SU1265597A2 - Способ визуализации акустических полей в твердотельных звукопроводах - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к неразрушающему контролю материалов и изделий и может найти применение в фи зических исследовани х при определении пол ризационных характеристик акустических полей, а также в различных технических приложени х. Целью изобретени   вл етс  определение пол ризации волны в визуализи- . руемом акустическом поле. При визуализации акустических полей в твердотельных звукопроводах дополнительно с помощью акустической св зки создают акустический контакт отражающего конца твердотельного эвукопровода с пластиной-анализатором, выполненной из однопреломл ющего акустического материала. Затем пропускают акустические колебани , возбужденные в этом твердотельном звукопроводе пьезоэлектрическим преобразователем с металлическими обкладками через пластину-анализатор.Далее с помощью упругой сферы локально измен ют отражающую способность свободной поверхности пластины-анализатора последовательно по всей ее площади, осуществл ют визуализацию акустического пол  на этой поверхности пластины-анализатора. После этого сопоставл ют полученные картины визуализируемого акустическог6 пол  на отражающем торце твердотельного звукопровода и свободной поверхности пластины-анализатора и по результатам сравнени  получают информацию о пол ризации волны в рассматриваемом акустическом поле.1 ил.

Description

Изобретение относится к области нёразрушающего контроля материалов и изделий, может быть использовано в физических исследованиях и технических приложениях, например, при разработке твердотельных линий задержки, где необходимо иметь информацию о структуре акустических полей в звукопроводах и является усовершенствованием способа по авт.св. №691749.

Цель изобретения - определение поляризации волны в визуализируемом акустическом поле.

На чертеже представлена схема реализации способа визуализации акустических полей в твердотельных звукопроводах.

-Устройство содержит твердотельный звукопровод 1, пьезокерамический преобразователь 2, металлические обкладки 3 и 4, упругую сферу 5₃ акустическую связку 6, пластину-анализатор 7.

Способ визуализации акустических полей в твердотельных звукопроводах осуществляется следующим образом,,

При определении поляризации ультразвуковой волны, излученной преобразователем 2 в твердотельный звукопровод 1, выполненный из плавлен'ного кварца в виде прямоугольного параллелепипеда, возбуждают ультразвуковую волну в направлении передней базовой грани (торца) звукопровода 1. Возбуждение ультразвуковых колебаний производят пьезопреобразователем 2,, изготовленным из монокристалла ниобата лития в виде Плоскопараллельной пластины, которая размещена между двумя алюминиевыми обкладками 3 и 4. Твердотельный звукопровод 1 жестко крепят путем вклеивания в корпусе высокочастотного устройства (не показано) так, что металлические обкладки 3 и 4 пьезопреобразователя 2 электрически контактируют с выходом этого высокочастотного устройства. Твердотельный звукопровод 1 размещают в корпусе вы; сокочастотного устройства таким образом, чтобы отражающий торец (грань) его параллельный базовой грани, оказался доступным: для внешнего воздействия.

Ультразвуковая волна, излученная пьезопреобразователем 2, распространяется в направлении отражающего

1265597 . ³ торца звукопровода 1 и в силу значительного отличия акустических импедансов кварца и воздуха полностью отражается от торца звукопровода 1.

Отразившаяся волна возвращается к пьезопреобразователю 2, где трансформируется в электромагнитный импульс (эхо-сигнал), амплитуда которого пропорциональна интегральной 10 интенсивности принятой пьезопреобразователем 2. ультразвуковой волны. Для регистрации эхо-импульса используют эхо-импульсную методику измерений, дополненную схемой каJ5 либрованного интегратора, которая позволяет зафиксировать малые (ώάίΌ,Ι дБ) изменения амплитуды эхо-импульсного высокочастотного сигнала, снимаемого с пьезопреоб20 разователя 2. Затем внешним воздействием изменяют отражательную способность в локальной области отражающего конца, твердотельного звукопровода 1. Для этого используют ме’25 ханическое давление стальной сферы диаметром 2. мм, которую прижимают к отражающему торцу звукопровода внешним усилием F = 0,5 кг. Такое внешнее воздействие приводит 30 к рассеянию в образованной контактной области (диаметр d 0,02 мм) падающей на отражающий торец звукопровода 1 ультразвуковой волны, что .регистрируется как уменьшение ₃₅ надо/ = 0,5 дБ амплитуды эхо-импульса, снимаемого с пьезопреобразователя 2.

После этого образованной контактной областью сканируют по поверх40 ности отражающего торца звукопровода 1 и одновременно регистрируют амплитуду эхо-импульса, снимаемого с пьезопреобразователя 2» В результате получают картину визуализируемого акустического поля на отражающем торце твердотельного звукопровода 1.' Затем с помощью акустической связки 6, например расплавленного сапола, создают акустический контакт отражающего торца твердотельного звукопровода 1 с пластиной-анализатором 7 и пропускают через нее исследуемую акустическую волну. Поскольку пластина-анализатор 7 выполнена из од⁵⁵ нопреломляющего акустического материала, например монокристалла кварца, ориентированного осью симметрии третьегс? порядка (осью Z) вдоль тол3 щины этой пластины-анализатора 7, ультразвуковая волна распространяется в направлении свободной поверхности пластины-анализатора 7 таким образом, что поток энергии этой волны имеет направление, однозначно зависящее от поляризации.

