Изучение параметров поверхностных волн в металлах

    Цель работы: ознакомление с основными свойствами и методами измерения скорости поверхностных акустических волн (ПАВ) в металле и особенностями распространения ПАВ.

Основные сведения

В 1885 году лорд Рэлей (Дж. Стретт) теоретически показал [1], что вдоль плоской свободной границы изотропного твердого полупространства могут распространяться упругие поверхностные волны, амплитуда которых быстро спадает с глубиной. С тех пор волны, названные рэлеевскими, обрели многочисленные области применения и практического использования.

Вначале на весьма низких частотах (1 – 100 Гц) они использовались и подробно изучались только применительно к сейсмологии и сейсморазведке. С 50-х годов 20-го века поверхностные волны с частотой в диапазоне до  Гц стали интенсивно использоваться как средство многопланового неразрушающего контроля поверхности и поверхностного слоя образцов и материалов (определение глубины дефектов, степени и глубины термической закалки, остаточных механических напряжений, качества обработки поверхности и т.д.). В течение последних 20 - 25 лет волны с частотами Гц широко применяются в миниатюрных твердотельных устройствах по обработке информации (ультразвуковые линии задержки, полосовые фильтры, разветвители сигналов, конвольверы, фазовращатели и т.д.) Применение рэлеевских волн в таких устройствах вызвано тремя особенностями данных волн:

1) возможностью вывести ультразвуковой сигнал от любой точки поверхности образца, по которому распространяется волна;

2) удачным сочетанием поверхностной локализации с планарностью микроэлектронных устройств;

3) относительно большой концентрацией энергии в волне вследствие малости слоя локализации волны.

Помимо техники, рэлеевские волны широко используются в чисто физических экспериментах как инструмент для изучения свойств поверхности и поверхностного слоя твердого тела, включая его «электрические» характеристики, например электронные поверхностные состояния в полупроводниковом кристалле.

Использование рэлеевских волн открыло принципиально новые возможности. Так в ультразвуковой дефектоскопии их использование сделало ультразвуковой контроль универсальным – применимым для деталей и заготовок любой формы, поскольку стали доступными для контроля плоская и криволинейная поверхность, а также поверхностный слой образцов. Это позволило ультразвуковому контролю выйти на первое место среди других методов.

Высокочастотные звуковые волны и, в первую очередь, поверхностные, рэлеевские способствовали рождению целой особой области науки и техники – акустоэлектроники, лежащей на стыке высокочастотной акустики и электроники твердого тела. Акустоэлектроника изучает вопросы, связанные с возбуждением распространением и приемом ультра- и гиперзвуковых волн различных типов в твердых телах их взаимодействием с электронами проводимости в кристаллах. Основу акустоэлектроники составляют поверхностные волны в кристаллах с частотами  Гц.

Условием существования поверхностных волн является наличие вещественного корня в уравнении:

,                        (2.1)

где  и  волновые числа продольных и поперечных волн, соответственно.

    В теории показано, что такой корень является единственным. Приближенное значение этого корня позволяет получить значение скорости поверхностной волны:

,                                (2.2)      

где  - коэффициент Пуассона; - скорость поперечной волны. Для большинства металлов значение  лежит в пределах от 0,24 до 0,34. При изменении  от 0 до 0.5 скорость рэлеевской волны монотонно изменяется в пределах . Показано также, что рэлеевская волна не имеет дисперсии фазовой скорости.

Как следует из определения, поверхностными волнами (волнами Рэлея) называют упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной (или слабо нагруженной) границы твердого тела и быстро затухающие с глубиной. Поверхностная волна является комбинацией продольных и поперечных волн. Частицы в поверхностной волне совершают колебательное движение по эллиптической траектории. Большая ось эллипса при этом перпендикулярна границе. Поскольку входящая в поверхностную волну продольная составляющая затухает с глубиной быстрее, чем поперечная, вытянутость эллипса с глубиной изменяется. Анализ распределения амплитуд показал, что упругое смещение нормальное к поверхности, сначала возрастает, а затем монотонно убывает с глубиной. Смещение параллельное поверхности, меняет знак на глубине, примерно . Показано, также, что для всех твердых сред плотность полной энергии сначала быстро убывает при удалении от свободной поверхности, затем это убывание замедляется, сменяется экстремумом, после чего следует быстрый спад плотности энергии с глубиной. Распределения смещений, напряжений и энергии иллюстрируют, что рэлеевская волна локализована в поверхностном слое толщиной . Поэтому равенство указанной глубины локализации порядку длины волн подтверждает, что исследуемая волн действительно относится к классу поверхностных.

