В методе фотоакустической микро­скопии [248] акустические колебания ге­нерируются вследствие термоупругого эффекта при освещении ОК модулирован­ным световым потоком (например, им­пульсным лазером, модулированным по интенсивности частотой 1 ... 1000 кГц), который сфокусирован на поверхности образца (рис. 2.100). Энергия светового потока поглощается в материале, порож­дает тепловую волну, параметры которой зависят от теплофизических характери­стик образца. Тепловая волна приводит к появлению упругих колебаний, которые регистрируются, например, пьезоэлектри­ческим приемником.

Сканирование поверхности ОК лучом лазера синхронизовано с разверткой экра­на дисплея. В результате сканирования

можно получить информацию об одно­родности исследуемого объекта. Напри­мер, нарушение сплошности образца (трещины, расслоения) приведет к локаль­ному изменению теплоемкости и тепло­проводности, что проявится в величине регистрируемого фотоакустического сиг­нала.

Упругие колебания, расходящиеся из области их генерации в зоне действия теп­ловой волны, могут нести информацию не только об области теплового воздействия. Как экспериментально доказано, при пье­зоэлектрической регистрации фотоакусти­ческого сигнала можно получить инфор­мацию о свойствах объекта за пределами

б) Рис. 2.102. Изображение дефектов биморфной пьезопластины при контроле фотоакустическим методом: а - первым способом, б - вторым способом

досягаемости тепловой волны, что расши­ряет возможности фотоакустической мик­роскопии

Основная область применения фото­акустической микроскопии - контроль элементов электронной техники, неболь­ших деталей Измерение амплитуды и фа­зы принятого сигнала позволяют судить о глубине залегания дефекта В [425, с 442/566 и 615/407] говорится об измере­нии сдвига фазы относительно возбуж­дающего сигнала Изменение фазы приня­того сигнала включает в себя вклад каж­дой точки термической зоны Уменьшая модуляцию, увеличивают толщину иссле­дуемой зоны На рис 2 101 изображены дефекты интегральной схемы при различ­ной частоте модуляции

В [53] показана возможность исполь­зования фотоакустической микроскопии для НК качества соединительного шва в биморфных пьезоэлементах Исследуемые образцы последних представляли собой диски диаметром 30 мм Они были собра­ны из двух пьезокерамических пластин толщиной 0,27 мм

Одна из пластин была поляризована по толщине, и ее торцовые поверхности были металлизированы серебром с тол­щиной слоя 5 10 мкм Вторая пластина

не была поляризована, и все ее поверхно­сти были металлизированы Исследова­лись биморфные пьезоэлементы, собран­ные по различным технологиям В одном случае пластины склеивали, в другом для соединения использовали диффузионную сварку

Исследуемые образцы пьезоэлемен­тов содержали специально созданные де­фекты соединительного шва (непроклеи, углубления в несколько микрометров, от­сутствие металлизации) Показано, что во всех случаях наблюдалось изменение фо - тоакустического сигнала в области, совпа­дающей с местом расположения дефектов в соединительном шве, их формой и раз­мерами

Использовалось два варианта регист­рации фотоакустического сигнала В пер­вом исследуемый биморфный пьезоэле­мент приклеивался к поляризованному по толщине пьезоприемнику из керамики ЦТС-19 Регистрировались термоупругие колебания, генерируемые тепловой вол­ной Частота модуляции светового луча совпадала с резонансной частотой пьезо­приемника и составляла 80 кГц

Поскольку исследуемый биморфный пьезоэлемент обладал пьезоэффектом, во втором варианте сигнал снимался непо­средственно с биморфного пьезоэлемента, на который при этом пьезоприемник не наклеивался В этом случае регистрируе­мый сигнал мог быть обусловлен не толь­ко термоупругим, но и пироэлектрическим эффектом Частота модуляции светового луча составляла 72 кГц

Установлено, что во всех исследо­ванных образцах при пьезоэлектрической регистрации дополнительным пьезопри­емником (способ 1) наблюдалось измене­ние фотоакустического сигнала в области, совпадающей с местом расположения де­фектов в соединениях, их формой и раз­мерами. В качестве примера на рис. 2.102, а приведена фотоакустическая топограмма участка биморфного пьезоэлемента, в ко­тором крестообразный дефект создавался путем нанесения пересекающихся полос масла шириной 3 мм (так создавался не - проклей).

