面向材料弹性常数测量的通用型超声共振谱仪器研究

发布时间：2020-08-23 09:29

【摘要】：随着科学技术的发展,各类新型材料不断涌现,快速、准确地测定各类新型材料弹性常数在提高材料性能、改进生产工艺、确保器件安全可靠等方面发挥着极其重要的作用。相比其它材料表征方法,超声共振谱法(Resonant Ultrasound Spectroscopy,简称RUS)具有测量精度高、适用面广、不受材料形状大小限制等优点,可以用单一试样测得全套弹性常数,在材料无损表征中得到了广泛的应用。针对压电、薄膜等多种材料弹性常数的测量,本文设计并搭建了测量超声共振谱的硬件装置,并利用测得的超声共振谱进行逆运算得到了精确的弹性常数。对于硬件部分,提出了一种宽频带激励的方法,提高了超声共振谱的频率分辨率。软件部分,研究了本征频率的正向计算方法,介绍了群论在频谱拟合时的应用,并将群论推广到了层状结构,提出了用粒子群算法进行最优化拟合以减少迭代次数。为确保设计的可行性,本文基于有限元的方法对超声共振谱进行了计算及误差分析。主要分析了试样大小、预紧力、试样夹持角度等因素对测量精度的影响,并提出了相应的改进措施。针对现有的超声共振谱仪器无法测得薄膜c_(33)、c_(44)等弹性常数,本文提出了一种新型试样设计方法,即在试样的衬底上腐蚀一个小孔,从而人为构造出许多薄膜相关的模态,使得c_(33)的灵敏度系数从5%提高到了400%,c_(44)的灵敏度系数从0.1%以下提高到了30%。最后,搭建了超声共振谱仪器,分别用宽频带激励和窄带激励测出了铝块的超声共振谱,进而用粒子群算法逆运算得到了弹性常数,初步验证了仪器正、逆运算算法的快速收敛性及准确性。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH89
【图文】：

示意图,脉冲回波法,示意图,超声显微镜

图 1-1 脉冲回波法示意图Fig.1-1 The pulse-echo method提出了线聚焦超声显微镜法，通过1-2 a)所示。压电换能器产生瑞利射界角的射线(c-c’)在薄膜表面激发出能器转化为电压值。与此同时，垂两幅值相叠加。叠加后的电压 V 如式(1-8)所示，而电压 V 随距离 z V(z)曲线振荡周期△z，并已知水 = 1 (1 2 )212

激发脉冲,时间差,声波,方法

该方法需要一定的介质来传递声波，而这些介质往往不耐受高温、低温等极端条件。（2）激光检测技术超声显微镜等声学测速方法需要很高的频率，换能器很难实现，所以为提高频率，可利用激光替代压电换能器激发声波，此类方法有泵浦探测（Pump-probe）法[10][11]、光声（Laser-acoustic）法[12]、布里渊散射（Brillouinscattering）法[10][13][14]等。其中泵浦探测法原理如图 1-3a)所示，一束检测脉冲打在压电薄膜上发射-接收时间差为 R(t)。该时间差受到激发脉冲在薄膜入射点局部高能激发出的声波的调制，导致 R(t)变化，有激发脉冲和无激发脉冲的差值为△R(t)。由于激发脉冲在薄膜厚度方向不断来回反射，所以△R(t)呈周期性变化，如图 1-3b)所示。在图中可得到时间差，即声波在薄膜中往返的时间，进而可求得声速。例如：日本大阪大学 Ogi 等人[11]用该方法测得了 5.6nm-100nmPt 薄膜的 c33，而巴黎第六大学的 Rossignol 等人[10]也用该方法测得最薄 187μm 的 Al2O3和 Ni80Fe20多层薄膜的 c33。该方法主要用来测量薄膜的 c33。

曲线,布里渊散射

上海交通大学硕士学位论文振动或者声波场会引起介质密度（折射率）随时间和空间周期性起伏，从而引起布里渊散射。当一束光经介质反射后，出射角不再与入射角相等，而是形成散射角 θ。且散射光的频率也相对于入射光频率发生变化。频移量的大小 f 与散射方向以及介质内的声速 v 和声波波长 λ 有关，如式(1-9)。如图 1-4 a)，将散射光与光源同频率的参考光进行干涉，可测出散射光的频移，频移曲线如图 1-4b)所示，其中低频移峰为横波引起的，而高频移峰为纵波引起的。读出频移，再测出散射角，即可计算出声波波速，进而计算出弹性常数。 = 2 ( /2)（1-9）

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