Способ измерения фокусного расстояния акустического зеркала Советский патент 1983 года по МПК G01H1/00 G01N29/00 

t

со сд Изобретение относится к акустиче КИМ измерениям, а именно к способам измерения фокусного расстояния 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 измерения Фокусного расстояния акустического зерка ла, заключающийся в том, что облучают зеркало коротким ультразвукйвьвл импульсом, принимают отраженный сигнал линейной решетки акустических преобразователей, расположенных вдоль пути распространения импульса восстанавливают амплитуды и фазы ультразвуковой волны на каждом преобразователе посредством сравнения зарегистрированных сигналов с рпор м и на основании этих данных определяют фокусное расстояние ij. Недостатком способа является его трудоемкость и невозможность применения при фокусировке ультразвука в твердой среде, так как в ее объем невозможно поместить акустические преобразователи. Наиболее близким потехнической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ измерения фокусного расстояния акустического зеркала, выполненного на одной границе твердого тела, заключающийся в том, что облучают акустическое зеркало коротким импульсом когерентных ультразвуковых колебаний, пьезопреобразователя со стороны плоской границы тела, противоположной зеркалу, и по величине информативного параметра определяют фокусное расстояние. 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 для его реализации необходи ма специальная оптическая техника, причем в случае оптически непрозрач ной срдады используют инфракрасную. Кроме того для получения надежных результатов требуются дополнительны измерения, чтобы исключить погрешно ти, связанные с дифракционной расхо димостью светового пучка, оптическо анизотропией (в кристаллах) и т.д. Без введения этих поправок результат измерения получают с большой погрешностью (10% и более). Целью изобретения является упрощение измерений и повыиюние точности. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения фокусного расстояния акустического зеркала, выполненного на одной границе твердого тела, заключающемуся в том, что облучают акустическое зеркало коротким импульсом когерентных ультразвуковых колее аний пьезопреобразователя со стороны плоской границы тела, противоположной зеркалу, и по величине информативного параметра определяют фокусное расстояние, в качестве информативного парг1метра 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 () где п - порядковый номер отраженного сигнала, выделенного по амплитуде; m - порядковый номер группы, включающей этот выделенный сигнал. На фиг. 1 изображена схема реализации способа; на фиг. 2 - зависимость амплитуды А отраженных сигналов от порядкового номера п отражения и номера m группы в случае, когда выделены по амплитуде отдельные отражения; на фиг. 3 - зависимость амплитуды отраженных сигналов от номера п отражения и номера m группы, когда выделены по амплитуде несколько соседних отражений. Способ осуществляют 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 двумя последовательными отражениями. Тем же пьезопреобразователем 3 принимают последовательность отраженных сигналов, и после их усиления и детектирования огибающую указанной последовательности наблюдают на экране осциллографа. Затем селектируют отраженные сигналы по амплитуде, выделяя отражения или группы соседних отражений с максимальной амплитудой.. При этом определяют порядковые номера п отражений, выделенных по амплитуде, и порядковые номера m групп, содержащих по крайней мере одно вьщеленное по амплитуе отражение. После измерения расстояния L между обеими зеркальными

границами определяют фокусное расстояние f по формуле (1).

Способ основан на свойстве системы, образованной фокусирующим (с фокусным расстоянием f) и близкорасположенным (L ) плоским зеркалом, удерживать параксиальный ультразвуковой пучок в пределах апертуры зеркал. Это свойство связано 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, повторяет первоначальную. Таким отражениями соответствует максимальная амп штуда сигнала снимаемого с тгьёзопреобразователя 3. Последнее объясняется тем, что пьезопреобразователь является 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 смещения в точке с координатами точке X, у поверхности пьезопреобразователя 3;

S - площадь преобразователя 3.