На рис. 2.102, б приведена топограм­ма того же образца, полученная при сня­тии сигнала непосредственно с биморфно­го пьезоэлемента (способ 2). Сравнение рисунков (поле обзора в обоих случаях совпадает) показывает, что при снятии сигнала непосредственно с биморфного пьезоэлемента топограмма не передает форму дефекта даже приблизительно. От­метим, что при обоих способах регистра­ции фотоакустического сигнала топо - граммы, снятые в образцах, не содержа­щих специально введенных дефектов, не имели вариаций величины фотоакустиче­ского сигнала в зоне обзора.

Если толщина ОК существенно меньше, чем толщина используемого пье­зоприемника, то ОК и пространственные вариации его свойств мало повлияют на резонансные характеристики пьезоприем­ника. Но пространственные вариации свойств объекта будут влиять на зависи­мость амплитуды вынужденных колеба­ний системы образец - пьезоприемник также на некотором расстоянии от места теплового воздействия.

Вынужденные колебания в такой системе обусловлены действием термоуп­ругих напряжений, возникающих в облас­ти теплового воздействия. Амплитуда вы­нужденных колебаний будет зависеть на­ряду с другими факторами также от меха­нических свойств среды между областью теплового воздействия и остальной частью системы.

Если область теплового воздействия частично отделена, например, раковиной от остальной части системы, то это долж­но ослабить амплитуду возбуждаемых вынужденных колебаний. По-видимому, такая ситуация имеет место при первом способе снятия топограмм.

При втором способе регистрации то­пограмм информационный сигнал форми­руется непосредственно в самом образце, поэтому неоднородности, которые вызы­вают изменение колебательных характе­ристик биморфных пьезокерамических элементов, весьма сложным образом про­являются на топограммах.

Кроме того, как отмечалось выше, при этом способе регистрации вклад в сигнал может давать также пироэлектри­ческий эффект, который проявляется только в области действия теплового зон­да, поэтому полученные топограммы ука­зывают на присутствие структурных де­фектов в биморфных пьезокерамических элементах, однако не дают информации об их локализации, размерах и форме. Заме­тим, что возможен вариант контроля, при котором принимающий пьезоэлемент за­нимает лишь часть ОК.

2.3.3. Реверберационно-сквозной метод

Этот метод, называемый в иностран­ной литературе акустико-ультразвуковым (acousto-ultrasonic technique), сочетает в себе признаки метода прохождения и УЗ - реверберационного (точнее, эхоревербе­рационного) метода. Метод мало известен в России, хотя за рубежом ему посвящены десятки публикаций и не менее двух стан­дартов [357, 358, 394].

Рис. 2.103. Структурная схема аппаратуры для работы реверберациоино-сквозным (акустико-ультразвуковым) методом

Принцип метода поясняет рис. 2.103. На ОК 3 (лист из ПКМ, многослойную клееную конструкцию и т. п.) устанавли­вают прямые излучающий 2 и приемный 4 УЗ-преобразователи на фиксированном расстоянии друг от друга. Пьезоэлемент 2 возбуждают генератором импульсов 1. Излученные УЗ-импульсы продольных волн после многократных отражений от стенок ОК достигают приемного преобра­зователя 4, усиливаются усилителем 5, обрабатываются и индицируются в бло­ке 6.

Наличие неоднородностей в материа­ле ОК или соединениях между его слоями меняет параметры принятых импульсов, что и служит признаком дефекта. Ввиду многократных отражений в ОК, транс­формации продольных волн в поперечные и обратно и интерференции УЗ-импульсов принятые сигналы имеют нерегулярную форму, подобную сигналам в акустико­эмиссионном методе НК.

