RU2185607C1 - Procedure measuring ultrasound velocity in crystals - Google Patents
Procedure measuring ultrasound velocity in crystals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2185607C1 RU2185607C1 RU2001113610/28A RU2001113610A RU2185607C1 RU 2185607 C1 RU2185607 C1 RU 2185607C1 RU 2001113610/28 A RU2001113610/28 A RU 2001113610/28A RU 2001113610 A RU2001113610 A RU 2001113610A RU 2185607 C1 RU2185607 C1 RU 2185607C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasound
- frequency
- crystal
- light beam
- angle
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике измерения свойств материалов, в частности светопрозрачных диэлектриков и пьезоэлектриков, и может быть использовано для измерения скорости ультразвука в упомянутых материалах на сверхвысоких частотах. The invention relates to techniques for measuring the properties of materials, in particular translucent dielectrics and piezoelectrics, and can be used to measure the speed of ultrasound in these materials at microwave frequencies.
Известен способ измерения скорости ультразвука в кристаллах, описанный в книге [Гусев О. Б. , Клудзин В.В. Акустооптические измерения. - Л.: Издательство ленинградского университета.-1987.-28 с.], который основан на сравнении скоростей акустических волн в эталонном образце, свойства которого заранее известны, и в исследуемом материале. Для измерения скорости ультразвука используют два акустооптических элемента, один из которых выполняют из эталонного материала с заранее известными параметрами и с высокой стабильностью свойств, второй акустооптический элемент выполняют из материала, скорость в котором необходимо измерить. В данном способе нет необходимости учитывать особенности режима и геометрии акустооптического взаимодействия и поэтому по сформированным дифракционным максимумам регистрируют среднюю частоту f=[f0-fa], а скорость ультразвука вычисляют по формуле
где v0, f0 - скорость и частота эталонного элемента, fa - частота исследуемого материла.A known method of measuring the speed of ultrasound in crystals, described in the book [Gusev O. B., Kludzin V.V. Acousto-optical measurements. - L .: Publishing house of Leningrad University.-1987.-28 p.], Which is based on a comparison of the velocities of acoustic waves in a reference sample, whose properties are known in advance, and in the studied material. To measure the speed of ultrasound, two acousto-optic elements are used, one of which is made of a reference material with previously known parameters and with high stability of properties, the second acousto-optic element is made of material, the speed of which must be measured. In this method, it is not necessary to take into account the features of the regime and geometry of the acousto-optic interaction, and therefore, the average frequency f = [f 0 -f a ] is recorded from the formed diffraction maxima, and the ultrasound speed is calculated by the formula
where v 0 , f 0 is the speed and frequency of the reference element, f a is the frequency of the material under study.
Погрешность измерения скорости ультразвука в данном способе будет определяться точностью фиксации максимума входного сигнала и точностью измерения частоты fa, если полагать, что параметры эталонного элемента v0, f0 известны с заведомо большой точностью.The error in measuring the speed of ultrasound in this method will be determined by the accuracy of fixing the maximum of the input signal and the accuracy of measuring the frequency f a , if we assume that the parameters of the reference element v 0 , f 0 are known with great accuracy.
Причинами, препятствующими достижению заявленного технического результата, являются недостаточная точность измерения частоты fa, характерная для данного способа измерения, а также низкая точность измерения скорости ультразвука на сверхвысоких частотах.The reasons that impede the achievement of the claimed technical result are the lack of accuracy in measuring the frequency f a characteristic of this measurement method, as well as the low accuracy in measuring the speed of ultrasound at microwave frequencies.
