Способ измерения скорости ультразвука в кристаллах

 

Изобретение относится к технике измерения свойств материалов, в частности светопрозрачных диэлектриков и пьезоэлектриков, и может быть использовано для измерения скорости ультразвука в упомянутых материалах на сверхвысоких частотах. Сущность изобретения: ультразвук в кристалле возбуждают посредством плоской противофазной решетки пьезопреобразователей, период расположения которых выбирают равным d, а от лазерного источника на одну из граней исследуемого кристалла подают световой луч под двойным углом Брэгга Θ_Б и регистрируют частоту f₀ возбуждаемого плоской противофазной решеткой пьезопреобразователей ультразвука, соответствующую условию появления максимума интенсивности дважды продифрагированного на учетверенный угол Брэгга светового луча, причем по измеренной частоте f₀ ультразвука значение его скорости v вычисляют в соответствии с выражением где n - показатель преломления среды кристалла. Технический результат заключается в упрощении измерения скорости ультразвука в кристаллах и повышении его точности. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения свойств материалов, в частности светопрозрачных диэлектриков и пьезоэлектриков, и может быть использовано для измерения скорости ультразвука в упомянутых материалах на сверхвысоких частотах.

Известен способ измерения скорости ультразвука в кристаллах, описанный в книге [Гусев О. Б. , Клудзин В.В. Акустооптические измерения. - Л.: Издательство ленинградского университета.-1987.-28 с.], который основан на сравнении скоростей акустических волн в эталонном образце, свойства которого заранее известны, и в исследуемом материале. Для измерения скорости ультразвука используют два акустооптических элемента, один из которых выполняют из эталонного материала с заранее известными параметрами и с высокой стабильностью свойств, второй акустооптический элемент выполняют из материала, скорость в котором необходимо измерить. В данном способе нет необходимости учитывать особенности режима и геометрии акустооптического взаимодействия и поэтому по сформированным дифракционным максимумам регистрируют среднюю частоту f=[f₀-f_a], а скорость ультразвука вычисляют по формуле где v₀, f₀ - скорость и частота эталонного элемента, f_a - частота исследуемого материла.

Погрешность измерения скорости ультразвука в данном способе будет определяться точностью фиксации максимума входного сигнала и точностью измерения частоты f_a, если полагать, что параметры эталонного элемента v₀, f₀ известны с заведомо большой точностью.

Причинами, препятствующими достижению заявленного технического результата, являются недостаточная точность измерения частоты f_a, характерная для данного способа измерения, а также низкая точность измерения скорости ультразвука на сверхвысоких частотах.

Известен еще способ измерения скорости ультразвука в кристаллах, описанный в книге [Гусев О.Б., Клудзин В.В. Акустооптические измерения. - Л.: Издательство ленинградского университета. -1987.-36 с.], в котором используют метод акустической интерференции. В этом способе на исследуемый образец подают акустический сигнал большой длительности, и получение экстремальных значений дифракционного порядка осуществляют путем медленного изменения частоты акустического сигнала f, а по полученным интерференционным картинам вычисляют скорость ультразвука по формуле где l - длина исследуемого образца, М - количество экстремумов на полученной интерференционной картине, Δf- интервал частот, в пределах которого присутствует (М+1) подсчитанных экстремумов.

Точность измерения скорости в этом способе будет определяться точностью отсчета интервала частоты Δf и качеством выполнения торцовых граней кристалла.

Причинами, препятствующими достижению заявленного технического результата, являются недостаточная точность измерения интервала частоты Δf, а также низкая точность измерения скорости ультразвука на сверхвысоких частотах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в книге [Физическая акустика. Принципы и методы. Под ред. У. Мэзона и Р. Терстона.-т.6. - М.: Мир.-1974, на с. 340-341], который и выбран в качестве прототипа.

Известный способ измерения скорости ультразвука в светопрозрачных кристаллах основан на использовании явления дифракции света. Дифракция света обеспечивает удобство измерения длины звуковой волны, по которой путем расчета определяют скорость ультразвука в исследуемом материале. Известный способ включает в себя регистрацию угла отклонения Θ_Б, дифрагированного на ультразвуке известной частоты f светового луча с длиной волны λ, и последующего вычисления скорости ультразвука из формулы Брэгга (В данном случае предполагается, что угол Брэгга регистрируется в воздушной среде).

