойстве системы , образованной фокусирующим (с фокусным рассто нием f) и близкорасположенным (L ) плоским зеркалом, удерживать параксиальный ультразвуковой пучок в пределах апертуры зеркал. Это свойство св зано с образованием акустики, ограничивающей движение пучка в гюперечном относительно оси двухзеркальной системы направлении. Структура фазового фронта ультразвукового импульса, сформированного пьезопреобразо ателем 3; периодически, после определенного числа отражений от фокусирующего зеркала 1 и плоской границы тела, повтор ет первоначальную. Таким отражени ми соответствует максимальна амп штуда сигнала снимаемого с тгьёзопреобразовател 3. Последнее объ сн етс тем, что пьезопреобразователь вл етс линейш м приемником т.е. чувствительным к фазе падающей волны, и снимаемый с него сигнал пропорционален величинеThe method is based on the property of a system formed by a focusing (with a focal distance f) and a closely spaced (L) flat mirror, to keep the paraxial ultrasonic beam within the aperture of the mirrors. This property is associated with the formation of acoustics, which limits the movement of the beam in the direction that is hyperexews relative to the axis of the two-mirror system. The structure of the phase front of an ultrasonic pulse formed by a piezoelectric transducer 3; periodically, after a certain number of reflections from the focusing mirror 1 and the flat boundary of the body, repeats the original one. Such reflections correspond to the maximum amplitude of the signal produced by the transducer 3. The latter is explained by the fact that the piezo transducer is a linear receiver i.e. sensitive to the phase of the incident wave, and the signal taken from it is proportional to

I jM(V,)ai{av. % I jM (V,) ai {av. %

где и(х, у) - мгновенное значение упругого смещени в точке с координатами точке X, у поверхности пьезопреобразовател 3;where and (x, y) is the instantaneous value of the elastic displacement at the point with the coordinates of the point X, at the surface of the piezoelectric transducer 3;

S - площадь преобразовател 3.S is the area of the converter 3.

Поперечный размер пьезопреобразовател 3 выбирают много больше длины ультразвуковой волны. Если первоначально возбужден ультразвуковой импульс с плоским фазовым фронтом (или б/шзким к плоскому), то максимальную амплитуду ь последовательности прин тых сигналов имеют те из них, дл которых падающий на пьезопреобразователь 3 ультразвуковой импульс также имеет плоский фазовый фроит. И, напротив, отраженные сигналы , дл которых пгшающий на пьезопреобразователь 3 импульс имеет криволинейный фазовый фронт, сильно ослаблены по амплитуде ввиду того, что мгновенные значени упругого смещени в соседних участках плоскости преобразовател (в соседних зонах Френел ) противофазные Пор дковый HOMet отражени , выделенного по ам плитуде и--21Гп,/в, где m - целое число;The transverse size of the piezoelectric transducer 3 is chosen much larger than the length of the ultrasonic wave. If an ultrasonic impulse with a flat phase front (or b / w to flat) is initially excited, then the maximum amplitude of the received signal sequence are those for which the ultrasonic impulse incident on the piezoelectric transducer 3 also has a flat phase capacitance. And, on the contrary, the reflected signals, for which the pulse on the piezoelectric transducer 3 has a curvilinear phase front, is greatly attenuated in amplitude due to the fact that the instantaneous values of the elastic displacement in adjacent areas of the transducer plane (in the adjacent Fresnel zones) are out of phase amplitude i - 21Gp, / in, where m is an integer;

О av-CC05 -т А Jl,About av-CC05 - A Jl,

А и D - элементы лучевой матрицы М, детерминат которой равен единице - (е 1}A and D are the elements of the ray matrix M whose determinate is equal to one - (е 1}

применительно with reference

рассматриваемому .under consideration.

ЬB

. В--аЬ ; С -|.. B - ab; C - |.