Известен еще способ измерения скорости ультразвука в кристаллах, описанный в книге [Гусев О.Б., Клудзин В.В. Акустооптические измерения. - Л.: Издательство ленинградского университета. -1987.-36 с.], в котором используют метод акустической интерференции. В этом способе на исследуемый образец подают акустический сигнал большой длительности, и получение экстремальных значений дифракционного порядка осуществляют путем медленного изменения частоты акустического сигнала f, а по полученным интерференционным картинам вычисляют скорость ультразвука по формуле
где l - длина исследуемого образца, М - количество экстремумов на полученной интерференционной картине, Δf- интервал частот, в пределах которого присутствует (М+1) подсчитанных экстремумов.There is also a method of measuring the speed of ultrasound in crystals, described in the book [Gusev OB, Kludzin V.V. Acousto-optical measurements. - L .: Publishing house of the Leningrad University. -1987.-36 S.], which uses the method of acoustic interference. In this method, a long-duration acoustic signal is applied to the test sample, and extreme diffraction order values are obtained by slowly changing the frequency of the acoustic signal f, and the ultrasound speed is calculated from the obtained interference patterns by the formula
where l is the length of the test sample, M is the number of extrema in the resulting interference pattern, Δf is the frequency interval within which (M + 1) calculated extrema are present.
Точность измерения скорости в этом способе будет определяться точностью отсчета интервала частоты Δf и качеством выполнения торцовых граней кристалла. The accuracy of the velocity measurement in this method will be determined by the accuracy of the counting of the frequency interval Δf and the quality of the execution of the end faces of the crystal.
Причинами, препятствующими достижению заявленного технического результата, являются недостаточная точность измерения интервала частоты Δf, а также низкая точность измерения скорости ультразвука на сверхвысоких частотах. The reasons that impede the achievement of the claimed technical result are the insufficient accuracy of measuring the frequency interval Δf, as well as the low accuracy of measuring the speed of ultrasound at microwave frequencies.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в книге [Физическая акустика. Принципы и методы. Под ред. У. Мэзона и Р. Терстона.-т.6. - М.: Мир.-1974, на с. 340-341], который и выбран в качестве прототипа. The closest in technical essence to the claimed method is the method described in the book [Physical Acoustics. Principles and methods. Ed. W. Mason and R. Thurston.-v.6. - M .: Mir.-1974, on p. 340-341], which is selected as a prototype.
Известный способ измерения скорости ультразвука в светопрозрачных кристаллах основан на использовании явления дифракции света. Дифракция света обеспечивает удобство измерения длины звуковой волны, по которой путем расчета определяют скорость ультразвука в исследуемом материале. Известный способ включает в себя регистрацию угла отклонения ΘБ, дифрагированного на ультразвуке известной частоты f светового луча с длиной волны λ, и последующего вычисления скорости ультразвука из формулы Брэгга
(В данном случае предполагается, что угол Брэгга регистрируется в воздушной среде).A known method of measuring the speed of ultrasound in translucent crystals is based on the use of the phenomenon of light diffraction. Light diffraction provides the convenience of measuring the sound wavelength, by which the speed of ultrasound in the test material is determined by calculation. The known method includes recording the angle of deviation Θ B , diffracted by ultrasound of known frequency f of the light beam with a wavelength λ, and then calculating the speed of ultrasound from the Bragg formula
(In this case, it is assumed that the Bragg angle is recorded in the air).
В оптически прозрачном кристалле возбуждают ультразвук заданной частоты f c помощью пластинчатых или пленочных пьезопреобразователей, а затем на одну из граней исследуемого кристалла под углом Брэгга - ΘБ к нормали распространяющегося ультразвукового пучка от лазерного источника подают луч света длиной волны λ, при этом регистрируют угол между падающим лучом света и дифрагированным - 2ΘБ, а значение скорости ультразвука вычисляют по формуле (1).The optically transparent crystal excite ultrasound predetermined frequency fc using a plate or film piezoelectric transducers and then on one of the faces of the crystal under study at the Bragg angle - Θ B to the normal propagating an ultrasonic beam from a laser source serves light beam wavelength λ, thus registering the angle between the incident a light beam and diffracted - 2Θ B , and the value of the ultrasound speed is calculated by the formula (1).
Поскольку длину оптической волны и частоту упругих волн можно определить с заданной степенью точности, то точность самого метода измерения v определяется точностью регистрации угла 2ΘБ,
Причинами, препятствующими достижению заявленного технического результата, являются недостаточная точность регистрации угла отклонения ΘБ, характерная для данного способа измерения, а также низкая точность измерения скорости ультразвука на сверхвысоких частотах.Since the optical wavelength and the elastic wave frequency can be determined with a given degree of accuracy, the accuracy of the measurement method v itself is determined by the accuracy of recording the angle 2Θ B ,
The reasons that impede the achievement of the claimed technical result are the insufficient accuracy of recording the angle of deviation Θ B , typical for this method of measurement, as well as the low accuracy of measuring the speed of ultrasound at microwave frequencies.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении измерения скорости ультразвука в кристаллах и повышении его точности. The technical result of the invention is to simplify the measurement of the speed of ultrasound in crystals and increase its accuracy.