В оптически прозрачном кристалле возбуждают ультразвук заданной частоты f c помощью пластинчатых или пленочных пьезопреобразователей, а затем на одну из граней исследуемого кристалла под углом Брэгга - Θ_Б к нормали распространяющегося ультразвукового пучка от лазерного источника подают луч света длиной волны λ, при этом регистрируют угол между падающим лучом света и дифрагированным - 2Θ_Б, а значение скорости ультразвука вычисляют по формуле (1).

Поскольку длину оптической волны и частоту упругих волн можно определить с заданной степенью точности, то точность самого метода измерения v определяется точностью регистрации угла 2Θ_Б, Причинами, препятствующими достижению заявленного технического результата, являются недостаточная точность регистрации угла отклонения Θ_Б, характерная для данного способа измерения, а также низкая точность измерения скорости ультразвука на сверхвысоких частотах.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении измерения скорости ультразвука в кристаллах и повышении его точности.

Для достижения технического результата в способе измерения скорости ультразвука в кристалле на одну из граней исследуемого кристалла под углом Брэгга Θ_Б к нормали распространяющегося ультразвукового пучка от лазерного источника подают луч света длиной волны λ, в кристалле возбуждают ультразвук заданной частоты f посредством плоской противофазной решетки пьезопреобразователей, период расположения которых выбирают равным d, а световой луч подают на кристалл под двойным углом Брэгга и регистрируют частоту f₀, возбуждаемого плоской противофазной решеткой пьезопреобразователей ультразвука, соответствующую условию появления максимума интенсивности дважды продифрагированного на учетверенный угол Брэгга светового луча, причем по измеренной частоте ультразвука f₀ значение его скорости вычисляют в соответствии с выражением

где n - показатель преломления среды кристалла.

Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявленными признаками и достигаемым техническим результатом, а также оценки степени улучшения точности измерения скорости ультразвука v по заявленному способу рассмотрим процесс акустооптического (АО) взаимодействия в изотропном пьезокристалле (АО дефлекторе на основе изотропного LiNbO₃ Z среза), в котором возбуждение ультразвука осуществляется непосредственно с поверхности плоской противофазной решетки преобразователей типа встречно-штыревых (ВШП), причем направление падающего луча света близко к удвоенному углу Брэгга.

На фиг. 1 изображена геометрия рассматриваемого АО взаимодействия. Известно [см. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. - М.: Сов. Радио.-1978.-112 с.], что плоская противофазная решетка пьезопреобразователей с периодом d и протяженностью L в дальней зоне кристалла возбуждает два звуковых луча с относительной интенсивностью (2/π)² = 0,4 и шириной по уровню -4 дБ, равной δϕ = v/fL.
Амплитудное распределение возбуждаемого звука при этом описывается выражением:

S_± = 2/π•S₀sinc[kL/(sinϕ-sinϕ_±)],
где S₀- амплитуда звукового поля в плоскости Х=0;

v, f - скорость распространения и частота подводимых к ВШП колебаний.

Отклонение этих двух лучей от нормали происходит в разные стороны и зависит от частоты в соответствии
ϕ_± = ±arcsinv/fd ≈ ±v/fd.
В обычных применениях используют один из максимумов звукового поля, на который с целью получения максимальной эффективности и полосы рабочих частот, подачу света осуществляют под двойным углом Брэгга, равным

причем с ориентацией, автоматически обеспечивающей подстройку под угол Брэгга Θ_Б угла отклонения одного из максимумов звукового поля. Приравнивая значения приращений по частоте угла Брэгга Θ_Б = arcsinλf/2nv

и угла поворота одного из лучей ϕ₊ = arcsinv/fd

получим, что при равномерном шаге ВШП наилучшая коррекция и, следовательно, интенсивность дифракции будет иметь место на частоте

Из приведенных рассуждений и рассмотрения фиг.1 следует, что вблизи частоты f₀ в дефлекторе возможно и повторное взаимодействие дифрагированного светового пучка на втором максимуме звукового поля. Это взаимодействие возможно именно в окрестности частоты f₀, для которой угол падения дифрагированного пучка света на второй звуковой луч также равен углу Брэгга. Сказанное с очевидностью иллюстрирует фиг.1. Вместе с тем, насколько известно авторам, на возможность использования в полезных целях явления повторной дифракции ранее внимания не обращалось.

