Описание экспериментальной установки

Экспериментальные исследования проводятся на установке «Геоскан – 02М». Лазерно-ультразвуковой структуроскоп для диагностики геоматериалов (далее «Геоскан – 02М») предназначен для возбуждения ультракоротких импульсов упругих волн в геоматериалах и исследования неоднородностей структуры горных пород. Данная система позволяет проводить измерения на малых образцах геоматериалов. Структуроскоп может быть использован для неразрушающего контроля состояния горных пород и минералов в лабораторных условиях.

Принцип работы «Геоскан – 02М» основан на лазерном термооптическом возбуждении коротких мощных ультразвуковых импульсов и спектральном анализе прошедших через исследуемую среду сигналов. Отличительный особенностью системы является широкополосность проводимых на ней исследований, что позволяет получать дисперсионные зависимости затухания и скорости ультразвука в диапазоне частот 0.1 – 45 МГц. В принципе работы «Геоскан – 02М» заложен принцип иммерсионный метод. Суть его состоит в следующем. Исследуемый образец породы помещается между двумя иммерсионными слоями слабо-поглощающей звук жидкости (например, дистиллированной воды или этанола), обеспечивающими акустический контакт между образцом, ультразвуковым излучателем и широкополосным пьезоэлектрическим гидрофоном. В качестве оптико-акустических источников ультразвука – ОА генераторов – использованы полиэтилен высокого давления (ПЭВД) и цветное стекло (СЗС-22). При поглощении импульсного лазерного излучения в ОА генераторе возбуждается моно- или биполярный ультразвуковой импульс (для случая ПЭВД или СЗС-22, соответственно) с гладкой временной огибающей и широком частотным спектром. Широкополосность возбуждаемых сигналов обеспечивается высоким коэффициентом поглощения лазерного излучения. В приемном тракте структуроскопа использованы высокочувствительные широкополосные пьезопреобразователи на основе кристалла LiNbO₃ и полимерной пленки ПВДФ. Трехкоординатная система юстировки позволяет обеспечить плоскопараллельность поверхностей ОА генератора, приемника и образца.

Блок-схема установки приведена на рис.1. В данной установке в качестве источника лазерных импульсов используется импульсный Nd: YAG-лазер, работающий в режиме модуляции добротности. Максимальная энергия в импульсе 260 мДж, их длительность 10 нс. Оптический пучок первоначально падал на рассеиватель 4, который служил для формирования равномерного по поперечному сечению распределения интенсивности. Затем системой светофильтров 5 могла варьироваться энергия лазерного импульса. Сформированный оптический пучок попадал либо на низкочастотную 1, либо на высокочастотную 2 оптико-акустические ячейки. Низкочастотная ячейка представляла собой кювету, в которую заливалась иммерсионная жидкость (обычно использовалась дистиллированная вода). В нее погружался генератор 6 акустических импульсов. В данной ячейке генератором служила пленка из полиэтилена высокого давления, акустический импеданс который был близок к акустическому импедансу иммерсионной жидкости ( в качестве последней использовалась вода).

Рис. 1.Блок-схема экспериментальной установки.

Поэтому в результате поглощения в пленке лазерного импульса и последующего ее расширения возбуждается однополярный импульс сжатия, длительность переднего фронта которого составляла 50 нс, что соответствовало рабочей полосе частот от 100 кГц до 12 МГц, амплитуда давления ~10 Мпа, рабочая апертура – до 20 мм. Сигнал регистрируется задемпфированным широкополосным пьезоприемником 7 на основе ПФДФ пленки толщиной 110 мкм. Оценки показывают, что полоса пропускания идеально задемпфированного пьезоэлемента, определяемая его толщиной h и скоростью продольных волн c₁ в данном пьезоэлектрике, по уровню 0,5 составляет   , и при использовании ПВДФ пленки (  для ПВДФ) толщиной 110 мкм составляла 8 МГц. Приемник совмещается с предусилителем и рабочая полоса частот всего приемного тракта составляла 0.3 – 8 МГц. При этом диаметр приемной апертуры равен 53 мм. Порог детектирования широкополосного пьезоэлемента в режиме холостого хода определяется шумовым зарядом его емкости и составляет 5 Па. Поэтому динамический диапазон данной части установки равен 60 дБ.

Образец помещается в кювету в специальном зажимном устройстве 8, позволяющем вращать его вокруг вертикальной оси. Сигнал с пьезоприемником подается на запоминающий осциллограф 9. Поскольку лазер работал в импульсно-периодическом режиме, то проводится усреднение по 128 реализациям, что позволяет увеличить отношение сигнал/шум, по крайней мере, на порядок. Усредненный сигнал подается на персональный компьютер 10. С помощью пакета программ, написанных в среде «Matlab» и использующих быстрое Фурье-преобразование, находится амплитудный спектр сигналов (по нему рассчитывается коэффициент затухания в данном частотном диапазоне) и фазовый спектр, по которому исследуется, соответственно, дисперсия скорости звука.

Вторая часть установки работает либо как высокочастотная ячейка 2, либо служила для диагностики образцов геоматериалов малых размеров, когда возбуждение ультразвука происходит в результате поглощения лазерного излучения непосредственно на поверхности образца. В этом случае в образце возникают импульсы как продольных, так и сдвиговых волн, и по времени задержки данных импульсов относительно лазерного можно рассчитать скорости распространения продольных и поперечных волн, проводя измерения на образцах толщиной от 3 мм и более. В высокочастотной ячейке в качестве стандартного генератора 11 выбран светофильтр СЗС-22. В этом случае при свободной границе возникает биполярный импульс с длительностью переднего фронта менее 50 нс и спектральным диапазоном 2 – 45 МГц. Рабочая апертура генератора достигает 30 мм. Приемником 12 служил кристалл LiNbO₃ толщиной 7 мм, что соответствовало спектральному диапазону 2 – 100 МГц. Вторую ячейку удобнее использовать для пористых сред, когда иммерсионный метод неприменим.

Рис. 2. Временной профиль регистрируемого сигнала.

Характерные временные формы опорных оптико-акустических сигналов.

(а) – импульс, возбуждаемый в водном растворе туши и регистрируемый

широкополосным приемником ШАПР-18М-50;

(б) – импульс, возбуждаемый в ЛАП-12 и регистрируемый

широкополосным приемником ШАПР-13Н

Временная форма опорного сигнала определяется длительностью лазерного импульса, коэффициентом поглощения света в оптико-акустическом генераторе, дифракцией акустических волн в иммерсионной среде, а также переходной характеристикой приемника. Широкополосные пьезоприемники ШАПР-18М-50, ШАПР-18М-110 и ШАПР-13Н абсолютно откалиброваны.

Эти характеристики определяют частотный диапазон исследований и чувствительность метода. Сигнал Sample.

Этот сигнал распространяется в кювете с образцом, испытывая в нем затухание. Поэтому его амплитуда будет всегда меньше зондирующего, а частотный спектр – уже. Амплитудный спектр сигнала, прошедшего образец, несет информацию о спектре затухания ультразвука. Разность фаз между сигналами Reference и Sample определяет фазовую скорость ультразвука в образце.