Способ измерения фокусного расстояния акустического зеркала

 

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.

СОЮЗ СО9ЕТСНИ)(РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И МНРЫТЖ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3380269/18-28 (22) 08. 01. 82 (46) 07..06.83.Бюл. Р 21 (72) B.Â. Тараканов (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиофизики и электроники АН Украинской CCP (53) 534.6.08(088.8) (56) 1.Journal of Appl, Раув.,1967, 38, в 10, с. 3821.

2. Авторское свидетельство СССР

9 454472, кл. G 01 0 28/00, 1973 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОКУСНОГО

РАССТОЯНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА, выполненного на одной границе твердого тела, заключающийся в том, что облучают акустическое зеркало корот ким импульсом когерентных ультразвуковых колебаний пьезопреобраэовате-. ля со стороны плоской границы тела, „„SU„„ 1021951 А

3(Н) 6 01 Н 1/00 // 0 01 Н 29/00

Ъ противоположной зеркалу, и по величине информативного параметра определяют фокусное расстояние, о т л и-. ч а ю шийся 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 no формуле L т- )

l-cos(kri rn(n) где n - порядковый номер отраженного Е сигнала, выделенного по амплитуде;

m — - порядковый номер группы, включающей этот выделенный сигнал.

1021951

Изобретение относится к акустичес ким измерениям, а именно к способам измерения фокусного расстояния акустического зеркала, фокусирующего ультразвуковой пучой в объеме твердого тела, например кристалла, и может найти применение при исследовании физических свойств кристаллов, а также при разработке различных .акустических устройств, имеющих фокусирукщую поверхность. 10

Известен способ измерения фокусного расстояния акустического зеркала, заключакщийся в том, что облучают зеркало коротким ультразвукбвым импульсом, принимают отраженный 15 сигнал линейной решетки акустических преобразователей, расположенных вдоль пути распространения импульса, восстанавливают амплитуды и фазы ультразвуковой волны на каждом пре" образователе посредством сравнения зарегистрированных сигналов с опорQM и на основании этих данных определяют фокусное расстояние (13.

Недостатком способа является его 25 трудоемкость и невозможность применения при фокусировке ультразвука в твердой среде, так как в ее объеме невозможно поместить акустические преобразователи. 30

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ измерения фокусного расстояния акусти» ческого зеркала, выполненного на Ф одной границе твердого тела, эаклю- чающийся в том, что облучают акустическое зеркало коротким импульсом когерентных ультразвуковых колебаний пьеэопреобраэователя со стороны плоской границы тела, противополож- 40 ной зеркалу, и по величине информативного параметра определяют фокусное расстояние. В качестве информативного параметра используют визуалиэированный путем дифракции эле- 45 ктромагнитной (световой) волны про-.. филь отраженного от зеркала ультразвукового пучка (23

Однако этот способ трудоемок, так как для его реализации необходи- 50 ма специальная оптическая техника, причем в случае оптически непрозрачной среды. используют инфракрасную.

Кроме того для получения надежных результатов требуются дополнительные:55 измерения, чтобы исключить погрешнос" ти, связанные с дифракционной расхо-. димостью светового пучка, оптической, анизотропией (в кристаллах) и т.д.

Беэ введения этих поправок результат,60 измерения>получают с большой погреш- ностью (10% и более).

Целью изобретения является упрощение измерений и повьааение точнос"

ТИ ° 65

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 колебаний пьезопреобразователя со стороны плоской границы тела, противоположной зеркалу, и по величине информативного параметра определяют фокусное расстояние, в качестве информативного параметра используют многократно отраженные сигнал или группы сигналов с максимальной амплитудой, принятые тем же пьеэопреобразователем, измеряют расстояние Ь между зеркалом и плоской границей и определяют фокусное расстояние f по формуле

Л

1-COS (й ю!и) (Л) где n — 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 A 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 и 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 пьезопреобраэователем 3 принимают последовательность отраженных сигналов, и после их усиления и детектирования огибающую указанной последовательности наблюдают на экране осциллографа. Затем селектнруют отраженные сигналы по амплитуде, выделяя отражения или группы соседних отражений с максимальной амплитудой.. При этом определяют порядковые номера и отражений, выделенных по амплитуде, и порядковые номера m групп, содержащих по крайней мере одно выделенное по амплитуде отражение. После измерения расстояния Ь между обеими зеркальными

1021951

M (c D) 65 границами определяют фокусное расстояние f по формуле (1).