Для достижения технического результата в способе измерения скорости ультразвука в кристалле на одну из граней исследуемого кристалла под углом Брэгга ΘБ к нормали распространяющегося ультразвукового пучка от лазерного источника подают луч света длиной волны λ, в кристалле возбуждают ультразвук заданной частоты f посредством плоской противофазной решетки пьезопреобразователей, период расположения которых выбирают равным d, а световой луч подают на кристалл под двойным углом Брэгга и регистрируют частоту f0, возбуждаемого плоской противофазной решеткой пьезопреобразователей ультразвука, соответствующую условию появления максимума интенсивности дважды продифрагированного на учетверенный угол Брэгга светового луча, причем по измеренной частоте ультразвука f0 значение его скорости вычисляют в соответствии с выражением
где n - показатель преломления среды кристалла.To achieve a technical result in a method for measuring the speed of ultrasound in a crystal, one of the faces of the investigated crystal at a Bragg angle Θ B is fed to the normal of the propagating ultrasound beam from the laser source by a light beam of wavelength λ, ultrasound of a given frequency f is excited in the crystal by means of a flat antiphase array of piezoelectric transducers, the location period of which is chosen to be equal to d, and the light beam is fed to the crystal at a double Bragg angle and the frequency f 0 excited by a plane the thyophase lattice of the ultrasound piezoelectric transducers, corresponding to the condition for the appearance of a maximum of intensity of the light beam twice diffracted by the Bragg quadruple angle, and its speed is calculated from the measured ultrasound frequency f 0 in accordance with the expression
where n is the refractive index of the crystal medium.
Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявленными признаками и достигаемым техническим результатом, а также оценки степени улучшения точности измерения скорости ультразвука v по заявленному способу рассмотрим процесс акустооптического (АО) взаимодействия в изотропном пьезокристалле (АО дефлекторе на основе изотропного LiNbO3 Z среза), в котором возбуждение ультразвука осуществляется непосредственно с поверхности плоской противофазной решетки преобразователей типа встречно-штыревых (ВШП), причем направление падающего луча света близко к удвоенному углу Брэгга.To prove the presence of a causal relationship between the claimed features and the achieved technical result, as well as to assess the degree of improvement in the accuracy of measuring the ultrasound velocity v by the claimed method, we consider the process of acousto-optic (AO) interaction in an isotropic piezocrystal (AO deflector based on an isotropic LiNbO 3 Z slice), in which the excitation of ultrasound is carried out directly from the surface of a flat antiphase array of converters of the type of interdigital (IDT), and the direction of incidence The beam of light is close to Bragg's doubled angle.
На фиг. 1 изображена геометрия рассматриваемого АО взаимодействия. Известно [см. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. - М.: Сов. Радио.-1978.-112 с.], что плоская противофазная решетка пьезопреобразователей с периодом d и протяженностью L в дальней зоне кристалла возбуждает два звуковых луча с относительной интенсивностью (2/π)2 = 0,4 и шириной по уровню -4 дБ, равной δφ = v/fL.
Амплитудное распределение возбуждаемого звука при этом описывается выражением:
S± = 2/π•S0sinc[kL/(sinφ-sinφ±)],
где S0- амплитуда звукового поля в плоскости Х=0;
v, f - скорость распространения и частота подводимых к ВШП колебаний.In FIG. 1 shows the geometry of the considered AO interaction. It is known [see Magdich L.N., Molchanov V.Ya. Acousto-optical devices and their application. - M .: Owls. Radio.-1978.-112 pp.] That a flat antiphase array of piezoelectric transducers with a period d and a length L in the far zone of the crystal excites two sound beams with a relative intensity (2 / π) 2 = 0.4 and a width of -4 dB equal to δφ = v / fL.