Существует несколько методов и способов возбуждения и приема волн Рэлея (см. рис.2.1, 2.2). Так, известно, что пластинка кварца Х-среза, опирающаяся на ребро прямоугольного, упругого клина (рис. 2.1) возбуждает на его гранях «слабые, поверхностные волны». Наилучшие условия для возбуждения создаются, если пластина наклонена к граням под углом 45º.

Другой вариант осуществляется с помощью пластинки Y-среза, имеющей акустический контакт с поверхностью твердого тела посредством тонкого слоя минерального масла (рис. 2.1). Отмечено, что такая пластина возбуждает две рэлеевские волны, «бегущие» в отрицательном и положительном направлениях горизонтальной оси системы координат с одинаковыми амплитудами. Наилучшие условия для возбуждения поверхностных волн возникают при определенных соотношениях между длиной пластины и ее толщиной (7:1). Ясно, что этот способ также недостаточно эффективен, так как основная доля механической энергии пластины расходуется на излучение поперечных волн, распространяющихся в глубь твердого тела.

Наиболее распространенным методом возбуждения рэлеевских волн является «метод клина» (рис.2.2), основанный на происходящем на границе раздела двух твердых сред преобразовании продольной волны в поверхностную. В этом методе, пластмассовая (например, из органического стекла) призма воль одной своей грани имеет акустический контакт с поверхностью твердого тела. На наклонной грани призмы располагается пьзопластинка, излучающая продольную волну, которая падает под определенным углом на границу тела с призмой. Угол  выбирается из условия . В этом выражении:  - скорость продольных волн в материале клина, - скорость рэлеевских волн в материале твердого тела. Наилучшие условия возбуждения возникают, когда проекция ребра призмы на наклонную грань совпадает с передним краем пьезопластины. Конечно, помимо поверхностных волн в твердом теле возникают и продольные волны, но их уровень оказывается примерно на 20-30 Дб ниже.

Рис.2.1

 

Рис. 2.2

Еще в 1958 г. А.Г.Соколинским [2] был предложен метод возбуждения поверхностных волн с помощью гребенчатой структуры, создающей на поверхности твердого тела (подобно клину) периодическую совокупность нормальных, по отношению к поверхности, возмущений, с пространственным периодом, равным длине возбуждаемой рэлеевской волны. Такая структура (рис. 2.2) проще всего может быть реализована в виде металлической пластинки гребенчатого профиля.

Таким способом можно возбуждать поверхностные волны в образцах из практически любых материалов. При высокотехнологичном изготовлении гребенчатых структур удается применять этот метод на частотах до 100 МГц.

Наконец, отметим еще один способ возбуждения рэлеевких волн, получивший за последнее время, повышенное распространение, благодаря успехам в электронике. Сущность способа состоит в том, что луч от мощного лазера проходит через «решетку», состоящую из прозрачных и непрозрачных полос, и создает на поверхности твердого тела периодическое чередование освещенности, которое вызывает тепловой эффект, являющийся источником механических напряжений в приповерхностной области. Это по существу тоже разновидность, только «бесконтактная», метода гребенчатой структуры.

Поверхностные волны могут распространяться на большие расстояния, как по плоской, так и по изогнутой поверхности изделия. На выпуклой поверхности происходит некоторое повышение скорости волн, а на вогнутой поверхности, кроме того, имеет место значительное затухание вследствие излучения энергии вглубь изделия. Отметим также, что на сферической поверхности рэлеевские волны приобретают дискретный спектр частот.

Одним из них, является способ с применением наклонных призматических преобразователей, с фиксированным, равным 90°, или переменным углом ввода в сталь. В данной лабораторной работе используется наклонный преобразователь с переменным углом ввода (Рис. 2.3).

 

Рисунок 2.3. Наклонный преобразователь с переменным углом ввода 1 – рычажок изменения угла поворота пьезопластины; 2 – штекер кабеля, подключаемого к дефектоскопу; 3 – пьезопластина