Способ интроскопического исследования твердого тела

 

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 пуассоновой волны, по которым определяют параметры упругой волны и соответственно судят о структуре твердого тела 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PFCIlYhJlVIK (sI)s G 01 В 9/021

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГOCflATF HT СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4898513/25 (22) 03.01.91 (46) 15.07.93. Бюл. М 26 (71) Физико-технический институт им.

А.Ф.Иоффе (72) Г.В.Дрейден, Ю.И.Островский, А.М.Самсонов, И.B.Ñåìåíoâý и Е.B.Ñoêóðèíñêàÿ (56) Ультразвук. Маленькая энциклопедия, М. Сов.энциклопедия, 1979, с. 106 — 110.

Кузьмин Г.П., Токер Г.Ф. Исследования ранних стадий оптического пробоя оргстекла. Письма в ЖТФ, 1989. т. 15, вып, 6, с, 37 — 41. (54) СПОСОБ ИНТРОСКОПИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА (57) Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в дефекИзобретение 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 воэможности исследования BHóòðåííåГо строения оптически непрозрачных тел.

Эта цель достигается путем возбуждения в твердом теле упругих волн. регистрации интерференционной или теневой картины фазовых неоднородностей и опре„„5U 1827539 А1 тоскопии, 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 пуассоновой волны, по которым определяют параметры упругой волны и соответственно судят о структуре твердого тела. 2 ил. деления 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 пуассоновой 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

1827539

20 менты, возникновение такой волны не зависит от способа генерации упругой волны в твердом теле — аналогичные картины пуассоновых волн образуются как при вхождении уже сформированной волы в твердое 25 тело. так и при генерации волн непосредственно е 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 B ней меньше (более чем на 10-15 (,) скорости звука в твердом теле, Этому условию практически 35 для всех наиболее часто используемых твердых материалов удовлетворяют любые жид- Р кости и газы. Так как коэффициент поглощения упру их волн . в газахмногоболь-, ше, чем в жидкостях. удобнее использовать 40 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 ско- 45 ростей определяет угол наклона пуассоновой волны к границе раздела), В большинстве случаев, чтобы зарегистрировать весь фронт пуассоноеой волны, достаточна иметь область диаметром 30 мм,Как 50 л установили авторы, параметры пуассоноеой волны однозначно связаны с параметрами волны е твердом теле и характеристиками материала образца и окружающей среды. Выведем соответствую- 55 щие соотношения, г

Допустим, что нам известны: г — радиус стержня, 1 — коэффициент

Пуассона материала твердого тела, С вЂ” скорость ударной волны в окружающей среде, (6) фронта пуассоновой волны, по которым определяют параметры упругой волны, Покажем существенность признаков, отраженных в формуле изобретения, для достижения положительного эффекта, 5.

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 экспериn — коэффициент преломления среды, h— ширина фронта пуассоновой волны, регистрируемая по интерферограмме, hk — смещение интерференционной полосы в среде вблизи границы с твердым телом, у — угол, составляемый фронтом пуассоновой волны с границей раздела, А — длина волны просвечивающего излучения, р0 — плотность среды.

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

1, Очевидно, что соотношение скоростей Чи С:

V = С/sjn у (1)

2. Можно показать, что задача расчета поля скоростей и давлений в окружающей среде сводится к решению уравнения относительно потенциала р (ft

С (2) ведем цилиндрическую систему коордиат (х, r, gs} и предположим аксиальную симетрию задачи (независимость переменных т ф. Тогда уравнение конусной волны бует иметь вид; (r-r0)сто y+ х — Vt =,О, (3) уравнение (2) в цилиндрических координаах. примет вид, <рхх + — - - — — — = О, (4) дФ дО де p< =, у = ит,д.

По р (х, r, t) можно найти изменение лотности Лр, изменение давления Лр, скоость частиц среды вдоль оси стержня - V, корость частиц среды перпендикулярно той оси- 0;

U=pг, /= ф, А= р =—

Po Pr (5)

С2

Наложим начальные условия контакта реды и твердого тела:

О (х, r,, t) = Ut, 0 = - > roWx де 0 — смещение поверхности твердого теа, М4 — продольная деформация твердого ела.

Тогда

U(x, ro, t)=- г rpW>

< 2г,, т.е. вблизи границы раздела среды и

1827539 твердого тела, имеет квазистационарное решение: ф (r t) - - со. у 1 ()

С

0=x — Vt+ctg у. (r-ro). (7)

Тогда, учитывая (5), имеем: =„, W (7) (8)

Ю- „„ -(6: (9)

C 1 ro С cosy зюпу ®

С 1 ro

2 зсп г соз )у

1 ro xх

11

$1п ycos )у ()

3. Определим теперь зависимость hk от параметров задач. Очевидно, что: — (12)

Po n — 1 где hh — изменение показателя преломления среды при прохождении пуассоновой волны.

Из геометрических соображений следует:

Ьс Л= l 1 — 2 Ь) n1+ 2 Л ln2-Ln1 =

= 2Л1(п2-п1) = 2h, lych, где Ь вЂ” ширина возмущенной эоны в направлении просвечивания (перпендикулярно плоскости), L — ширина кюветы со средой.

Итак, Ь=Ы<Л (13)

С другой стороны, по (11); (10) Л 1 ro Wxx

po sin yeas y

Тогда, учитывая (12) и (13), получим:

> Го Wõõ 4k

sin усов у 222ln — 1

") Wxx = й

Или, учитывая, что hl htgy:

Wxx = Ь (14) л C ctg

2h n — 1

4k ctg 2h n — 1.