The amplitude distribution of the excited sound is described by the expression:
S ± = 2 / π • S 0 sinc [kL / (sinφ-sinφ ± )],
where S 0 - the amplitude of the sound field in the plane X = 0;
v, f is the propagation velocity and frequency of the oscillations supplied to the IDT.
Отклонение этих двух лучей от нормали происходит в разные стороны и зависит от частоты в соответствии
φ± = ±arcsinv/fd ≈ ±v/fd.
В обычных применениях используют один из максимумов звукового поля, на который с целью получения максимальной эффективности и полосы рабочих частот, подачу света осуществляют под двойным углом Брэгга, равным
причем с ориентацией, автоматически обеспечивающей подстройку под угол Брэгга ΘБ угла отклонения одного из максимумов звукового поля. Приравнивая значения приращений по частоте угла Брэгга ΘБ = arcsinλf/2nv
и угла поворота одного из лучей φ+ = arcsinv/fd
получим, что при равномерном шаге ВШП наилучшая коррекция и, следовательно, интенсивность дифракции будет иметь место на частоте
Из приведенных рассуждений и рассмотрения фиг.1 следует, что вблизи частоты f0 в дефлекторе возможно и повторное взаимодействие дифрагированного светового пучка на втором максимуме звукового поля. Это взаимодействие возможно именно в окрестности частоты f0, для которой угол падения дифрагированного пучка света на второй звуковой луч также равен углу Брэгга. Сказанное с очевидностью иллюстрирует фиг.1. Вместе с тем, насколько известно авторам, на возможность использования в полезных целях явления повторной дифракции ранее внимания не обращалось.The deviation of these two rays from the normal occurs in different directions and depends on the frequency in accordance
φ ± = ± arcsinv / fd ≈ ± v / fd.
In normal applications, one of the maximums of the sound field is used, to which, in order to obtain maximum efficiency and the operating frequency band, the light is supplied at a double Bragg angle equal to
moreover, with an orientation that automatically ensures adjustment to the Bragg angle Θ B of the deflection angle of one of the maxima of the sound field. Equating the increment values with respect to the frequency of the Bragg angle Θ B = arcsinλf / 2nv
and the angle of rotation of one of the rays φ + = arcsinv / fd
we find that with a uniform IDT step, the best correction and, therefore, the diffraction intensity will take place at a frequency
From the above reasoning and consideration of figure 1 it follows that near the frequency f 0 in the deflector is possible and re-interaction of the diffracted light beam at the second maximum of the sound field. This interaction is possible precisely in the vicinity of the frequency f 0 , for which the angle of incidence of the diffracted light beam on the second sound beam is also equal to the Bragg angle. The foregoing is clearly illustrated in figure 1. At the same time, as far as the authors are aware, the possibility of using the re-diffraction phenomenon for useful purposes has not previously been addressed.
При повторной дифракции направление "движения" угла Брэгга и угла отклонения второго луча противоположны, и, следовательно, полоса повторного АО взаимодействия будет узкой. Именно эта особенность позволяет повысить точность регистрации f0 и, как следствие, - v.In repeated diffraction, the direction of the "motion" of the Bragg angle and the deflection angle of the second ray are opposite, and therefore the band of the repeated AO interaction will be narrow. It is this feature that makes it possible to increase the accuracy of registration f 0 and, as a consequence, v.
