Способ интроскопического исследования твердого тела Советский патент 1993 года по МПК G01B9/21 

у

Ё

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в дефектоскопии, акустике, машиностроении для определения неоднородностей внутренней структуры твердых тел. упругих характеристик твердых материалов. Изобретение также может быть использовано для определения параметров упругих волн, распространяющихся в непрозрачных твердых телах. Сущность: исследуемое тело погружают в оптически прозрачную среду, регистрируют фазовые неоднородности этой среды в области, непосредственно примыкающей к границе раздела исследуемое тело - среда, а в качестве упомянутых параметров определяют параметры пуассо- новой волны, по которым определяют параметры упругой волны и соответственно судят о структуре твердого тела 2 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в дефектоскопии, акустике, машиностроении для определения неоднородностей внутренней структуры твердых тел, упругих характеристик твердых материалов. Изобретение также может быть использовано для определения параметров упругих волн, распространяющихся в непрозрачных твердых телах.

Целью изобретения является обеспечение возможности исследования внутреннего строения оптически непрозрачных тел.

Эта цель достигается путем возбуждения в твердом теле упругих волн, регистрации интерференционной или теневой картины фазовых неоднородностей и определения параметров упругой волны, по которым судят о строении упомянутого тела.

Новым является то, что исследуемое тело погружают в оптически прозрачную среду, в которой скорость звука меньше по крайней мере на 10-15% скорости звука в твердом теле, регистрируют интерференционную или теневую картину граничной пуас- соновой волны, образующейся в результате поперечной деформации боковой поверхности тела при прохождении по нему упругой волны, вблизи боковой поверхности образца и определяют угол, составляемый фронтом пуассоновой волны с границей раздела исследуемого тела и прозрачной среды. смещение интерференционной полосы в среде вблизи границы раздела ширину

00

ьо VJ

ел

со

о

фронта пуассоновой волны, по которым определяют параметры упругой волны.

Покажем существенность признаков, отраженных в формуле изобретения, для достижения положительного эффекта.

Настоящее изобретение базируется на следующем физическом явлении, обнаруженном авторами настоящей заявки, и заключающемся в следующем. При прохождении упругой волны по твердому телу в окружающей среде возникают граничные конические пуассоновы волны, происхождение которых можно объяснить поперечным (пуассоновым) смещением бо- ковой поверхности тела, что, в свою очередь, приводит к зарождению {в точке пересечения фронта упругой волны и наружной поверхности тела) граничной конической волны в окружающей среде.

Как показали последующие эксперименты, возникновение такой волны не зависит от способа генерации упругой волны в твердом теле - аналогичные картины пуас- соновых волн образуются как при вхождении уже сформированной волы в твердое тело так и при генерации волн непосредственно в самом твердом теле, например, при воздействии лазерного излучения на его поверхность.

Единственным необходимым условием для генерации пуассоновых волн является такой выбор окружающей тело прозрачной среды, когда скорость звука в ней меньше (более чем на 10-15%) скорости звука в твердом теле. Этому условию практически для всех наиболее часто используемых твердых материалов удовлетворяют любые жид- кости и газы. Так как коэффициент поглощения упругих волн в газахмногоболь-, ше. чем в жидкостях, удобнее использовать жидкости, в частности воду.

Размер области среды, в которой регистрируют пуассонову волну, определяется разницей в скоростях волн в теле и среде (как будет показано ниже, отношение этих скоростей определяет угол наклона пуассоно- вои волны к границе раздела). В большинстве случаев, чтобы зарегистрировать весь фронт пуассоновой волны, достаточно иметь область диаметром 30 мм.Как установили авторы, параметры пуассоно- еой волны однозначно связаны с параметрами аолны в твердом теле и характеристиками материала образца и окружающей среды. Выведем соответствующие соотношения.

Допустим, что нам известны:

Го - радиус стержня, v коэффициент Пуассона материала твердого тела, С - скорость ударной волны в окружающей среде,

0

5

0

п - коэффициент преломления среды, h - ширина фронта пуассоновой волны, регистрируемая по интерферограмме, &k - смещение интерференционной полосы в среде вблизи границы с твердым телом, у - угол, составляемый фронтом пуассоновой волны с границей раздела, А-длина волны просвечивающего излучения, РО - плотность среды.

Необходимо определить: амплитуду, скорость V. ширину и форму импульса волны в твердом теле.