Название метода, принятое в ино­странной литературе, возникло благодаря сходству наблюдаемых сигналов с сигна­лами акустической эмиссии, которые в отличие, например, от упорядоченных сигналов эхометода сильно растянуты во времени и имеют очень нерегулярную структуру. Других сходных признаков с акустико-эмиссионным методом акустико­ультразвуковой метод не имеет. Более того, первый из этих методов пассивный, второй активный.

Дословный перевод английского на­звания метода является тавтологией, не отражает его сущности и представляется авторам книги неудачным. Более правиль­ным было бы название "реверберацион­ный метод прохождения" или "ревербера­ционно-сквозной метод". Примем второе из этих названий, подобное используемым в отечественной литературе терминам "эхосквозной" и "эхозеркальный".

В отличие от других акустических методов, обнаруживающих только явные и крупные дефекты, рассматриваемый метод благодаря многократному прохож­дению УЗ-волн через ОК чувствителен также к мелким структурным неоднород­ностям, влияющим на поглощение и рас­сеяние УЗ. Для ПКМ это трещины в по­лимерной матрице, отсутствие ее соеди­нения с армирующими волокнами, порис­тость, разрывы волокон, расслоения и т. п. Для многослойных клееных конструк­ций - непроклеи, пористость клеевой пленки, непостоянство ее толщины и др.

Информативным параметром метода служит затухание многократно отражен­ных УЗ-импульсов, вызванное различны­ми неоднородностями структуры материа­ла ОК. Количественно это затухание оце­нивают критерием, который в иностран­ной литературе называют stress wave factor (SWF). Ввиду отсутствия в русском языке соответствующего термина и труд­ности адекватного перевода (буквально: коэффициент волны напряжения) будем пользоваться его английской аббревиату­рой - SWF.

Критерий SWF выражают различны­ми способами в зависимости от особенно­стей ОК и подлежащего оценке его пара­метра [357, 358, 394]. Наиболее прост ам­плитудный способ, в котором SWF пред­ставляют амплитудой (точнее, размахом) информативного сигнала:

SWF = Umm. (2.52)

Счетные способы выражения SWF основаны на регистрации числа превыше­ний напряжением сигнала заданного поро­гового уровня. В первом (простейшем) случае этот уровень принимают равным нулю, во втором - определенному значе­нию, превышающему уровень шумов:

SWF=^C/i(Cj-Ci+1), (2.53)

I

где U, - пороговое напряжение для г'-го уровня; С„ С,+; - число превышений г'-го и (і + 1)-го уровней; £/р - максимальное напряжение сигнала.

Энергетические критерии использу­ют интегральную оценку энергии инфор­мативного сигнала. Относительная энер-

гия сигнала определяется интегралом

h

SWF = j[u(t)]7 dt, (2.54)

U

где t и t2 - границы временного интерва­ла; U(t) напряжение.

Через преобразование Фурье энергия сигнала U(t) представляется в виде

/2

SWF = j[s(f)]2df, (2.55)

f

где f и f2 - границы интервала частот; s(f) - спектральная плотность сигнала. В отличие от счетных энергетические крите­рии не требуют установки пороговых на­пряжений, однако необходимо устанавли­вать границы временного и частотного интервалов.

Спектральный анализ позволяет вы­делить из спектра сигнала те частотные составляющие, на которые интересующий параметр ОК влияет наиболее сильно, ис­ключив из рассмотрения остальные. Это увеличивает чувствительность метода.

Используют также другие критерии оценки результатов. При этом выбирают критерий, обеспечивающий наилучшую корреляцию с контролируемым парамет­ром ОК.

Подобно интегральным методам соб­ственных колебаний, описываемый метод не позволяет определить координаты вы­явленных дефектов. Он дает только ус­редненные данные о состоянии зоны ОК, расположенной между излучающим и приемным преобразователями.

Длину волны выбирают не менее толщины ОК. Возможна установка преоб­разователей как с одной, так и с разных сторон ОК, хотя обычно удобнее вести контроль с односторонним доступом. Кроме рассмотренного контактного спо­соба применяют струйный, иммерсионный и оптический лазерный способы возбуж­дения и приема УЗК. При контактном спо­собе связи с ОК на результаты контроля влияют сила прижатия преобразователей, шероховатость и кривизна поверхности ОК, свойства контактной жидкости.

