Акустические измерения в ядерной энергетике - Способы возбуждения и регистрации упругих волн

ГЛАВА 2
ВОЗБУЖДЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИИ И ВОЛН В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1. СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ УПРУГИХ ВОЛН БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЬЕЗОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Типы возбудителей и регистраторов упругих колебаний и волн, используемые в ядерной энергетике, весьма разнообразны. Даже при исследовании одного и того же объекта в разных условиях может оказаться целесообразным применение различных типов или конструкций преобразователей. Например, преобразователи погружного типа, работающие в жидком натрии, обладают лучшими характеристиками при проведении исследовательских работ на быстрых реакторах, но в эксплуатационных условиях явно предпочтительны преобразователи с волноводами.

Используют следующие основные методы возбуждения колебаний: механические, радиационные, лазерные, электромагнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические. Регистрацию колебаний осуществляют с помощью емкостных, лазерных, электромагнитных, магнитострикционных и пьезоэлектрических методов. Магнитострикционные и пьезоэлектрические методы позволяют создать обратимые преобразователи. Емкостный метод измерения колебаний имеет электростатический аналог их возбуждения, однако последний практически не применяется из-за низкой эффективности преобразования энергии электрического поля в энергию механических колебаний.

Механические возбудители колебаний известны давно и используются практически и современной технике. Известно о применении возбудителей ударного типа для изучения вибрационных характеристик элементов конструкций ЯЭУ. Для калибровки АЭ-преобразователей Национальным бюро стандартов США разработан метол, использующий упругие волны, возникающие за счет механического разрушения (раздавливания) стеклянного капилляра.
Общий принцип действия механических возбудителей заключается в том, что тело небольших размеров (шарик, ударник) однократно или периодически ударяет по поверхности объекта исследования. Возникающие при ударе упругие деформации распространяются от места удара в виде упругих волн с широким спектром частот.
Для возбуждения УЗ-колебаний при измерениях в активной зоне исследовательского реактора успешно использовали шарики, сбрасываемые на поверхность образца с некоторой высоты (см. напр. (95)). Преимущества такого метода: простота, возможность возбуждения широкого спектра частот колебаний большой амплитуды, малое время контакта возбудителя колебаний (шарика) с исследуемым образцом (порядка долей миллисекунд), в результате чего даже при очень высокой температуре образца шарик не успевает заметно нагреться при ударе, а образец охладиться.

Спектр динамических ударных напряжений (для образцов с бесконечно большими размерами) приведен на рис. 2.1. Из него следует, что наиболее аффективно в данном случае возбуждаются колебания с частотами примерно до 100 кГц. Максимальная амплитуда смещений в точке возбуждении достигает 0,08 мм, что позволяет легко зарегистрировать колебания. Импульс, передаваемый образцу, с учетом потерь энергии на пластическую деформацию составляет несколько менее 2mv0≈0,98· 103 Н-с, т. е. достаточно большой и также легко может быть зарегистрирован преобразователями и устройствами интегрирующего типа, фиксирующими результат воздействия на образец.
В возбудителях подобного вида можно использовать периодические удары, а при очень большой частоте таких ударов может быть возбужден непрерывный акустический шум в широкой полосе частот. Для этого применяют в качестве ударяющих частиц песчинки или частицы порошка. Из формул (2.1) —(2.4) видно, что л по порядку величины равна верхней граничной частоте возбуждаемых колебаний, до которой их спектр можно считать постоянным.
Из (2.3) следует, что  αи увеличивается при уменьшении размера и плотности шарика. Последнее обеспечивается при использовании песка или мелкодисперсного порошка. Например, при исследовании характера распространения упругих волн в стенке корпуса реактора применяли источник, в котором мелкодисперсный порошок увлекался струей воздуха и поток частиц с силой разбивался о поверхность объекта исследования, создавая упругие волны с частотами до 1 — 1,5 МГц. Ясно, однако, что песчинки или частицы порошка имеют неправильную форму и различаются размерами, поэтому приведенные соотношения могут служить лишь для грубых оценок с использованием среднестатистических размеров частиц.