V C/siny(1)

рп -1

др

(2)

Введем цилиндрическую систему координат (х, г, у) и предположим аксиальную симметрию задачи {независимость переменных от 1$. Тогда уравнение конусной волны будет иметь вид:

()ctg у + x-Vt О,(3)

а уравнение (2) в цилиндрических координатах примет вид:

,. , (г pr}r At л

УХХ + О .

(4)

5

0

где

г)р

д

-%

И Т.Д. и

По р (х, г, t) можно найти изменение плотности Л, изменение давления Д/о, скорость частиц среды вдоль оси стержня - V, скорость частиц среды перпендикулярно этой оси- U.

.

V уь, Др -popt , Ao P2j5 .

(5)

Наложим начальные условия контакта среды и твердого тела:

U (х, r0, t) Ut.

U - v r0Wx,

где U - смещение поверхности твердого тела, Wx - продольная деформация твердого тела

Тогда

U (х, го, t) - v r0Wxt fit (x-Vt).

To есть

pr(x, r0, t) fit (x-Vt),(6)

где f 1 - v r0Wx.

Можно показать, что задача (4), (6) при г 2г0. т.е. вблизи границы раздела среды и

твердого тела, имеет квазистационарное решение:

y(x,r,t) , fl(0),

cosy

0Ex-Vt + ctg у. (r-r0). Тогда, учитывая (5), имеем:

-iii7 irj7w(:

/ |o -ҐЈyw

(Ь

(7)

(8) (9)

(Ю)

cfy-()

(12)

где Ah - изменение показателя преломления среды при прохождении пуассоновой волны.

Из геометрических соображений следует:

AkA t L-2 Al) ni + 2 Alna-Lm

2Al(n2-ni) 2AlAh, где Al - ширина возмущенной зоны в направлении просвечивания (перпендикулярно плоскости), L- ширина кюветы со средой. Итак,

Ah.(13)

С другой стороны, по (11):

Ар v ГР Wxx РО sin у cosy

Тогда, учитывая (12) и (13), получим:

vr0W

XX

AkA

sin у cos у 2 Al (п - 1) A sin у cos у

-

2vr0 Д1(г -1) Или, учитывая, что Al htgy:

A COS2

W

А.Л J& У

A 2vr0h(n-l)Таким образом, определяя Ak, получим Wxx по (14), а следовательно, можем определить и Дэ, и До в среде:

, C2AkActgy °Р ° 2h(n-1) AkActgy ° 2h (п - 1)

С A cos2 у ,(1)

(15) (16)

U Ak

2 sinyh(n - 1)

u С A k A cos у V 2h(n -1)

(18)

(7)

(8) 9)

(Ю)

)

kOT

14)

чим ре1)

15) (16)

15

(12) 20

ния ны.

едунаярой.

(13)

25

45

Амплитуда продольной деформации: 5 Wx- / Wxxdx.(19)

о

В рамках линейной теории упругости можно оценить осевое напряжение:

7±EWX,(20)

где Е - модуль Юнга твердого тела.

Что касается ширины импульса в твердом теле, очевидно, что она будет h.

Таким образом, показано, что при использовании соотношений (1), (17), (18), (19) и (20) можно по параметрам граничной пу- ассоновой волны определить параметры упругой волны в твердом теле.

При распространении упругой волны по образцу дефекты или неоднородности, встречающиеся на ее пути, будут влиять на ее характеристики - амплитуду, скорость распространения, форму фронта. Соответственно будут изменяться и характеристики пуассоновой волны.

Покажем, каким образом неоднородности различных типов будут влиять на параметры пуассоновой волны.

образца, упругая волна, распространяющаяся по нему, будет иметь переменную скорость распространения. В соответствии с формулой (1), угол,образуемый фронтом пу,. ассоновой волны с поверхностью образца, также будет переменным. Соответственно, фронт волны будет при этом уже не коническим, а искривленным. По этой форме возможно количественно определить

4П изменение плотности образца и расположение участков с различной плотностью в нем.

Наконец, по эволюции упругой волны в стержне (при регистрации нескольких ин- терферограмм или тенеграмм на различных участках образца) можно определить коэфБ фициент затухания упругих волн для данного материала.

В случае же, когда известны параметры упругой волны в твердом теле, данный способ позволяет кроме того, с помощью тех же математических соотношений определить

константы твердого тела коэффициент Пуассона и модуль Юнга).

Таким образом, предлагаемое техническое решение открывает принципиально новую возможность визуализации и опреде- ления параметров упругой волны непосредственно внутри непрозрачного твердого тела. Кроме того, появляется также новая возможность проследить эволюцию упругой во л н ы л ри п рохожде н ии ее п о твердому телу, что необходимо при исследовании неоднородностей твердых тел или дефектоскопии.

