Обработка пространственно-временного сигнала акустического микроскопа для определения скоростей объемных ультразвуковых волн и толщины слоистых объектов / Processing of Acoustic Microscope Spatio-Temporal Signal for Measurement of Bulk Ultrasonic Wave Velocities and Thickness of a Layered Sample

Левин В. М. / Levin, V. M.
Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН / RUS Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН
Петронюк Ю. С. / Petronyuk, Y. S.
Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН; Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН / RUS Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН; Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН
Титов С. А. / Titov, S. A.
Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН; Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН / RUS Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН; Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН
Выпуск в базе РИНЦ
DOI: 10.25210/jfop-1604-086095

Левин В. М., Петронюк Ю. С., Титов С. А. Обработка пространственно-временного сигнала акустического микроскопа для определения скоростей объемных ультразвуковых волн и толщины слоистых объектов // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 4(21). С. 86–95.
Levin, V. M., Petronyuk, Y. S., Titov, S. A. Processing of Acoustic Microscope Spatio-Temporal Signal for Measurement of Bulk Ultrasonic Wave Velocities and Thickness of a Layered Sample // Physical Bases of Instrumentation. 2016. Vol. 5. No. 4(21). P. 86–95.

Аннотация: Предложен метод измерения скоростей объемных ультразвуковых волн и толщины слоя, основанный на регистрации сигнала акустического микроскопа в зависимости от величины смещения исследуемого образца вдоль оси акустической линзы и разложении записанного пространственно-временного сигнала в спектр плоских, импульсных волн. Теоретически показано, что по относительным задержкам спектральных составляющих, отраженных от границ слоя, можно определить его параметры. Экспериментальные исследования тестового образца показывают, что погрешности определения скорости продольной волны и толщины слоя не превосходят 1%, а скорости поперечной волны 2%.

Abstract: A method of measurement of velocities of bulk ultrasonic waves and thickness of a layer is proposed. The method is based on recording of the signal of the acoustic microscope as a function of sample displacement along the axis of the acoustic lens and on decomposition of the recorded spatio-temporal signal in a spectrum of plane pulse waves. It was theoretically shown that the parameters of the layer can be determined using relative delays of the spectral components reflected at the interfaces of the layer. The experimental results of the test sample study show that the measurement error do not exceed 1 % for the velocity of the longitudinal wave and the thickness of the layer and do not exceed 2 % for the velocity of the transverse wave.

Ключевые слова: пространственно-временной сигнал, скорость ультразвука, спектр плоских волн, acoustic microscope, spatio-temporal signal, ultrasound velocity, пространственно-временной сигнал

Литература / References
  1. Truell, R., Elbaum, C., and Chick, B. Ultrasonic Methods in Solid State Physics. New York and London: Academic Press, 1969.
  2. Papadakis, E.P. Ultrasonic Velocity and Attenuation: Measurement Methods with Scientific and Industrial Application // Physical Acoustics. Principles and Methods, ed. W. P. Mason, and R. N. Thurston. Vol. XII. NY: Academic Press, 1976. P. 277-374.
  3. Petronyuk, Y.S., Levin, V.M., and Titov, S.A. Shape of Short Ultrasonic Echo-Pulses Focused in the Solid Plate // Physics Procedia. V. 70, 2015. P. 626-630.
  4. Hänel, V., Kleffner, B. Double Focus Technique for Simultaneous Measurement of Sound Velocity and Thickness of Thin Samples Using Time-Resolved Acoustic Microscopy // Acoustical Imaging. Vol. 24. Ed. H. Lee. Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2000. P. 187-192.
  5. Hänel, V. Measurement of Sound Velocity and Thickness of Thin Samples by Time-Resolved Acoustic Microscopy // J. Appl. Phys. 1998. Vol. 84. No. 2. P. 668-670.
  6. Hildebrand, J.A., Liang, K., and Bennett, S.D. Fourier Transform Approach to Material Characterization with the Acoustic Microscope // J. Appl. Phys. 1983. Vol. 54. No. 12. P. 7016-7019.
  7. Deng, X.D., Monnier, T., Guy, P., and Courbon, J. Acoustic Microscopy of Functionally Graded Thermal Sprayed Coatings Using Stiffness Matrix Method and Stroh Formalism // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. P. 224508.
  8. Birks, A.S., Green, R.E., and McIntire, P. Ultrasonic Testing Handbook / 2nd ed. Vol. 7. Columbus. OH: Amer. Soc. Nondestructive Testing. 1991. P. 836.
  9. Ермолов И. Н., Ланге Ю. В. Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. С. 30.
  10. Chen, J., Bai, X., Yang, K., and Ju, B.-F. Simultaneously Measuring Thickness, Density, Velocity and Attenuation of Thin Layers Using V(z, t) Data From Time-Resolved Acoustic Microscopy // Ultrasonics. 2015. Vol. 56. P. 505-511.
  11. Bai, X., Sun, Z., Sun, A., Chen, J., and Ju, B.-F. Determination of the Multiple Local Properties of Thin Layer with High Lateral Resolution by Scanning Acoustic Microscopy // Rev. Scien. Inst. 2014. Vol. 85. P. 094901.
  12. Клаербоут Д. Ф. Сейсмическое изображение земных недр. М.: Недра, 1989. 407 с.
  13. Титов С. А., Маев Р. Г. Определение параметров изотропного слоя по пространственно-временным сигналам ультразвуковой решетки // Акуст. журнал. 2013. Т. 59. № 5. С. 648-656.