При повторной дифракции направление "движения" угла Брэгга и угла отклонения второго луча противоположны, и, следовательно, полоса повторного АО взаимодействия будет узкой. Именно эта особенность позволяет повысить точность регистрации f₀ и, как следствие, - v.

Оценим точность регистрации f₀, для чего рассчитаем полосу повторного АО взаимодействия -Δf. При расчете Δf примем во внимание, что значение углов, в пределах которых относительная интенсивность при двойной дифракции превышает (2/π)², определяются
ϕ_H(f) = |ϕ(f)|+δϕ/4; (2)
ϕ_B(f) = |ϕ(f)|-δϕ/4, (3)
а функция, описывающая частотную зависимость угла Брэгга при двойной дифракции, имеет вид
χ(f) = |ϕ(f₀)|-2|Θ_Б(f₀)|+2|Θ_Б(f_X)|. (4)
Из совместного решения (2), (3) и (4) получим формулу для полосы пропускания в виде

Учитывая, что повторная дифракция существует только вблизи частоты f₀ выражение (5) можно существенно упростить
Δf = f₀•d/4L = f₀•1/4m, (6)
где m - число пар электродов ВШП. Таким образом, повторная дифракция имеет место в очень узкой полосе. Например в рядовом для практики случае на частоте f= 1 ГГц и числе пар ВШП m=25 в соответствии с (6) Δf составит 10 МГц.

Следует отметить, что при более подробном рассмотрении процесса дифракции в кристалле, ультразвук в котором возбуждается ВШП, можно обнаружить и дополнительные лепестки диаграммы направленности, на которых в окрестности ₀ также возможна дифракция, причем еще более узкополосная, чем на первых двух главных лепестках. Т.е. можно было бы думать, что возможно еще более повысить точность измерения ₀, если учесть дифракцию на этих дополнительных лепестках. Однако это не так. Из антенной техники известно [Сканируемые антенные системы СВЧ. т.2. /Пер. с англ. под ред. Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина. - M. : Сов. Радио.-1966.-496 с.], что углы наклона максимумов побочных лепестков зависят от ориентации главных лепестков, частоты входного сигнала, параметров ВШП и других факторов. Именно по этому в предлагаемом способе авторы ограничились рассмотрением только процесса двойной дифракции, анализ которой не вызывает сомнений.

Приведенное теоретическое обоснование диктует следующую последовательность действий при измерении скорости ультразвука v предлагаемым способом.

В основе способа положено то обстоятельство, что в кристалле ограниченных размеров ультразвук возбуждают посредством плоской противофазной решетки пьезопреобразователей, например, типа ВШП, число пар которых составляет m. Световой луч подают на кристалл под двойным углом Брэгга и регистрируют частоту f₀, соответствующую условию появления максимума интенсивности дважды продифрагировавшего на учетверенный угол Брэгга светового луча. Значение скорости ультразвука при этом рассчитывают по формуле

Таким образом, в предложенном способе исключена трудоемкая необходимость измерения углов дифракции.

Экспериментальная проверка предложенного способа проводилась с использованием хорошо известного материала LiNbО₃, значения скоростей в котором для различных направлений известно.

Использовался кристалл с размерами 4х4х18 мм вдоль граней х, у и z соответственно. На одной из граней кристалла (плоскость XY) напылялись ВШП с ориентацией штырей вдоль направления у. Система электродов содержала 20 пар ВШП с периодом d=30мкм, длиной L=0,61мм и шириной b=0,64мм. Период расположения ВШП соответствовал частоте f₀ МГц, на которой выполнялись условия для полной коррекции угла Брэгга и, соответственно, для существования двойной дифракции свет подавался в направлении оси х.