Далее покажем, что совокупность существенных признаков является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике.

Известно, что при прохождении упругой волны по прозрачному твердому телу в окружающей среде возникают граничные пу- ассоновы волны.

Установлено, что возникновение такой волны не зависит от способа генерации упругой волны в твердом теле.

Авторы впервые установили взаимо- связь между параметрами граничной пуас- соновой волны и параметрами упругой волны в твердом теле, а также характеристиками материала.

И, наконец, авторы впервые установили связь между неоднородностями структуры образца и параметрами пуассоноаой волны.

Указанные существенные признаки приводят в совокупности к возможности визуализировать упругую волну в непрозрач- ном твердом теле и определить ее основные параметры; а также исследовать внутреннюю структуру твердого тела по эволюции характеристик пуассоновых волн.

Способ поясняется фиг. 1 и 2.

На . 1 представлена схема экспериментальной установки для реализации способа, состоящая из генератора упругих волн в твердом теле (например, импульсного лазера}, голографического интерферометра и канала для получения теневых фотографий, где 1 - лазер, 2 - телескопическая система, 3, 5 - клинья, 4 - кювета со средой и исследуемым твердым телом, 6 - объектив, 7 - зеркало, 9 - зеркало с отверстием в зеркаль- ном слое, 8, 10 - фотопленки.

На фиг. 2 представлена голографиче- ская интерферограмма упругих волн, распространяющихся внутри прозрачного (из полистирола) твердого тела, причем в окружающей жидкости видны граничные пуассо- новы волны.

Способ осуществляют следующим образом.

Исследуемый образец с известными параметрами (геометрическими размерами, коэффициентом Пуассона и модулем Юнга) помещают в кювету с прозрачной средой, параметры которой известны (коэффициент преломления, плотность, скорость распространения в ней упругой волны), а для регистрации используют излучение с известной длиной волны. При распространении упругой волны по твердому телу регистрируют топографическую интерферограмму (или теневую фотографию) граничной пуассоновой волны вблизи боковой поверхности образца.

Интерферограммы и тенеграммы регистрируются следующим образом. Излучение импульсного лазера 1 расширяется телескопической системой 2. Отраженный от клина 3 пучок зеркалом 7 направляется в плоскость регистрации голограммы 8. Таким образом формируется опорный пучок. Предметный пучок, прошедший через клин 3, направляется на кювету 4, в которую помещен исследуемый образец. Объектив б служит для фокусировки объекта на голограмму. Клин 5 необходим для регистрации голографических интерферогрэмм в полосах конечной ширины (для чего он поворачивается на небольшой угол между двумя экспозициями). Под углом 45° к оптической оси расположено зеркало 9 с отверстием в зеркальном слое, совмещенным с фокусом объектива 6. Оно направляет лучи, преломленные волной, в плоскость регистрации теневой фотографии 10, а не преломленные лучи - в плоскость регистрации голограммы 8. Импульс просвечивающего лазера 1 синхронизируется с какой-либо стадией распространения упругой волны.

По полученным интерферограммам определяют угол, составляемый фронтом пуассоновой волны с границей раздела образца и окружающей среды; смещение интерференционной полосы вблизи границы раздела; ширину фронта пуассоновой волны. Затем, используя эти параметры по уравнениям (1), (17), (18), (19) и (20), определяют параметры упругой волны в образце. По изменениям амплитуды или формы фронта пуассоновой волны судят о неоднородностях внутренней структуры образца.

В лаборатории физики плазмы ФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР ведутся работы по реализации данного способа по схеме фиг. 1. Для проверки математических соотношений было проведено исследование упругой волны, распространяющейся по ПРОЗРАЧНОМУ твердому телу, погруженному в воду. В этом случае открывалась возможность как непосредственной регистрации волны в образце, так и опосредованной визуализации путем соответствующего пересчета параметров пуассоновой волны.

В качестве исследуемого образца был использован стержень радиусом 0,5 см из ПРОЗРАЧНОГО полистирола V 0,35; Е 3,4 109 н/м2), погруженный в кювету с водой (п 1,33;р 10 кг/м3; скорость распространения волны в воде близка к скорости звука С 1460 м/с). Упругая волна образовывалась в воде вблизи торца исследуемого стержня при воздействии несфокусированного импульсного излучения лазера ОГМ- 20 ( е 0,5 Дж; длительность импульса т 15-20 нсек; Я 0,6943 мкм) на алюминиро- ванную пленку.