Поперечный размер пьезопреобразователя 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 принятых сигналов имеют те из них, для которых падающий на пьезопреобразователь 3 ультразвуковой импульс также имеет плоский фазовый фроит. И, напротив, отраженные сигналы, для которых пгшающий на пьезопреобразователь 3 импульс имеет криволинейный фазовый фронт, сильно ослаблены по амплитуде ввиду того, что мгновенные значения упругого смещения в соседних участках плоскости преобразователя (в соседних зонах Френеля) противофазные Порядковый HOMet отражения, 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 порядковый номер выделенного отражения п, определяется отношением L/f. Отсюда получаем соотношение (1), выраженное f через п и го. Формула

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

5 рения любой неосевой луч ультразвукового пучка возвращается при этом в состояние, 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 выражается рациональной дробью, фазовый профиль пучка для п-го отражения лишь близок к профилю поверхности преобразователя 3, но не совпадает с ней. При этом в последовательности отраженнй вьщелены по амплитуде несколько соседних отражений (на фиг. 3). Для повышения точности определения

0 f в этом случае в формулу (1) попставляют номер п отражения, соответствующего центру группы с большим номером т.

Предлагаемый способ измерения фокусного расстояния акустическогозеркала реализован при фокусировке гиперзвука в объеме, твердотельных монокристаллических звукопроводов из сапфира и ниобата лития. 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 размещается дисковый пьезопреобразователь, занимавший всю плоскую поверхность тела 2. В проп цессе измерений фокусирующее сферическое зеркало облучается 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 принимается тем же пьезопреобраэователем, подступает на вход СВЧ-приемника и после детектирования наблюдается на экране импульсного осциллографа, развертка которого запускается синхронно с подачей зондирующего СВЧ-импульса на пьезопреобразователь. Для снижения потерь

5 на распространение гиперзвука изме- .

рения проводятся при охлаждении эвукопровода до температуры жидкого гелия. Структура отражений, показанная на фиг. 2 соответствует распространению гиперзвукового импульса в звукопроводе из сапфира при--.значениях L 22,5 мм, R ,44,8 км. Здесь четко выделены по амплитуде одно отражение в каждой группе ив пяти последовательных отражений:

1, п 5, т,

2, п 10,

т

т 3, п% 15 и т.д.Определенная по формуле (1) величина « 32,6 мм Структура отражений, показанная- на фиг. 3, соответствует фокусировке гиперзвука в звукопроводе из даобат лития при L 44,3 мм, R 44,8 ьт. Здесь выделены по амплитуде группы соседних отражений, отмеченных заштрихованными прямоугольниками. Всего в этом случае наблкщалось свыше 10 отраженных сигналов, бла1х даря чему достигнута высокая точность измерения фокусного расстояния f (относительная погрешность не превышает 1%). Отличие измеренных значений фокусного расстояния от соответствующей параксиальному ультразвуковому пучку в изотропном теле р

величины f я -$- связано с упругой

анизотропией кристаллов, приводящей X отклонению вектора групповой скорости от направления фазовой скорости.

и

Использование способа позволяет

уменьшить трудоемкость измерений за счет исключения операции визуализации упругого поля и введения более простых операций приема и анализа отраженных сигналов. Кроме того он

позволяет повысить точность и надежность результатов измерений, так как исключает ряд источников погрешности, например, связанных с увеличением расходимости светового луча

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

оля и. поэтому одинаково пригоден как для оптически прозрачных, так и для ,непрозрачных сред.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА, вьтолненного на одной границе твердого тела, заключающийся в том, что облучают акустическое зеркало корот- КИМ импульсе когерентных ультразвуковых колебаний пьезопреобразовате- ; ля со сторожл плоской границы тела. противоположной зеркалу, и по величине информативного параметра определяют фокусное расстояние, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений и повышения точности, в качестве инфО1 1ативного паргилетра используют многократно отргикенные сигналы или группы сигналов с максимальной амплитудой, ПЕжнятые тем же пьезопреобразователем, измеряют расстояние L между зеркалом и плоской границей и определяют фокусное расстояние f по . 4-СОв(й1(ГП1|и) где п - порядковый номер отраженного сигнала, выделенного по ам- . КО плитуде; m - порядковый номер группы, с включающей этот выделенный cHrHajj.

Л

«

(101

(1 П П П

П П П П

Ц(ЮГ

П И П П

П я П П

П П

m

g P7 t и g ra g

ш