Метод применяют в основном для контроля качества изделий из ПКМ, ме­таллических композиционных материалов в виде металлической матрицы и арми­рующих волокон (например, борных), из­делий на основе древесины и других мате­риалов, а также для обнаружения дефек­тов клеевых соединений в многослойных конструкциях.

За рубежом реверберационно-сквоз­ному методу посвящена обширная литера­тура. В ней, в частности, даются примеры его применения для оценки прочности ПКМ и клеевых соединений. Связь пока­заний с прочностью объясняется тем, что любые нарушения структуры материала, снижающие его прочность, увеличивают поглощение и рассеяние УЗ-волн, которые в конечном итоге и служат информатив­ными параметрами метода.

В работе [425, с. 585/602] показано, что в результате многократных отражений возбужденной продольной волны в тонкой пластине возникают различные моды волн Лэмба. К приемнику первой приходит волна so, обладающая максимальной груп­повой скоростью. Варьируя частоту и угол наклона приемного преобразователя, вы­деляли также моды а0 и 5ь

Отсюда делается вывод, что метод фактически идентичен методу прохожде­ния с применением волн Лэмба, однако контроль с его помощью осуществляется гораздо быстрее. Применительно к более толстым пластинам сигналы ревербераци­онно-сквозного метода могут рассматри­ваться как резонансы продольных волн.

Примеры практического применения реверберационно-сквозного метода будут приведены в гл. 4 и 7.

2.3.9. Метод лазерного детектирования

Как отмечалось в разд. 2.1.3, метод лазерного детектирования позволяет ви­зуализировать акустические колебания на поверхности ОК, на которую падает или

Рис. 2.104. Схема метода лазерного детектирования УЗ-полей

вдоль которой распространяется УЗ-волна, с помощью лазерного интерферометра [282, 368, 380].

Упругая волна в ОК возбуждается пьезопреобразователем 1 (рис. 2.104) от импульсного генератора 2. Луч лазера 3 падает на плоскую грань ОК, отражается

Рис. 2.105. Излучение УЗ-волн наклонными преобразователями и дифракция волн на щели, наблюдаемые методом лазерного детектирования: 3 - зона детектирования; Т - трещина

от нее и попадает на интерферометр 4. Выходной сигнал интерферометра наблю­дается визуально и преобразуется в циф­ровой код осциллографом 5. Анализ и за­поминание информации осуществляются компьютером 6. Устройство сканирования 7 перемещает ОК в вертикальном и гори­зонтальном направлениях. Типичный шаг сканирования 0,125 мм. В каждой точке проводится усреднение по 50 ... 100 изме­рениям.

В [282] методом лазерного детекти­рования исследованы дефекты в монокри­сталлах алюминия. В качестве интерфе­рометра использовали прибор с акустооп - тическим модулятором в виде ячейки Брэгга и гелий-неоновым лазером с дли­ной волны X = 0,317 мкм. Измерялось до­плеровское смещение частоты на величи­ну, пропорциональную v/X, где v - ско­рость движения облучаемых точек по­верхности. Поскольку скорость движения пропорциональна амплитуде упругих смещений, можно получить картину рас­пределения амплитуд упругих смещений. Упругие продольные и поперечные волны возбуждались прямыми преобразователя­ми на частоту 10 МГц через задержку. Поверхность образца, исследовавшаяся лазером, была отполирована с Ra = 8 мкм.

В [425, с. 480/504] методом лазерного детектирования наблюдали поле наклон­ного преобразователя на боковой поверх­ности, вблизи которой расположен преоб­разователь, и дифракцию УЗ-волн на пре­пятствии - узкой щели, имитирующей трещину (рис. 2.105). Результаты подобны мультипликативной съемке. Справа пред­ставлена картина дифракции на широкой щели, непрозрачной для УЗ-волн, слева - дифракция на узкой щели, прозрачной для УЗ-волн.

Методом лазерного детектирования наблюдают также распространение волн Стоунли на границе раздела двух твердых тел, преломление волн различных типов.