Таким образом, характеристический угол Q f от которого зависит пор дковый номер выделенного отражени п, определ етс отношением L/f. Отсюда получаем соотношение (1), выраженное f через п и го. ФормулаThus, the characteristic angle Q f on which the sequence number of the selected reflection n depends is determined by the ratio L / f. From here we obtain the relation (1), expressed by f through n and go. Formula

(1) следует из формулы Сильвестра и вл етс условием, что п- степень лучевой матрицы М равна едщничной матрице. В рамках лучевого рассмот- (1) follows from Sylvester's formula and is a condition that n-the degree of the ray matrix M is equal to the eddy matrix. In the framework of the beam study

5 рени любой неосевой луч ультразвукового пучка возвращаетс при этом в состо ние, заданное при его возбуж- , дении. Структура последовательных отражений в этом случае показана на5 rhenium, any non-axial beam of the ultrasonic beam returns to the state specified during its excitation. The structure of successive reflections in this case is shown in

0 фиг. 2. В случае, если отношение . L/f таково, что не выражаетс рациональной дробью, фазовый профиль пучка дл п-го отражени лишь близок к профилю поверхности преобразовател 3, но не совпадает с ней. При этом в последовательности отраженнй вьщелены по амплитуде несколько соседних отражений (на фиг. 3). Дл повышени точности определени 0 fig. 2. In case of attitude. L / f is such that it is not expressed by a rational fraction, the phase profile of the beam for the n-th reflection is only close to the surface profile of the transducer 3, but does not coincide with it. At the same time, several neighboring reflections are shown in amplitude in the sequence reflected in amplitude (in Fig. 3). To improve accuracy

0 f в этом случае в формулу (1) попставл ют номер п отражени , соответствующего центру группы с большим номером т.0 f in this case, the number n of the reflection corresponding to the center of the group with the large number m is inserted into formula (1).

Предлагаемый способ измерени фокусного рассто ни акустическогозеркала реализован при фокусировке гиперзвука в объеме, твердотельных монокристаллических звукопроводов из сапфира и ниобата лити . Звукопроводы имеютThe proposed method for measuring the focal length of an acoustic mirror is realized by focusing a hypersound in a volume solid-state single-crystal sound lines made of sapphire and lithium niobate. Sound ducts have

0 форму цилиндра диаметром 4 мм, длиной L 3,4-60 мм и ориентированы вдоль оптической оси кристалла. На одном торце выполнено фоку ирукедее зеркало в виде сферического сегмента0 is a cylinder with a diameter of 4 mm, length L 3.4-60 mm and oriented along the optical axis of the crystal. On one end, a mirror is made in the form of a spherical segment.

5 с большим радиусом R кривизны, а на противоположном - плоское. На плоском торце размещаетс дисковый пьезопреобразователь , занимавший всю плоскую поверхность тела 2. В проп цессе измерений фокусирующее сферическое зеркало облучаетс коротким (0,5 мкс) иишульсом когерентных гиперзвуковых колебаний частоты 3 ГГд,. излучаемым пьезопреобразователем при подаче на него СВЧ-импуль . са той же частоты и длительности. Последовательность отраженных сигналов принимаетс тем же пьезопреобраэователем , подступает на вход СВЧ-приемника и после детектировани наблюдаетс на экране импульсного осциллографа, развертка которого запускаетс синхронно с подачей зондирующего СВЧ-импульса на пьезопреобразователь . Дл снижени потерь5 with a large radius R of curvature, and on the opposite - flat. A disk piezoelectric transducer is placed on the flat end, occupying the entire flat surface of the body 2. In the measurement process, the focusing spherical mirror is irradiated with a short (0.5 µs) pulse and a coherent hypersonic oscillation frequency of 3 GGd. radiated by a piezoelectric transducer when applying a microwave pulse to it. same frequency and duration. The sequence of reflected signals is received by the same piezoelectric transducer, rises to the input of the microwave receiver, and after detection is observed on the screen of a pulsed oscilloscope, the sweep of which runs synchronously with the feeding of the probing microwave pulse to the piezoelectric transducer. To reduce losses

5 на распространение гиперзвука изме- .5 on the distribution of hypersound change-.