Оценим точность регистрации f0, для чего рассчитаем полосу повторного АО взаимодействия -Δf. При расчете Δf примем во внимание, что значение углов, в пределах которых относительная интенсивность при двойной дифракции превышает (2/π)2, определяются
φH(f) = |φ(f)|+δφ/4; (2)
φB(f) = |φ(f)|-δφ/4, (3)
а функция, описывающая частотную зависимость угла Брэгга при двойной дифракции, имеет вид
χ(f) = |φ(f0)|-2|ΘБ(f0)|+2|ΘБ(fX)|. (4)
Из совместного решения (2), (3) и (4) получим формулу для полосы пропускания в виде
Учитывая, что повторная дифракция существует только вблизи частоты f0 выражение (5) можно существенно упростить
Δf = f0•d/4L = f0•1/4m, (6)
где m - число пар электродов ВШП. Таким образом, повторная дифракция имеет место в очень узкой полосе. Например в рядовом для практики случае на частоте f= 1 ГГц и числе пар ВШП m=25 в соответствии с (6) Δf составит 10 МГц.We estimate the accuracy of registration f 0 , for which we calculate the band of the repeated AO interaction -Δf. When calculating Δf, we take into account that the angles within which the relative intensity during double diffraction exceeds (2 / π) 2 are determined
φ H (f) = | φ (f) | + δφ / 4; (2)
φ B (f) = | φ (f) | -δφ / 4, (3)
and the function describing the frequency dependence of the Bragg angle during double diffraction has the form
χ (f) = | φ (f 0 ) | -2 | Θ B (f 0 ) | +2 | Θ B (f X ) |. (4)
From the joint solution (2), (3) and (4) we obtain the formula for the bandwidth in the form
Considering that repeated diffraction exists only near the frequency f 0, expression (5) can be significantly simplified
Δf = f 0 • d / 4L = f 0 • 1 / 4m, (6)
where m is the number of IDT electrode pairs. Thus, re-diffraction takes place in a very narrow band. For example, in the ordinary practice case at a frequency f = 1 GHz and the number of IDT pairs m = 25, in accordance with (6), Δf will be 10 MHz.
Следует отметить, что при более подробном рассмотрении процесса дифракции в кристалле, ультразвук в котором возбуждается ВШП, можно обнаружить и дополнительные лепестки диаграммы направленности, на которых в окрестности f0 также возможна дифракция, причем еще более узкополосная, чем на первых двух главных лепестках. Т.е. можно было бы думать, что возможно еще более повысить точность измерения f0, если учесть дифракцию на этих дополнительных лепестках. Однако это не так. Из антенной техники известно [Сканируемые антенные системы СВЧ. т.2. /Пер. с англ. под ред. Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина. - M. : Сов. Радио.-1966.-496 с.], что углы наклона максимумов побочных лепестков зависят от ориентации главных лепестков, частоты входного сигнала, параметров ВШП и других факторов. Именно по этому в предлагаемом способе авторы ограничились рассмотрением только процесса двойной дифракции, анализ которой не вызывает сомнений.It should be noted that in a more detailed examination of the diffraction process in a crystal, the ultrasound in which IDT is excited, one can also find additional lobes of the radiation pattern, on which diffraction is also possible in the vicinity of f 0 , and even more narrow-band than on the first two main lobes. Those. one would think that it is possible to further increase the accuracy of the measurement f 0 , if we take into account the diffraction on these additional lobes. However, it is not. From antenna technology is known [Scanned microwave antenna systems. t.2. / Per. from English under the editorship of G.T. Markova and A.F. Chaplin. - M.: Sov. Radio.-1966.-496 p.], That the tilt angles of the maxima of the side lobes depend on the orientation of the main lobes, the frequency of the input signal, the IDT parameters and other factors. That is why in the proposed method, the authors limited themselves to considering only the double diffraction process, the analysis of which is not in doubt.
Приведенное теоретическое обоснование диктует следующую последовательность действий при измерении скорости ультразвука v предлагаемым способом. The above theoretical justification dictates the following sequence of actions when measuring the speed of ultrasound v by the proposed method.
В основе способа положено то обстоятельство, что в кристалле ограниченных размеров ультразвук возбуждают посредством плоской противофазной решетки пьезопреобразователей, например, типа ВШП, число пар которых составляет m. Световой луч подают на кристалл под двойным углом Брэгга и регистрируют частоту f0, соответствующую условию появления максимума интенсивности дважды продифрагировавшего на учетверенный угол Брэгга светового луча. Значение скорости ультразвука при этом рассчитывают по формуле
Таким образом, в предложенном способе исключена трудоемкая необходимость измерения углов дифракции.The method is based on the fact that in a crystal of limited size, ultrasound is excited by means of a flat antiphase array of piezoelectric transducers, for example, an IDT, the number of pairs of which is m. The light beam is supplied to the crystal at a double Bragg angle and the frequency f 0 is recorded corresponding to the condition for the appearance of a maximum of intensity of the light beam double-diffracted to the Bragg quadruple angle. The value of the speed of ultrasound in this case is calculated by the formula
Thus, the proposed method eliminates the time-consuming need to measure diffraction angles.