СЛcos у

2вьус(й- Ц (15) (16) (17) Таким образом, определяя hk, получим

Wxx по (14), а следовательно, можем опре,делить и dp, йГр в среде:

V— (18) Амплитуда продольной деформации:

5 h

Wx У W dx. (19) о

8 рамках линейной теории упругости можно оценить осевое напряжение:

O EWx, (20) где Š— 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 пуассоновой 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. Соответственко будут изменяться и характеристики пуассоновой волны.

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

1. Если неоднородности имеют характер плавного изменения плотности по длине образца, упругая волка, распространяющаяся по нему, будет иметь переменную скорость распространения. В соответствии с формулой (1), угол, образуемый фронтом пуассоновой волны с поверхностью образца, также будет переменным; Соответственно, фрон волны будет при этом уже не коническим, а искривленным. По этой форме возможно. количественно определить

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

2. Если неоднородности имеют вид различных дефектов (трещины, сколы) или включений, упругая волна, проходящая по об4 разцу, будет частично отражаться на этих дефектах. Амплитуда прошедшей волны при этом будет уменьшаться. Соответственно уменьшится также амплитуда пуассоновой волны. По этому уменьшению можно определить как местоположение дефекта, так и его размер.

Наконец, по эволюции упругой волны в стержне (при регистрации нескольких интерферограмм или тенеграмм на различных участках образца) можно определить коэф55 фициент затухания упруги волн для АаННОго материала.

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

1827539

55 константы твердого тела коэффициент Пуассона и модуль Юнга), Таким образом, предлагаемое техническое решение открывает принципиально новую возможность визуализации и определения параметров упругой волны непосредственно внутри непрозрачного твердого тела. Кроме того, появляется также новая возможность проследить эволюцию упругой волны при прохождении ее по 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 пуассоновы волны, Установлено, что возникновение такой волны не зависит от способа генерации упругой волны в твердом теле..

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

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

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

Способ поясняется фиг. I и 2.

На фиг. 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 зеркальном слое, 8, 10 — фотопленки.

На фиг, 2 представлена голографическая интерферограмма упругих волн, распространяющихся внутри прозрачного (из полистирола) твердого тела, причем в окружающей жидкости видны граничные пуассоновы 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 голографическую 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 6 служит для фокусировки объекта на голограмму. Клин 5 необходим для регистрации голографических интерферограмм 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.

Б 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 ynpyroA волны, распространяющейся по ПРОЗРАЧНОМУ твердому телу, погруженному в воду.

В этом случае открывалась возможность как непосредственной регистрации волны в об1827539 разце, так и опосредованной визуализации путем соответствующего пересчета параметров пуассоновой волны.

В качестве исследуемого образца был использован стержень радиусом 0,5 см из

ПРОЗРАЧНОГО полистирола u= 0,35, Е =

3,4 10 н/м ), погозуженный в кювету с водой (п = 1,33;p = 10 кг/м; 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 ю=

15-20 нсек; А = 0,6943 MKM) на алюминированную пленку, Для получения голографических интерферограмм использовался второй лазер

ОГМ вЂ” 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 интерферограмм, 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; Ь3с = 2; волна (В): h = 1 мм;

/й = 1. Используя формулу (11) из работы (41, легко определить параметры волны в твердом теле: амплитуду А»= 1,1 ° 10 и амплитуду

-4

А = 3,8 атм. Затем по определенным параметрам пуассоновой волны. используя уравнения (1), (17), (18), (19) и (20) были рассчитаны параметры волны s стержне.

Они оказались следующими:

V = 1,83; Ар= 1,2 10

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 (и= 0,3; Е11

1,0 10 н/м ), погруженного в воду. Упругая волна образовывалась в стержне при воздействии импульсным излучением (того

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

15 При распространении упругой волны по образцу была зарегистрирована интерферограмма пуассоновой волны, соответствующая расстоянию, пройденному упругой волной по образцу — 20 мм. Параметры пу20 ассоновой волны вблизи стержня, определенные по этой интерферограмме; h - 0,5 мм; hk = 0,9; ) = 35, На расстоянии 7 мм от стержня на фронте пуассоновой волны наблюдался излом, 25 который свидетельствует о наличии дефекта на расстоянии 9 мм от тооца стержня. Параметры пуассоновой волны на 2 части фронта: h = 0,5 мм; ЬК = 1; у = 25 .

При использовании соотношений (1), 30 (17), (18), (19) и (20) были определены следующие параметры ynpyroA волны в стержне:

До дефекта: V = 3,6 ° 10 м/с;

А = 1,8 10; А6= 180 Атм.

После дефекта: Ч = 3,5 10 м/с;

35 А = 1,7 10; А@= 170 Атм.

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

40 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.

45 . Использование предлагаемого способа перспективно в дефектоскопии, машиностроении, акустике, технической физике при интроскопии и определении констант твердых тел, а также определении парамет50 ров упругих волн в них.

Формула изобретения

Способ интроскопического исследования твердого тела путем возбуждения в нем упругих волн, регистрации интерференци55 онной или теневой картины фазовых неоднородностей и определения параметров упругой волны, по которым судят о строении исследуемого твердого тела, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью исследования

1827539

ЧМZ

Составитель E,Õàëàòoâà

Техред M.Moðãåíòçï Корректор M.Ïåòðîâà

Редактор С.Кулакова

Заказ 2352 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 внутреннего. строения оптически непрозрачных тел, исследуемое тело погружают в оптически прозрачную среду, в которой скорость звука меньше по крайней мере на

1О-15 скорости звука в твердом теле, регистрируют интерференционную или теневую картину граничной пуассоновой 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 исс5 ледуемого тела и прозрачной среды, смещение интерференционной полосы в среде вблизи границы раздела, ширину фронта пуассоновой волны, по которым определяют параметры упругой волны.