Рис. 3.1. Спектр ударных напряжений (числовая шкала частот приведена для образца из дюралюминия Д16Т) и сбрасывании стального шарика диаметром 3,175 мм с высоты 700 мм)

Радиационные методы возбуждения упругих волн основаны на локальном в пространстве и времени воздействии ионизирующих излучений на вещество, при этом возможны два основных механизма возбуждения упругих волн:

1. термоупругий, являющийся следствием локального выделения энергии в веществе, приводящего к местному разогреву, сопровождающемуся быстрым расширением вещества;
2. динамический, основанный на передаче механического импульса тормозящейся частицы или кванта веществу.

Экспериментальные результаты подтверждают основные положения изложенных представлений о генерации звука пучкам и заряженных частиц. В экспериментах на линейном ускорителе электронов ИЯИ АН СССк (72) длительность импульсов при генерации звука в воде составляла 1,4 мкс, частота повторения 50 имл/с, средний ток около 3 мкА, энергия электронов 20—50 МэВ, диаметр пучка после коллиматора 20 мм. Гидрофон диаметром 5 мм имел чувствительность 10 мкВ/Па на частотах до 200 кГц. Собственные шумы усилителя составляли 13 мкВ, что обеспечивало чувствительность 1,3 Па при отношении сигнал/шум, равном единице. Образующаяся термоакустическая антенна представляла собой расширяющийся конус с углом раскрытия около 10°, что было установлено измерением времени задержки от напала развертки осциллографа, запускаемой импульсной электромагнитной помехой, наводимой пучком в измерительных цепях, до начала акустического сигнала при разных положениях гидрофона. Сигнал имел характерную биполярную форму, максимум спектра приходился на частоты 20—30 кГц.
В [71] при взаимодействии пучков протонов энергией 200 МэВ (3,2-10—11 Дж) с мишенью из алюминия получены амплитуды упругих смещений порядка
10-11 м; количество взаимодействующих протоков в импульсе составляло 1010 при диаметре пучка 5 мм. Полученное значение смещения согласуется с теоретическими оценками.
Заметим, что акустические сигналы, возникающие при взаимодействии пучков заряженных частиц с веществом, можно использовать для оценки параметров самих пучков, характеристик полей энерговыделения, а также имитации акустического сигнала от каскадов, образованных высокоэнергетическими частицами космических излучений.
Динамический механизм приводит к возникновению радиационного давления на мишень, которое при отсутствии расхождения пучка вследствие рассеяния (тонкая мишень) вычисляется  по формуле
(2.14)
где n—плотность потока частиц, м-2-с-1; ∆l0—импульс, теряемый частицей в мишени. Например, при плотности тока 50 мкА/см2 ионов аргона с энергией 50 кэВ имеем p=0,6· 1013 м-2-с_1 и рr=0,1 М/м2. Радиационное давление возникает и исчезает при включении и выключении тока, т. е. можно получить импульсы давления с амплитудой 0,1 Н/м2 и длительностью, определяемой длительностью импульса облучении. Подобные импульсы могут быть зарегистрированы. Для сравнения укажем, что оценки по формуле (2.11) дают близкое к приведенному значение давления при толщине алюминиевой мишени 2 мм и длительности действия пучка порядка I икс, т. е. в случае возбуждения акустических волн потоком частиц динамический механизм может дать ощутимый вклад, а при малых длительностях импульсов оказаться преобладающим. Однако возможность регистрации столь коротких импульсов определяется не только амплитудой давления, но и их длительностью, т. е. энергией волн.
Лазерный метод возбуждения упругих волн имеет следующие достоинства:
отсутствие контакта с объектом — возбуждение может осуществляться на расстоянии в несколько десятков метров;
большие значения возникающих упругих напряжений — вплоть до предела текучести;
широкий спектр частот колебаний—до десятков мегагерц.
К его недостаткам следует отнести зависимость параметров упругих импульсов от состояния поверхности и термоупругих характеристик среды, низкую частоту следования импульсов, громоздкость и недостаточный ресурс работы оборудования. Часть этих недостатков может быть устранена, поэтому лазерный метод возбуждения в сочетании с бесконтактными методами регистрации колебаний (лазерной интерферометрией, электромагнитно-акустическим методом с регистрацией колебаний через воздух) считают перспективным для исследования высокотемпературных и труднодоступных объектов. Применительно к ядерной энергетике такие методы интенсивно разрабатываются, например в лаборатории неразрушающего контроля Британского атомного центра в Харуэлле.
Генерация упругих воли о твердых телах с помощью импульсных лазеров обусловлена тремя механизмами: 1) термо- оптическим, т. е. преобразованием световой энергии в тепло с последующим проявлением термоупругого механизма; 2) испарительным — передачей импульса при испарении частиц поверхности из-за ее нагрева; 3) разрушением приповерхностного слои.
Преобладание того или иного механизма генерации обусловлено интенсивностью облучении поверхности, что отражает диаграмма на рис. 2.4, где указаны также упругие напряжения, возникающие в зоне облучения (115). Обычно используют области термооптического и испарительного возбуждения при плотности потока энергии в импульсе до 200—300 МВт/см2. При длительности светового импульса 100 на давление в волне сжатия может достигать 107 Па и более. Для широкого интервала длительности импульсов сохраняется соотношение между механическим импульсом I0 и энергией Е0, полученными облученным объектом.