Экспериментальная проверка предложенного способа проводилась с использованием хорошо известного материала LiNbО3, значения скоростей в котором для различных направлений известно.An experimental verification of the proposed method was carried out using the well-known material LiNbО 3 , the velocity values of which are known for various directions.
Использовался кристалл с размерами 4х4х18 мм вдоль граней х, у и z соответственно. На одной из граней кристалла (плоскость XY) напылялись ВШП с ориентацией штырей вдоль направления у. Система электродов содержала 20 пар ВШП с периодом d=30мкм, длиной L=0,61мм и шириной b=0,64мм. Период расположения ВШП соответствовал частоте f0 МГц, на которой выполнялись условия для полной коррекции угла Брэгга и, соответственно, для существования двойной дифракции свет подавался в направлении оси х.A crystal with dimensions 4x4x18 mm was used along the faces x, y and z, respectively. IDTs were sputtered on one of the crystal faces (XY plane) with the orientation of the pins along the y direction. The electrode system contained 20 pairs of IDT with a period of d = 30 μm, a length of L = 0.61 mm and a width of b = 0.64 mm. The IDT location period corresponded to a frequency of f 0 MHz, at which the conditions for complete correction of the Bragg angle and, accordingly, for the existence of double diffraction, the light was supplied in the x axis direction.
В эксперименте использовался одномодовый одночастотный лазер с λ = 0,63 мкм и углом расходимости 2•10-3 рад. Экспериментальные АЧХ повторной дифракции приведены на фиг.2. АЧХ получены в диапазоне частот 1700-1750 МГц, при отклонении падения угла света от угла Брэгга в пределах ±25o; этот угол отклонения указан вблизи каждой из парциальных АЧХ; по оси ординат на фиг.2 отложены величины, пропорциональные интенсивности света. Из сопоставления расчетных (по формуле (6)) и экспериментальных полос пропускания повторной дифракции следует, что, во-первых, они находятся в хорошем соответствии, а во-вторых, что значение центральной частоты АО взаимодействия, на которой имеет место максимум эффективности дифракции, может быть отсчитано с точностью 0,5-1 МГц. Из экспериментальных АЧХ следует, что значение f0 составляет 1725 МГц. Подставив это значение в формулу (1,а), получим значение v, равное 3,575•103 м/с. Измеренное значение v соответствует справочному значению для данного направления: 3,59•103 м/с [см. Акустические кристаллы: Справочник. Под ред. Шаскольской М.П. - М.: Наука.-1982.- С. 632].In the experiment, we used a single-mode single-frequency laser with λ = 0.63 μm and a divergence angle of 2 • 10 -3 rad. Experimental frequency response of re-diffraction are shown in figure 2. Frequency response obtained in the frequency range 1700-1750 MHz, with a deviation of the incidence of the angle of light from the Bragg angle within ± 25 o ; this deviation angle is indicated near each of the partial frequency response; along the ordinate axis in figure 2 the values proportional to the light intensity are plotted. From a comparison of the calculated (by formula (6)) and experimental passbands for repeated diffraction, it follows that, firstly, they are in good agreement, and secondly, that the value of the central frequency of the AO interaction, at which the maximum diffraction efficiency takes place, can be counted with an accuracy of 0.5-1 MHz. From the experimental frequency response it follows that the value of f 0 is 1725 MHz. Substituting this value in the formula (1, a), we obtain the value of v equal to 3,575 • 10 3 m / s. The measured value of v corresponds to the reference value for this direction: 3,59 • 10 3 m / s [see Acoustic Crystals: A Guide. Ed. Shaskolskaya M.P. - M .: Nauka.-1982.- S. 632].
Время, затраченное на сам процесс измерения v по предлагаемому способу, составило 5-10 мин. При этом заметим, что отсчет f0 проведен непосредственно по графику фиг. 2. Никаких дополнительных методов обработки результатов эксперимента не использовалось.The time spent on the measurement process v by the proposed method was 5-10 minutes. It should be noted that the countdown f 0 is carried out directly according to the graph of FIG. 2. No additional methods for processing the experimental results were used.
