SU1021951A1 - Способ измерени фокусного рассто ни акустического зеркала - Google Patents

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.

Description

t

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 зеркальными

границами определ ют фокусное рассто ние f по формуле (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 величине

I jM(V,)ai{av. %

где и(х, у) - мгновенное значение упругого смещени  в точке с координатами точке X, у поверхности пьезопреобразовател  3;

S - площадь преобразовател  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;

О av-CC05 -т А Jl,

А и D - элементы лучевой матрицы М, детерминат которой равен единице - (е 1}

применительно

рассматриваемому .

Ь

. В--аЬ ; С -|.

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. Формула

(1) следует из формулы Сильвестра и  вл етс  условием, что п-  степень лучевой матрицы М равна едщничной матрице. В рамках лучевого рассмот-

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 на

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 f в этом случае в формулу (1) попставл ют номер п отражени , соответствующего центру группы с большим номером т.

Предлагаемый способ измерени  фокусного рассто ни  акустическогозеркала реализован при фокусировке гиперзвука в объеме, твердотельных монокристаллических звукопроводов из сапфира и ниобата лити . Звукопроводы имеют

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 сегмента

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  потерь

5 на распространение гиперзвука изме- .

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:

1, п 5, т,

2, п 10,

т

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

величины f   -$- св зано с упругой

анизотропией кристаллов, привод щей X отклонению вектора групповой скорости от направлени  фазовой скорости .

и

Использование способа позвол ет

уменьшить трудоемкость измерений за счет исключени  операции визуализации упругого пол  и введени  более простых операций приема и анализа отраженных сигналов. Кроме того он

позвол ет повысить точность и надежность результатов измерений, так как исключает р д источников погрешности , например, св занных с увеличением расходимости светового луча

по мере сужени  фокусируемого ультра звукового пучка или с вли нием оптической анизотропии на падающий и ифрагировавший световой пучок. Спооб не требует визуализации упругого

ол  и. поэтому одинаково пригоден как дл  оптически прозрачных, так и дл  ,непрозрачных сред.

Л

1.0

«

(101

(1 П П П

П П П П

Ц(ЮГ

П И П П

П   П П

П П

m

g P7 t и g ra g

ш

Claims (1)

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА, выполненного на одной границе твердого тела, заключающийся в том, что облучают акустическое зеркало коротким импульсом когерентных ультразвуковых колебаний пьезопреобразовате- ; ля со стороны плоской границы тела. противоположной зеркалу, и по величине информативного параметра определяют фокусное расстояние, о т л и-, чающийся тем, что, с целью упрощения измерений и повышения точности, в качестве информативного параметра используют многократно отраженные сигналы или группы сигналов с максимальной амплитудой, принятые тем же пьезопреобразователем, измеряют расстояние L между зеркалом и плоской границей и определяют фокусное расстояние f по формуле 1 £ - —U______ где η - порядковый номер отраженного сигнала, выделенного по амплитуде;

   ш - порядковый номер группы, включающей* этот выделенный сигнал.

   Фиг. f