Частотный спектр возбуждаемых упругих импульсов может простираться до 30— 100 МГц.

При генерации по термооптическому механизму характер возникающих упругих импульсов сходен с рассмотренным для радиационного возбуждения, однако поглощение энергии в случае оптически непрозрачных сред сосредоточено в очень тонком поверхностном слое. Чтобы избежать повреждения поверхности, плотность энерговыделения уменьшают посредством расфокусировки лазерного луча, в частности придавая ему кольцевую форму с помощью телескопа Галилея и конической линзы [135].
Для оценки параметров упругих волн при лазерном методе возбуждения могут быть применены соотношения (2.9)—(2.12), для более точных расчетов—результаты работы [103]. В ней рассмотрена задача о термооптической возбуждении звука в металле при нормальном падении на его поверхность лазерного пучка, включаемого и выключаемого мгновенно (прямоугольный импульс). Интенсивность пучка принята распределенной по облучаемой поверхности в соответствии с гауссовским законом. При сделанных допущениях в пренебрежении затуханием получены выражения, описывающие продольные, поперечные и рэлеевские волны в изотропной среде, обладающей сдвиговой упругостью. В предположении малой длительности возбуждающего импульса, такой, что действие его прекращается задолго до того, как фронт упругой волны достигнет точки наблюдения, указанные выражения могут быть упрощены, но тем не менее расчетные формулы остаются достаточно сложными.
Более простые соотношения получены более 20 лет назад в работе, где теоретически проанализированы и экспериментально определены упругие напряжения и смещения в полубесконечном твердом теле, на плоскую границу которого воздействует лазерный импульс. Рассматривался случай, когда через оптически прозрачную среду луч падает на поверхность испытываемого непрозрачного образца, упругая волна регистрируется пьезодатчиком, закрепленным на противоположной
стороне образца. Прозрачная прослойка введена для оценки влияния акустического сопротивления на характер генерируемой упругой волны. Если образец имеет плотность и скорость продольной волны р и с, а прозрачный материал — р и Со, то коэффициент отражения R=0 при рс=р0С0, что эквивалентно действию плоского источника в объеме однородной среды. 

Рис. 2 .5. Лазерный импульс (а) и характер истин упругих импульсов, им порождаемых (б—г)
Достигаемое напряжение о волне составляет σmax= 0,5(ГQ/λ); в реальном случае τ0>0 и σmaх уменьшается по мере увеличения τ0, что может быть выражено формулой τ0∑=cl0/TQ, причем τ0=Σ в волне сжатия максимально при τ0=1,7, а в волне разрежения при τ0=1. Экспериментальные данные удовлетворительно соответствуют расчетным.
Искровой метод возбуждения упругих волн в твердых телах обладает преимуществами, заключающимися в простоте оборудовании и возможности получения мощных акустических импульсов с широким частотным спектром.
В [44] искровой метод возбуждения применен при исследовании свойств образцов материалов в интервале температур до 1100 К» Исследуемый электропроводный образец (диск диаметром 10—20 мм) устанавливался на торце одного из двух введенных в вакуумную камеру электродов, заостренный конец второго электрода находился на расстоянии нескольких миллиметров от верхней поверхности образца.

Камеру заполняли аргоном при давлении 700—2600 H/м2 (5—20 мм рт. ст.). Между электродами прикладывали постоянное электрическое напряжение от универсального источника питания и переменное напряжение от одной из фаз сетевого напряжения. При соответствующем подборе постоянного и переменного напряжений в разрядном промежутке с частотой 50 раз в секунду возникал искровой разряд, возбуждавший свободные колебания образца, регистрировавшиеся пьезопреобразователем через нижний электрод, который одновременно выполнял роль звукопровода. Преимуществом искрового метода в данном случае являлась возможность бесконтактного возбуждения колебаний в произвольной точке поверхности образца, что позволило повысить точность и надежность измерения собственных частот.