В случае продольной поляризации рассматриваемая волна распространяется вдоль нормали к поверхности пластины-анализатора 7, которая по направлению совпадает с кристаллографической осью Z. В отличие от эФого ультразвуковая волна сдвиговой поляризации распространяется таким образом, что поток энергии этой волны направлен под углом к оси Z, причем величина этого угла определяется явлением внутренней конической рефракции. В частности, в монокристалле кварца угол внутренней конической рефракции Ч составляет 1 7 . Область отражения ультразвуковой волны продольной поляризации располагается на свободной по- 25 верхности пластины-анализатора 7 таким образом, что ее геометрический центр находится на одной оси с центром пьезопреобразователя 2, причем “направление этой оси совпадает с зо нормалью к поверхности пластины-анализатора. Область отражения волны сдвиговой поляризации размещается на свободной поверхности пластиныанализатора 7 так, что центр этой области располагается на окружности радиуса

R = h 'tg Ч, где h - толщина пластины-анализатора 7.

Азимутальное положение центра области отражения сдвиговой волны на этой окружности однозначно связано с поляризацией этой волны, т.е. направление вектора смещения частиц U.

После отражения от свободной поверхности пластины-анализатора 7 рассматриваемая ультразвуковая волна по той же траектории возвращается к пьезопреобразователю 2, где трансформируется в электромагнитный эхосигнал, который регистрируется. Затем внешним воздействием, в качестве которого также используется механическое давление стальной сферой 5 диаметром 2 мм, прижимаемой к свободной поверхности пластины-анализатора 7 последовательно по всей ее площади. При этом, используя эхо-импульсную методику, регистрируют изменение 10 интенсивности отразившейся от свободной поверхности пластины-анализатора 7 ультразвуковой волны и получают картину визуализируемого акустического поля на этой поверхности 15 пластйны-анализатора 7. В дальнейшем сопоставляют полученную ранее картину визуализируемого акустического поля на отражающем торце твердотельного звукопровода 1 с картиной 20 поля этой волны на свободной поверхности пластины-анализатора 7 и из сравнения геометрических координат этих картин получают информацию о поляризации рассматриваемой волны.

Предлагаемый способ позволяет в наглядной форме получить информацию о влиянии различных внешних факторов на поляризацию акустической волны в ТЕзрдотельном звукопроводе.

Claims (2)

