Экспериментальное исследование влияния тепловой нелинейности на параметры лазерно-ультразвуковых сигналов, возбуждаемых в геоматериалах

Черепецкая Е.Б.; Иньков В.Н.

Рис. 1 акустичес. нии пло ( мз345^ еримен :их сиг/ пности ь1). тальные в} алое в рас энергии тавре Щ6№и пр1 .1нзер4юго 8 оптико-1 измене-гмпульса

У 1 0,50,0 -0,5- ]

6,50 6,75 7,00 7,25 7,50 7,75 8,00 8,25 8,50

Время ?, мкс

2004

УДК 622.611.4 : 620.179.16

Е.Б. Черепецкая, В.Н. Иньков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ В ГЕОМАТЕРИАЛАХ*

Горные породы по своей структуре представляют совокупность большого числа беспорядочно ориентированных кристаллитов различных минералов с включением аморфной фазы, а также характеризуются наличием трещин и пор. Прочностные и деформационные свойства скальных горных пород во многом определяются размером именно этих неоднородностей, характерные масштабы которых могут изменятся в очень широких

охватывающих диапазон частот от сотен килогерц до десятков мегагерц [1].

Данная проблема может быть решена с помощью лазерных ультразвуковых источников, принцип действия которых заключается в следующем: при падении лазерного излучения на границу раздела оптически прозрачной и поглощающей сред в последней происходит локальный разогрев приповерхностного слоя [2]. Дальнейшее расширение этого слоя приводит к

*Работа выполнена при государственной поддержке ведущих научных школ (грант № НШ-1467.2003.5).

пределах от сантиметров до нескольких микрометров. Для диагностики структуры образца и нарушенное™ оказывается перспективным использование методов ультразвуковой спектроскопии.

Основной проблемой при реализации ультразвуковой спектроскопии является создание широкополосных мощных источников упругих волн. К сожалению, к настоящему времени не существует пьезоэлектрических источников,

возбуждению импульсов упругих волн, амплитуда давления которых при использовании сильнопоглощающих сред и коротких лазерных импульсов может достигать десятков МПа. При этом длительность таких сигналов составляет 50 - 100 не, что соответствует частотному диапазону от 50 кГц до 30 МГц.

Как было теоретически показано в работе [3], дальнейшее повышение амплитуды сигналов, возбуждаемых данным способом, возможно за счет использования нелинейных процес-

сов в генераторной среде. Настоящая статья посвящена экспериментальной реализации данной возможности: исследовано влияние тепловой нелинейности на амплитуду давления, форму и спектр возбуждаемых импульсов продольных волн.

Из теоретического расчета форм оптикоакустических импульсов с учетом тепловой нелинейности [4] следует, что наибольший практический интерес представляет возбуждение ультразвуковых сигналов в случае жесткой границы. Это связано с более эффективным оптико-акустическим преобразованием при данных граничных условиях. Кроме того спектр возникающих импульсов имеет широкую полосу частот (от 50 кГц до 20 МГц). Причем в отличие от свободной границы спектр значительно сдвинут в область низких частот (50 - 200 кГц), что необходимо при диагностике горных пород, характеризующихся высоким затуханием ультразвука.

Экспериментальная установка состояла из твердотельного импульсного лазера, работающего в режиме модуляции добротности (длина волны излучения Я = 1.06 мкм, длительность лазерного импульса = 10 не, максимальная

плотность энергии лазерного излучения

Етах = 260 мДж/см2), пьезоприемника на основе ПВДФ пленки, металлического кольца (диаметром 2 см, высотой 1 см), которое устанавливалось на датчик. В данное кольцо помещалась поглощающая среда, в виде водного раствора черной туши, коэффициент поглощения которого можно было варьировать в широком диапазоне путем изменения концентрации (от значения /Л ~1 см"1 для воды до ц > 1000 СМ-1 для чистой туши). Для обеспечения импедансной границы, близкой к жесткой, сверху на кольцо устанавливался кусок оптически прозрачного стекла цилиндрической формы. Энергия лазерного излучения, падающего на поверхность поглощающей среды, менялась с помощью различных комбинаций оптических фильтров, а диаметр пучка - с помощью диафрагм. Лазерный импульс, проходя через стекло, поглощался в растворе туши, где возбуждались и распространялись ультразвуковые импульсы. В эксперименте использова-

Рис. 2 Модули спектров экспериментальных оптикоакустических сигналов при различных плотностях энергии в лазерном импульсе.