Электромагнитно-акустический метод основан на взаимодействии магнитного поля возбуждающего электромагнита с наводимым магнитным полем (в случае ферромагнитного объекта) или с магнитным полем вихревых токов (в случае электропроводящего неферромагнитного материала объекта). Основная область применения этого метода — контроль движущихся, в частности высокотемпературных, объектов (рельсы, прокат и т. д.), причем могут быть возбуждены и зарегистрированы волны разных типов. Зазор между преобразователем и объектом составляет несколько миллиметров или их доли, поэтому решение специфических задач ядерной энергетики с помощью данного метода затруднительно.
Метод возбуждения колебаний через воздух малоэффективен из-за больших потерь акустической энергии при распространении звука по воздуху, низкой эффективности излучения колебаний в воздух, малого коэффициента прохождения звуковой энергии из воздуха в твердое тело. В связи с разработкой сравнительно эффективных излучателей и приемников, работающих на изгибных колебаниях [80], метод может оказаться перспективным при исследованиях и контроле тонколистовых материалов.
Бесконтактные методы регистрации упругих колебаний.
К числу бесконтактных методов можно отнести емкостный, электромагнитно-акустический, оптический. Электромагнитно- акустическому методу регистрации присущи те же ограничения, что и соответствующему методу возбуждения. Поэтому электромагнитные преобразователи мало используются для регистрации сигналов. Это связано с их большей конструктивной сложностью и невысокой чувствительностью по сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями. Например, чувствительность электромагнитного преобразователя оценивается в 10 мВ/(МГц-А-Т), что при магнитной индукции 0,5Т (5 кГс) в случае регистрации колебаний с амплитудой 10 А позволяет получить выходной электрический сигнал напряжением 50 мкВ на частоте 1 МГц и 5 мкВ на частоте 100 кГц (напряжение сигнала электромагнитного преобразователя пропорционально скорости колебательного движения, которая при неизменной амплитуде колебаний пропорциональна их частоте). Для сравнения укажем, что пьезопреобразователь в аналогичных условиях обеспечивает получение сигнала порядка 1 мВ, т. е. на несколько порядков больше.

Емкостный метод целесообразно использовать в некоторых исследовательских работах, где необходимо точно измерить амплитуду колебаний отдельных участков поверхности. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, один электрод которого неподвижен, второй—поверхность колеблющегося тела. Изменение зазора при колебаниях приводит к изменению емкости конденсатора, регистрируемому хорошо известными в радиотехнике методами. Простейшая схема включения емкостного преобразователя предусматривает наличие источника смещения V  и нагрузочного сопротивления, а также разделительного конденсатора, предотвращающего появление высокого потенциала на выходе схемы. Заряд на емкости С преобразователя, равный Q—CU, остается постоянным при не слишком медленных колебаниях емкости.
Выходное напряжение составляет dUвых=E(dh/h), где h — расстояние между электродами; dh— колебательное смещение подвижного электрода. Для лучших образцов емкостных преобразователей h≈5·106 и (5 мкм). Полагая E=250 В, для чувствительности преобразователя получим: dUвых/dh=E/h= =5-10+7 В/м, (50 мВ/нм), что примерно на два порядка хуже, чем у пьезоэлектрических преобразователей. Напряженность электрического поля между пластинами преобразователя (порядка 50 кВ/мм) близка к предельно допустимой с точки зрении пробоя. Это также является недостатком преобразователей подобного типа.
От указанного недостатка свободны схемы, в которых емкостный преобразователь включен в колебательный контур электрического генератора. При зазоре 5 мкм изменения емкости составляют 0,2%/нм, что приведет к изменению частоты генератора на 0,01%/нм. При нестабильности частоты последнего 10-5-10-6 порядок пороговой чувствительности преобразователя можно оценить как 10-10-1011 м. Примерно такую же чувствительность, но при более локализованной регистрации на поверхностях сложной формы, позволяет получить емкостный преобразователь с проволочным зондом [123]. Высокая предельная чувствительность (~10-11 м) достигается за счет очень малого зазора между электродом и объектом. Стабильность зазора обеспечивается следящей системой с обратной связью по перемещению, при этом должны быть приняты меры по виброизоляции системы. Выходной сигнал составляет около 7 мВ/нм при рабочей частоте генератора 910 МГц.
Достоинства емкостных преобразователей: отсутствие резонансов до частот, исчисляемых десятками мегагерц, и простота определения чувствительности преобразователя, которое сводится к измерению зазора между пластинами. Указанные достоинства и недостатки обусловили преимущественное использование преобразователей емкостного типа при лабораторных исследованиях: для определения энергетических характеристик процессов и градуировки преобразователей других типов. При измерении энергии колебаний необходимо учитывать дополнительную емкость соединительных цепей, а также тот факт, что значительная часть энергии может быть сконцентрирована в низкочастотной области спектра, где преобразователь имеет очень высокий выходной импеданс и использование простейшей схемы связано с дополнительными погрешностями.
Определенные преимущества даст замена плоского электрода сферическим, в результате чего снижаются требования к чистоте и профилю исследуемой поверхности, локализуется зона, с которой воспринимаются колебания, что позволяет исследовать профиль поверхностной волны на частотах 5 МГц и более, уменьшаются размеры датчика, упрощается его юстировка. Однако указанные преимущества достигаются ценой снижения чувствительности из-за уменьшения емкости преобразователя. Последняя рассчитывается по формуле (121)