В эксперименте использовался одномодовый одночастотный лазер с λ = 0,63 мкм и углом расходимости 2•10^-3 рад. Экспериментальные АЧХ повторной дифракции приведены на фиг.2. АЧХ получены в диапазоне частот 1700-1750 МГц, при отклонении падения угла света от угла Брэгга в пределах ±25^o; этот угол отклонения указан вблизи каждой из парциальных АЧХ; по оси ординат на фиг.2 отложены величины, пропорциональные интенсивности света. Из сопоставления расчетных (по формуле (6)) и экспериментальных полос пропускания повторной дифракции следует, что, во-первых, они находятся в хорошем соответствии, а во-вторых, что значение центральной частоты АО взаимодействия, на которой имеет место максимум эффективности дифракции, может быть отсчитано с точностью 0,5-1 МГц. Из экспериментальных АЧХ следует, что значение f₀ составляет 1725 МГц. Подставив это значение в формулу (1,а), получим значение v, равное 3,575•10³ м/с. Измеренное значение v соответствует справочному значению для данного направления: 3,59•10³ м/с [см. Акустические кристаллы: Справочник. Под ред. Шаскольской М.П. - М.: Наука.-1982.- С. 632].

Время, затраченное на сам процесс измерения v по предлагаемому способу, составило 5-10 мин. При этом заметим, что отсчет f₀ проведен непосредственно по графику фиг. 2. Никаких дополнительных методов обработки результатов эксперимента не использовалось.

Можно показать, что погрешность измерения скорости по данному способу определяется в соответствии с выражением

где Λ- длина волны звука в кристалле, L - протяженность пьезопреобразователя, и для частот ~10⁹ Гц и размеров пьезопреобразователя, равных 1-5 мм, составляет ~ 0,1%.

Частоту f₀, на которой реализуется максимум дифракционной эффективности, в этом случае можно достаточно просто отсчитать с точностью 1-2 МГц. Эта же частота соответствует центру полосы пропускания, определяемой в соответствии с соотношением (6). Измерив только f₀ с точностью 1-2 МГц, можно с точностью 10^-3 измерить и скорость ультразвука в кристалле, на основе которого выполнен дефлектор.

Таким образом из рассмотренного следует, что заявляемый технический результат заключается в увеличении точности измерения скорости ультразвука в 10-20 раз в сопоставлении с аналогами и прототипом, а также в упрощении способа измерения скорости ультразвука в кристаллах. При этом наличие причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом определяют тем, что в предлагаемом способе непосредственно не регистрируют величину угла отклонения Θ_Б, а регистрируют более удобную величину - частоту f₀, на которой имеет место максимум дважды продифрагировавшего света.

В заключении укажем, что предложенный способ может быть распространен и на не пьезоэлектрические кристаллы, в которых возбуждение ультразвука с поверхности ВШП невозможно. В таких кристаллах, как известно [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь. -1985. -280 с. ] , получение двухлепестковых диаграмм направленности ультразвука и, соответственно, применение данного способа измерения возможно путем использования системы фазированных пленочных или пластинчатых пьезопреобразователей.

Формула изобретения

Способ измерения скорости ультразвука в кристаллах, основанный на том, что на одну из граней исследуемого кристалла под углом Брэгга Θ_Б к нормали распространяющегося ультразвукового пучка от лазерного источника подают световой луч длиной волны λ, отличающийся тем, что в кристалле возбуждают ультразвук заданной частоты f посредством плоской противофазной решетки пьезопреобразователей, период расположения которых выбирают равным d, а световой луч подают на кристалл под двойным углом Брэгга и регистрируют частоту f₀ возбуждаемого плоской противофазной решеткой пьезопреобразователей ультразвука, соответствующую условию появления максимума интенсивности дважды продифрагированного на учетверенный угол Брэгга светового луча, причем по измеренной частоте f₀ ультразвука значение его скорости v вычисляют в соответствии с выражением

где n - показатель преломления среды кристалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2