Рис. 3 Зависимость амплитуды оптикоакустического сигнала, возбуждаемого в растворе туши (ц — 345 см'1) широким пучком (диаметр 0,8 см) при импедансной границе, от плотности энергии лазерного импульса (теоретическая - линия, экспериментальная - точки).

лись широкие оптические пучки (диаметром 0,8 - 1,5 см) и, следовательно, возбуждалась плоская упругая волна.

Формы акустических импульсов, наблюдаемых экспериментально приведены на рис. 1. Из него видно, что при увеличении поверхностной плотности энергии Е лазерного излучения, например, в 2,5 раза (от значения 74 мДж/см2 до 186 мДж/см2) наблюдается увеличение амплитуды давления импульса продольной волны в 3,8 раза, что свидетельствует о проявлении тепловой нелинейности. Более того, экспериментально наблюдалось уменьшение длительности импульса примерно в 1,2 раза (рис. 1). Данное уменьшение соответствовало уширению спектра (рис. 2), причем спектр перемещался в область более высоких частот. Так по уровню 0,5 при неизменной нижней частоте, соответствующей 300 кГц, верхняя частота увеличилась от значения 7,0 МГц до 8,3 МГц. С помощью данного частотного диапазона можно отслеживать в образцах горных пород неоднородности с характерными масштабами 1 см - 0,5 мм.

Амплитуда акустического сигнала с повышением плотности энергии лазерного импульса растет нелинейно (квадратичная зависимость) (рис. 3) и экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими. Эффек-

| 5 (/) |, отн. ед.

Ї МГц

р

і погт

1. Ермолов ИН Теория и практика ультазвуко-вого контроля. - М.: Машиностроение, 1981.

2. ИньковВ. Н., ЧерепецкаяЕ. Б., Шкурат-

никВ. Л., КарабутовА. А., Макаров В. А. Ультразвуковая эхоскопия геоматериалов с использованием термооптических источников продольных волн // ФТПРПИ. 2004. № 3. С. 16 - 21.

тивное возбуждение ОА импульсов происходит в случае жесткой границы.

Таким образом экспериментальные исследования показали, что эффект тепловой нелинейности приводит к увеличению амплитуды акустического сигнала и уширению его спектра.

Экспериментальная часть работы проведена на установке лазерно-ультразвукового структуроскопа для диагностики геоматериалов «ГЕОСКАН - 02М».

--------------------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Бурмистрова Л. В., КарабутовА. А., Руденко О. В., Черепецкая Е. Б. О влиянии тепловой нелинейности на термооптическую генерацию звука // Акуст. журн. 1979. т. 25. № 4. С. 616-619.

4. ИньковВ. Н., ЧерепецкаяЕ. Б. Расчет параметров мощных широкополосных оптикоакустических генераторов для задач контроля геоматериалов // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2004. Т. 11. Выпуск 1. С. 117-118.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------

Черепецкая Елена Борисовна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, Иньков В.Н. - аспирант кафедры физики,

Московский государственный горный университет.

В.Н. Костин, 2004

УДК 622:658.011.56

Л.П. Волкова, М.В. Разумов, В.Н. Костин

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ САПР СТРУГОВЫХ УСТАНОВОК

Главной задачей при проектировании базы данных (БД) является построение информационной модели, которое предполагает следующую последовательность действий [1]:

- определение концептуальных требований поставленных задач, как существующих, так и предполагаемых;

- разработка концептуальной модели на основе анализа этих требований в обобщенном представлении;

- выбор системы управления БД (СУБД) для реализации концептуальной модели данных;

- разработка логической модели как версии концептуальной модели, которая может быть обеспечена конкретной СУБД;

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Черепецкая Е. Б., Иньков В. Н.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Черепецкая Е. Б., Иньков В. Н.