1. кэ : Изобретение относитс  к области н1еразрушающего контрол  материалов и изделий, может быть использовано в физических исследовани х и технических приложени х, например, при разработке твердотельных линий задержки , где необходимо иметь информацию о структуре акустических полей в звукопроводах и  вл етс  усовершенствованием способа по авт.св. № 691749. : Цель изобретени  - определение пол ризации волны в визуализируемом акустическом поле. На Чертеже представлена схема реализации способа визуализации акустических полей в твердотельных звукопроводах. Устройство содержит твердотельный звукопровод 1р пьезокерамичес,Кий преобразователь 2j металлически обкладки 3 и 4, упругую сферу 5, акустическую св зку 6, пластину-ана лизатор 7 о Способ визуализации акустических волей в твердотельньтх звукопроводах осуществл етс  следующим образом,, При определении пол ризации ульт развуковой волны, излученной преобразователем 2 в твердотельный звукопровод 1, выполненный из плавлен кого кварца в виде пр моуго 1ьного параллелепипеда, возбуждают ультразвуковую волну в направлении передней базовой грани (торца) звукопровода 1. Возбуждение ультразвуковых колебаний производ т пьезопре™ -образователем 2,, изготовленным из монокристалла ниобата лити  в ви,це Плоскопараллельной пластины, котора размещена между двум  алюминиевыми обкладками 3 и 4 Твердотельный зву копровод 1 жестко креп т путем вкле вани  в корпусе высокочастотного ус ройства (не показано) так, что металлические обкладки 3 и 4 пьезопре образовател  2 электрически контактируют с выходом этого высокочастот ного устройства, Твердотельн&1Й звукопровод 1 размещают в корпусе вы; со1сочастотного устройства таким образом , чтобы отражающий торец (гран его параллельньгй базовой грани, ока залс  доступным: дл  внешнего воздействи . Ультразвукова  волна, излученна  пьезопреобразователем 2, распростра н етс  в направлении отражающего 7 . 3 торца звукопровода 1 и в силу значительного отличи  акустических им- педансов кварца и воздуха полностью отражаетс  от торца звукопровода 1. Отразивша с  волна возвращаетс  к пьезопреобразователю 2, где трансформируетс  в электромагнитный импульс (эхо-сигнал)5 амплитуда которого пропорциональна интегральной интенсивности прин той пьезопреобразователем 2 ультразвуковой волны. Дл  регистрации эхо-импульса используют эхо-импульсную методику измерений, дополненную схемой калиброванного интегратора, котора  позвол ет зафиксировать малые (,1 дБ) изменени  амплитуды эхо-импульсного высокочастотного сигнала, снимаемого с пьезопреобразовател  2, Затем внешним воздействием измен ют отражательную способность в локальной области отражающего конца твердотельного звукопровода 1. Дл  этого используют ме ханическое давление стальной сферы 5 диаметром 2 lyiM, которую прижимают к отражающему торцу звукопровода внешним усилием F 0,5 кг. Такое внешнее воздействие приводит к рассе нию в образованной контактной области (диаметр d 0,02 мм) падающей на отражаюнуий торец звукопровода 1 ультразвуковой волны, что .регистрируетс  как уменьшение надо( 0,5 дВ амплитуды эхо-импульса , снимаемого с пьеэопреобразовател  2, После этого образованной контактной областью сканируют по поверхности отражающего торца звукопровода 1 и одновременно регистрируют амплитуду эхо-импульсаJ снимаемого с пьезопреобразовател 
2. 2. В результате получают картину визуализируемого акустического пол  на отражающем торце твердотельного звукопровода 1. Затем с помощью акустической св зки 6j например расплавленного сапола , создают акустический контакт отражающего торца твердотельного звукопровода 1 с гшастиной-анализато ом 7 и пропускают через нее исследуемую акустическую волну. Поскольку пластина-анализатор 7 выполнена из однопреломл ющего акустического материала , например монокристалла кварца р ориентированного осью симметрии третьегс пор дка (осью Z) вдоль тол3 щины этой пластины-анализатора 7, ультразвукова  волна распростран етс  в направлении свободной HOBBJI ности пластины-анализатора 7 таким образом, что поток энергии этой волны имеет направление, однозначно завис щее от пол ризации. В случае продольной пол ризации рассматриваема  волна распростран етс  вдоль нормали к поверхности пластины-анализатора 7, котора  по направлению совпадает с кристаллографической осью Z. В отличие от ЭГого ультразвукова  волна сдвиговой пол ризации распростран етс  та ким образом, что поток энергии этой волны направлен под углом к оси Z, причем величина этого угла определ етс   влением внутренней конической рефракции. В частности, в монокристалле кварца угол внутренней конической рефракции Ч составл  ет 1 7 . Область отражени  ультразвуковой волны продольной пол ризации располагаетс  на свободной по верхности пластины-анализатора 7 та ким образом, что ее геометрический центр находитс  на одной оси с цент ром пьезопреобразовател  2, причем направление этой оси совпадает с нормалью к поверхности пластины-ана лизатора. Область отражени  волны сдвиговой пол ризахщи размещаетс  на свободной поверхности пластиныанализатора 7 так, что центр этой области располагаетс  на окружности радиуса R htgV, где h - толщина пластины-анализатора 7. Азимутальное положение центра области отражени  сдвиговой волны на этой окружности однозначно св зано с пол ризацией этой волны, т.е направление вектора смещени  частиц и. После отражени  от свободной поверхности пластины-анализатора 7 ра сматриваема  ультразвукова  волна по той же траектории возвращаетс  к пьезопреобразователю 2, где транс формируетс  в электромагнитный эхо974 сигнал, который регистрируетс . Затем внешним воздействием, в качестве которого также используетс  механическое давление стальной сферой 5 диаметром 2 мм, прижимаемой к свободной поверхности пластинь1-анализатора 7 последовательно по всей ее площади . При этом, использу  эхо-импульсную методику, регистрируют изменение интенсивности отразившейс  от свободной поверхности пластины-аналиаатора 7 ультразвуковой волны и получают картину визуализируемого акустического пол  на этой поверхности пластины-анализатора 7. В дальнейшем сопоставл ют полученную ранее картину визуализируемого акустического пол  на отражающем торце твердотельного звукопровода 1 с картиной пол  этой волны на свободной поверхности пластины-анализатора 7 и из сравнени  геометрических координат этих картин получают информащсо о пол ризации рассматриваемой волны. Предлагаемый способ позвол ет в нагл дной форме получить информацию о вли нии различных внешних факторов на пол ризацию акустической волны в ТЕзрдотельном звукопроводе. Формула изобретени  Способ визуализации акустическиЬс полей в твердотельных звукопроводах по авт.св. № 691749, отличающийс  тем, что, с целью определени  пол ризации волны в визуализируемом поле, на поверхности твердотельного звукопровода через тически прозрачный слой устанавливают пластину-анализатор из однопреломл ющего акустического материала , локально измен ют отражательную способность свободной поверхности пластины-анализатора последовательно по всей ее площади, осуществл ют визуализацию акустического пол  на поверхности пластиныанализатора , а искомый параметр определ ют путем сравнени  полученных картин визуализируемого пол  на отражающем конце твердотельного звукопровода и свободной поверхности пластины-анализатора.