Можно показать, что погрешность измерения скорости по данному способу определяется в соответствии с выражением
где Λ- длина волны звука в кристалле, L - протяженность пьезопреобразователя, и для частот ~109 Гц и размеров пьезопреобразователя, равных 1-5 мм, составляет ~ 0,1%.It can be shown that the error in the measurement of speed by this method is determined in accordance with the expression
where Λ is the wavelength of sound in the crystal, L is the length of the piezoelectric transducer, and for frequencies ~ 10 9 Hz and sizes of the piezoelectric transducer equal to 1-5 mm, it is ~ 0.1%.
Частоту f0, на которой реализуется максимум дифракционной эффективности, в этом случае можно достаточно просто отсчитать с точностью 1-2 МГц. Эта же частота соответствует центру полосы пропускания, определяемой в соответствии с соотношением (6). Измерив только f0 с точностью 1-2 МГц, можно с точностью 10-3 измерить и скорость ультразвука в кристалле, на основе которого выполнен дефлектор.The frequency f 0 , at which the maximum diffraction efficiency is realized, in this case, you can simply read out with an accuracy of 1-2 MHz. The same frequency corresponds to the center of the bandwidth determined in accordance with relation (6). By measuring only f 0 with an accuracy of 1-2 MHz, it is possible to measure with
Таким образом из рассмотренного следует, что заявляемый технический результат заключается в увеличении точности измерения скорости ультразвука в 10-20 раз в сопоставлении с аналогами и прототипом, а также в упрощении способа измерения скорости ультразвука в кристаллах. При этом наличие причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом определяют тем, что в предлагаемом способе непосредственно не регистрируют величину угла отклонения ΘБ, а регистрируют более удобную величину - частоту f0, на которой имеет место максимум дважды продифрагировавшего света.Thus, it follows from the foregoing that the claimed technical result consists in increasing the accuracy of measuring the speed of ultrasound by 10-20 times in comparison with analogues and prototype, as well as in simplifying the method of measuring the speed of ultrasound in crystals. Moreover, the presence of a causal relationship between the claimed features and the achieved technical result is determined by the fact that in the proposed method, the deviation angle Θ B is not directly recorded, but a more convenient value is recorded - the frequency f 0 , at which there is a maximum of twice diffracted light.
В заключении укажем, что предложенный способ может быть распространен и на не пьезоэлектрические кристаллы, в которых возбуждение ультразвука с поверхности ВШП невозможно. В таких кристаллах, как известно [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь. -1985. -280 с. ] , получение двухлепестковых диаграмм направленности ультразвука и, соответственно, применение данного способа измерения возможно путем использования системы фазированных пленочных или пластинчатых пьезопреобразователей. In conclusion, we indicate that the proposed method can be extended to non-piezoelectric crystals, in which the excitation of ultrasound from the surface of IDT is impossible. In such crystals, as is known [Balakshiy V.I., Parygin V.N., Chirkov L.E. Physical foundations of acoustooptics. - M .: Radio and communications. -1985. -280 s. ], obtaining two-leaf radiation patterns of ultrasound and, accordingly, the application of this measurement method is possible by using a system of phased film or plate piezoelectric transducers.