Способ основан на свойстве системы, образованной фокусируюшим (с фокусным расстоянием f) и близкорасположенньм (L <с f ) плоским зеркалом, 5 удерживать параксиальный ультразвуковой пучок в пределах апертуры зеркал. Это свойство связано с образованием акустики, ограничивающей движение пучка в поперечном относи- 10 тельно оси двухзеркальной системы направлении. Структура фазового фронта ультразвукового импульса, сформированного пьеэопреобраэователем 3; периодически, после определенного )5 числа отражений от фокусирукщего зеркала 1 и плоской границы тела, повторяет первоначальную. Таким отражениям соответствует максимальная амплитуда сигнала, снимаемого с пьеэопреобраэователя 3. Последнее объясняется тем, что пьеэопреобраэователь является линейным приемником, т.е. чувствительным к фазе падающей волны, и снимаемый с него сигнал про- >5 порционален величине

J ()(,з)й)(й, где u(x, y) - мгновенное значение упругого смещения в точке с координатами 30 в точке х, у поверхности пьезопреобразователя 3;

S - площадь преобразователя 3. 35

Поперечный размер пьезопреобразователя 3 выбирают много больше длины ультразвуковой волны. Если первоначально возбужден ультразвуковой Ф импульс с плоским фаэовым фронтом 40 (или близким к плоскому), то максимальную амплитуду в йоследователь" ности принятых сигналов имеют те из .них, для которых падающий на пьезопреобразователь 3 ультразвуковой импульс также имеет плоский фазовый фронт. И, напротив, отраженные сиг° налы, для которых падающий на пьезо- . преобраэователь 3 импульс имеет криволинейный Фазовый фронт, сильно ослаблены по амплитуде ввиду того, 50 что мгновенные значения упругого смещения в соседних участках плоскости преобразователя (в соседних зонах

Френеля) противофаэны. Порядковый номер отражения, выделенного по ам- 55 пли туде и = 21Га Î, где m - -целое число;

9 =o ccos ((A +2)), A u D — - элементы лучевой матрицы И, детерминат которой равен единице. и еннтельно к рассматрнваеМОМУ °

1,2 д. ) 1 — S--Ь- — C = -—

Таким образом, характеристический угол 9, от которого зависит порядковый номер выделенного отражения и, определяется отношением L/f.

Отсюда получаем соотношение (1), выраженное f через и и m. Формула (1) следует иэ формулы Сильвестра и является условием, что и-я степень лучевой матрицы М равна единичной матрице . В рамках лучевого рассмотрения любой неосевой луч ультразвуко- вого пучка возвращается при этом в состояние, заданное при его возбуждении. Структура последовательных отражений в этом случае показана на фиг. 2. В случае, если отношение

L/f таково, что 9/ZR не выражается рациональной дробью, фазовый профиль пучка для и-го отражения лишь близок к профилю поверхности преобразователя 3, но не совпадает с ней.

При этом в последовательности отражений выделены по амплитуде несколько соседних отражений (на фиг. 3).

Для повышения точности определения

f в этом случае в формулу (1) попI ставляют номер и отражения, соответ- ствующего центру группы с большим номером m.

Предлагаемый способ измерения фокусного расстояния акустического зеркала реализован при фокусировке гиперзвука в объеме твердотельных монокристаллических звукопроводов из сапфира и ниобата лития. Звукопроводы имеют форму цилиндра диаметром 4 мм, длиной L 3,4-60 мм и ориентированы вдоль оптической оси кристалла. На одном торце выполнено фокусирующее зеркало в виде. сферического сегмента с большим радиусом R кривизны, а на противоположном — плоское. На плоском торце размещается дисковый пьезопреобразователь, занимавший всю плоскую поверхность тела 2. В процессе измерений фокусирукщее сферическое зеркало облучается коротким (0,5 мкс) импульсом когерентных гиперзвуковых колебаний. частоты

3 ГГц, излучаемым пьезопреобраэователем при подаче на него СВЧ-импульса той же.частоты и длительности.

Последовательность отраженных сигналов принимается тем же пьезопреобразователем, поступает на вход

СВЧ-приемника и после детектирования наблюдается на экране-импульсного осциллографа, развертка которого запускается синхронно с подачей зондируницего СВЧ-импульса на пьеэопреобраэователь. Для снижения потерь на распространение гиперзвука изме1021951 рения проводятся при охлаждении эвукопровода до температуры жидкого гелия. Структура отражений, показанная на фиг. 2 соответствует распространению гиперзвукового импульса в эвукопроводе из сапфира при .значениях Ь 22,5 мм, R,44,B MM.

Здесь четко выделены по амплитуде одно отражение в каждой группе из пяти последовательных отражений

1, и< 5, m< 2, п 1 О, 10

m3 3, n g 15 и т.д.Определенная по формуле (1) величина f 32,6 мм.

Структура отражений, показанная на фиг. 3 соответствует фокусировке гиперэвука в звукопроводе иэ ниобата 15 лития при Ь 44,3 мм, R = 44,8 мм.

Здесь выделены по амплитуде группы соседних отражений, отмеченньпс заштрихованными прямоугольниками. Всеro в этом случае наблюдалось свыше 2О

10 отраженных сигналов, благодаря чему достигнута высокая точность измерения фокусного расстояния f (относительная погрешность не превышает 1В). Отличие измеренных значе- 25 ний фокусного расстояния от соответствукщей параксиальному ультрвзвуковому пучку в изотропном теле величины f — связано с упругой

2 анизотропией кристаллов, приводящей к отклонению вектора групповой скорости от направления фаэовой скорости.

Использование способа позволяет уменькить трудоемкость измерений эа 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 рщфрагировавший световой пучок. Способ не требует визуализации упругого поля и поэтому одинаково пригоден как для оптически прозрачных, так и для,непроэрачных сред.

1021951тирам 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва; Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ. 4025/31

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Гордиенко

Редактор Н. Рогулич Техред M.Òåïåð Корректор М. Шаро м