где α —радиус сферы; α=(chd/α)-1; d— расстояние между центром сферы к исследуемой поверхностью. При зазоре в несколько микрометров и постоянном напряжении смешения 200 В можно измерить смещения порядка нанометров. Например, при диаметре электрода 4 мм и зазоре 4 мкм емкость преобразователя составляет 0,9 пФ, а чувствительность—3Х 10-3 Ф/м, что при напряжении смещения 200 В в случае применения зарядового усилителя с чувствительностью
мВ/пФ дает значение чувствительности 1,5 мВ/нм. Оптические методы регистрации колебаний привлекательны в силу их бесконтактности и без инерционности, что позволяет дистанционно регистрировать сигналы с частотами до 1012 Гц. Основной проблемой до сих пор остается сравнительно низкая чувствительность оптических методов, обычно на 4—6 порядков уступающая чувствительности пьезоэлектрических. Хотя по существующим оценкам порог чувствительности лазерно-интерферометрических систем может достигать 10-15 м (65), в обычных условиях измерение колебаний с их помощью становится невозможным при амплитудах внешних вибраций порядка 0,1 мкм, характерных для обычных лабораторных условий.

Применением специальных мер удается снизить амплитуду вибраций на два порядка, однако с учетом подверженности интерферометрических систем воздействию внешних акустических шумов и атмосферных флуктуации следует признать, что реальная чувствительность подобных систем существенно уступает чувствительности пьезоэлектрических и составляет около 10-11 м на частотах до 30 МГц.

В [115] списана установка, в которой для измерения сверхмалых смещений внутри лазерного резонатора помещали ячейку с острым резонансом. Измерения проводили с помощью Не — Ne-лазера (λ=3,39 мкм) и метановой ячейки. Использовались резонансы в метане шириной 50 кГц и мощностью около I мВт. На одно из зеркал резонатора подавалось периодическое возмущение. На базе 5 м достигнута чувствительность 6·10-10 м.
Звуковые поля могут быть зарегистрированы с помощью фазо- и амплитудочувствительных волоконно-оптических датчиков. Такие датчики содержат источник света (лазер), оптико-волоконную систему, частично или полностью подвергаемую воздействию звукового поля, оптический детектор и схему обработки сигналов. Расщепленный луч лазера направляется на опорный и регистрирующий волоконно-оптические элементы. Звуковая волна изменяет фазу света в регистрирующем элементе, поэтому сдвиг фаз в двух элементах после сложения их выходных световых пучков приводит к изменению амплитуды. Сдвиг фазы обусловлен изменением длины элемента н показателя преломления волокна. При больших длинах чувствительного волокна (свиваемого в плоскую катушку) чувствительность подобных преобразователей в воде намного превосходит чувствительность пьезоэлектрических гидрофонов (рис. 2.6). Можно надеяться на эффективное использование волоконно-оптических преобразователей для регистрации акустических волн через воздух.