Claims (1)
где n - показатель преломления среды кристалла.A method of measuring the speed of ultrasound in crystals, based on the fact that one of the faces of the investigated crystal at a Bragg angle Θ B to the normal of the propagating ultrasound beam from the laser source is fed with a light beam of wavelength λ, characterized in that the ultrasound of a given frequency f is excited in the crystal by flat antiphase grating of piezoelectric transducers, the period of arrangement of which is chosen equal to d, and the light beam is fed to the crystal at a double Bragg angle and register the frequency f 0 of the excited plane the antiphase array of the ultrasound piezoelectric transducers, corresponding to the condition for the appearance of a maximum of intensity of the light beam twice diffracted by the Bragg quadruple angle, and the velocity v is calculated from the measured ultrasound frequency f 0 in accordance with the expression
where n is the refractive index of the crystal medium.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001113610/28A RU2185607C1 (en) | 2001-05-18 | 2001-05-18 | Procedure measuring ultrasound velocity in crystals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001113610/28A RU2185607C1 (en) | 2001-05-18 | 2001-05-18 | Procedure measuring ultrasound velocity in crystals |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2185607C1 true RU2185607C1 (en) | 2002-07-20 |
Family
ID=20249770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001113610/28A RU2185607C1 (en) | 2001-05-18 | 2001-05-18 | Procedure measuring ultrasound velocity in crystals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2185607C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2652520C1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-04-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device for determining and controlling velocities of surface and longitudinal acoustic waves in materials under quasistatic and cyclic loads |
| RU2738454C1 (en) * | 2020-05-28 | 2020-12-14 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method for measuring the speed of surface acoustic waves in a piezo-substrate |
-
2001
- 2001-05-18 RU RU2001113610/28A patent/RU2185607C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Физическая акустика. Принципы и методы/Под ред. У. Мезона и Р. Терстона. Т.6. - М.: Мир, 1974, с.340 и 341. ГУСЕВ О.Б. и др. Акустооптические измерения. -Л.: Издательство ЛГУ, 1987, с.28 и 36. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2652520C1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-04-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device for determining and controlling velocities of surface and longitudinal acoustic waves in materials under quasistatic and cyclic loads |
| EA033933B1 (en) * | 2016-12-28 | 2019-12-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device for determination and control of velocities of surface and longitudinal acoustic waves in materials under quasi-static and cyclic loads |
| RU2738454C1 (en) * | 2020-05-28 | 2020-12-14 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method for measuring the speed of surface acoustic waves in a piezo-substrate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jia | Modal analysis of Lamb wave generation in elastic plates by liquid wedge transducers | |
| JPH05240762A (en) | Surface transverse wave apparatus | |
| JP3974765B2 (en) | Surface acoustic wave element, electric signal processing apparatus using surface acoustic wave element, and environment evaluation apparatus using electric signal processing apparatus | |
| US7170213B2 (en) | Surface acoustic wave element, electric signal processing apparatus using the surface acoustic wave element, environment evaluating apparatus using the electric signal processing apparatus, and analyzing method using the surface acoustic wave element | |
| RU2185607C1 (en) | Procedure measuring ultrasound velocity in crystals | |
| US6070468A (en) | Micromachined ultrasonic leaky wave air transducers | |
| US3736044A (en) | Dispersive acoustical deflector for electromagnetic waves | |
| Titov et al. | Study of the Ultrasonic Field in an Acousto-Optic Crystal Using Acoustic Methods | |
| US4527866A (en) | Acousto-optic transducer | |
| RU2461852C1 (en) | Method of measuring central frequency of range of anisotropic acoustooptical deflector | |
| Miller et al. | Sampled‐cw Study of``Inhomogeneous''Ultrasonic Responses in Solids | |
| US4146852A (en) | Phase weighted acoustic reflective array compressor | |
| Redwood | Ultrasonic waveguides—a physical approach | |
| Hartmann et al. | 112/spl deg/-LiTaO/sub 3/periodic waveguides | |
| Nakaso et al. | Diffraction-free propagation of collimated SAW around a quartz ball | |
| JP2861295B2 (en) | Surface wave velocity distribution measuring method and apparatus | |
| SU1404925A1 (en) | Device for certifying ultrasonic transducers | |
| SU1629840A1 (en) | Surface acoustic wave transducer for gas and liquid analysis | |
| Fujita et al. | Microdisplacement measurement using a liquid-delay-line oscillator | |
| Zaitsev et al. | Reflection of ultrasonic Lamb waves produced by thin conducting strips | |
| Kelly et al. | High-Resolution Surface Acoustic Wave (Saw) Strain Sensor Based on Acoustic Fabry-Pérot Cavity | |
| Zhezherin et al. | Measurement of Surface Acoustic Waves Velocity in the Piezo Substrate | |
| RU2234708C2 (en) | Panoramic acoustic-optical receiver-wavemeter | |
| RU2337387C2 (en) | Acoustic-optical deflector | |
| SU1087876A1 (en) | Method of measuring ultrasonic oscillation damping coefficient |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20030519 |