рени провод тс при охлаждении эвукопровода до температуры жидкого гели . Структура отражений, показанна на фиг. 2 соответствует распространению гиперзвукового импульса в звукопроводе из сапфира при--.значени х L 22,5 мм, R ,44,8 км. Здесь четко выделены по амплитуде одно отражение в каждой группе ив п ти последовательных отражений:Rhenium is carried out by cooling the evukoprovod to the temperature of the liquid helium. The reflection structure shown in FIG. 2 corresponds to the propagation of a hypersonic pulse in a sapphire sound pipe at - L values of 22.5 mm, R, 44.8 km. Here, one reflection is clearly distinguished in amplitude in each group and in five consecutive reflections:

1, п 5, т,1, 5, t,

2, п 10,2, 10,

тt

т 3, п% 15 и т.д.Определенна по формуле (1) величина « 32,6 мм Структура отражений, показанна - на фиг. 3, соответствует фокусировке гиперзвука в звукопроводе из даобат лити при L 44,3 мм, R 44,8 ьт. Здесь выделены по амплитуде группы соседних отражений, отмеченных заштрихованными пр моугольниками. Всего в этом случае наблкщалось свыше 10 отраженных сигналов, бла1х дар чему достигнута высока точность измерени фокусного рассто ни f (относительна погрешность не превышает 1%). Отличие измеренных значений фокусного рассто ни от соответствующей параксиальному ультразвуковому пучку в изотропном теле р t 3, n% 15, etc. The value “32.6 mm” determined by the formula (1) is the structure of reflections, shown in FIG. 3, corresponds to the focusing of the hypersound in the sound line of datac lithium at L 44.3 mm, R 44.8 т. Here, groups of neighboring reflections marked by shaded rectangles are highlighted in amplitude. In total, more than 10 reflected signals were observed in this case, thanks to which a high accuracy of measuring the focal distance f was achieved (the relative error does not exceed 1%). The difference between the measured values of the focal distance and the corresponding paraxial ultrasonic beam in an isotropic body

величины f -$- св зано с упругойf - $ values are related to elastic

анизотропией кристаллов, привод щей X отклонению вектора групповой скорости от направлени фазовой скорости .anisotropy of crystals leading X to the deviation of the group velocity vector from the direction of the phase velocity.

и and

Использование способа позвол етUsing the method allows

уменьшить трудоемкость измерений за счет исключени операции визуализации упругого пол и введени более простых операций приема и анализа отраженных сигналов. Кроме того онreduce the laboriousness of measurements by eliminating the operation of visualizing an elastic field and introducing simpler operations for receiving and analyzing reflected signals. Besides he

позвол ет повысить точность и надежность результатов измерений, так как исключает р д источников погрешности , например, св занных с увеличением расходимости светового лучаallows to increase the accuracy and reliability of measurement results, since it excludes a number of sources of error, for example, those associated with an increase in the divergence of the light beam

по мере сужени фокусируемого ультра звукового пучка или с вли нием оптической анизотропии на падающий и ифрагировавший световой пучок. Спооб не требует визуализации упругогоas the focused ultra sound beam narrows or with the influence of optical anisotropy on the incident and irradiated light beam. Spoob does not require the visualization of elastic

ол и. поэтому одинаково пригоден как дл оптически прозрачных, так и дл ,непрозрачных сред.ol and. therefore equally suitable for both optically transparent and opaque media.

ЛL

1.01.0

«"

(101(101

(1 П П П(1 P P P

П П П ПA

Ц(ЮГC (SOUTH

П И П ПP & P

П П ПA

П ПA

mm

g P7 t и g ra gg P7 t and g ra g

шsh

Claims

METHOD FOR MEASURING FOCUS DISTANCE OF ACOUSTIC MIRROR, made on one boundary of a solid body, which consists in irradiating an acoustic mirror with a short pulse of coherent ultrasonic vibrations of a piezoelectric transducer; La from the side of the flat border of the body. the focal length is determined by the value of the informative parameter, which is due to the fact that, in order to simplify measurements and improve accuracy, repeatedly reflected signals or signal groups with a maximum amplitude adopted by the same piezoelectric transducer are used as an informative parameter , measure the distance L between the mirror and the plane border and determine the focal length f according to the formula 1 £ - —U ______ where η is the serial number of the reflected signal extracted in amplitude;

w - serial number of the group including * this selected signal.

FIG. f