Для получения голографических интер- ферограмм использовался второй лазер ОГМ-20. Телескопическая система 2 собрана из положительных линз с фокусными расстояниями 15 и 75 мм соответственно. Клин 3 имеет угол при вершине в 30. Объективы 11 и 14 имеют фокусные расстояния 250 и 150 мм соответственно. Клин 10 имеет угол при вершине в 6 и поворачивается между экспозициями голограммы на угол 60°, что соответствует появлению 23 интерференционных полос на интерферограмме. Регистрируемая область имела диаметр 24 мм.

Авторами были проведены первые эксперименты по реализации способа и зарегистрированы соответствующие интерферограммы. На фиг. 2 приведена одна из таких интерферог- рамм, отражающая процесс распространения по стержню цуга упругих волн. По этой интерферограмме были определены параметры волны (А) в стержне и параметры соответствующей пуассоновой волны (В). Результаты оказались следующими: волна (А) : h 1 мм; Дк 2; волна (В): h 1 мм; Дк 1. Используя формулу (11) из работы 4, легко определить параметры волны в твердом теле: амплитуду Ag 1,1«10 и амплитуду А( 3,8 атм. Затем по определенным параметрам пуассоновой волны, используя уравнения (1), (17), (18). (19) и (20) были рассчитаны параметры волны в стержне. Они оказались следующими:

V- 1,83-103м/сек; АЈ 1,2.

Аб 4 атм.

Описанный эксперимент позволил сравнить параметры упругой волны в твердом теле, полученные двумя независимыми способами, В первом случае они были определены непосредственно из интерференционной картины этой волны, во втором случае - косвенно, при использовании параметров граничной пуассоновой волны. Как видно,

полученные результаты практически совпадают.

Для реализации способа были также проведены предварительные эксперименты 5 с использованием НЕПРОЗРАЧНОГО стержня радиусом 0,4 см из латуни (v 0,3; Е 1,0 1011 н/м2), погруженного в воду. Упругая волна образовывалась в стержне при воздействии импульсным излучением (того

0 же лазера ОГМ-20) непосредственно на его торец. Голографические интерферограммы регистрировались в той же установке. Диаметр регистрируемой области также составлял 24 мм.

5 При распространении упругой волны по образцу была зарегистрирована интерфе- рограмма пуассоновой волны, соответствующая расстоянию, пройденному упругой волной по образцу - 20 мм. Параметры пу0 ассоновой волны вблизи стержня, определенные по этой интерферограмме: h 0,5 мм; Дк 0,.

На расстоянии 7 мм отстержня на фронте пуассоновой волны наблюдался излом,

5 который свидетельствует о наличии дефекта на расстоянии 9 мм от тооца стержня. Параметры пуассоновой волны на 2 части фронта: h 0,5 мм; Дк 1;} 25°.

При использовании соотношений (1),

0 (17), (18), (19) и (20) были определены следующие параметры упругой волны в стержне: До дефекта: V 3,6 Ю3 м/с; АЈ 1, А€ 180 Атм. После дефекта: V 3,5«103 м/с;

5 Аг 1, 170 Атм.

Уменьшение амплитуды волны в 0,1 раза позволяет сделать вывод о том, что площадь отражающей поверхности дефекта составляет 5 мм2.

0 Таким образом, показано, что предложенный способ позволяет судить о внутренней структуре непрозрачного твердого тела, его упругих характеристик и о параметрах распространяющейся в нем упругой волны.

5 Использование предлагаемого способа перспективно в дефектоскопии, машиностроении, акустике, технической физике при интроскопии и определении констант твердых тел, а также определении парамет0 ров упругих волн в них.

Формула изобретения Способ интроскопического исследования твердого тела путем возбуждения в нем упругих волн, регистрации интерференци5 онной или теневой картины фазовых нео- днородностей и определения параметров упругой волны, по которым судят о строении исследуемого твердого тела, отличающийся тем, что, с целью исследования

внутреннего строения оптически непрозрачных тел, исследуемое тело погружают в оптически прозрачную среду, в которой скорость звука меньше по крайней мере на 10-15% скорости звука в твердом теле, регистрируют интерференционную или теневую картину граничной пуассоновой волны, образующейся в результате поперечной деформации боковой поверхности тела при

.„.г

прохождении по нему упругой волны, вблизи боковой поверхности образца и определяют угол, составляемый фронтом пуассоновой волны с границей раздела исследуемого тела и прозрачной среды, смещение интерференционной полосы в среде вблизи границы раздела, ширину фронта пуассоновой волны, по которым определяют параметры упругой волны.

4О

Фа&.1