7.1.2. Термічні способи збудження акустичних хвиль

При раптовому швидкодійному локальному нагріві тіла (тепловому ударі) виникають механічні напруження, викликані тепловим розширенням. Цей процес супроводжується випромінюванням звукової хвилі. У разі короткочасного теплового удару (порядку 10 нс) формується ударна хвиля. Якщо термоудар відбувається на поверхні твердого тіла, можуть виникнути хвилі всіх типів, хоча є можливість переважного збудження хвиль певного типу.

Створити термоудар можна шляхом випромінювання на поверхню тіла електромагнітних хвиль (мікрохвиль, інфрачервоних, видимих, ультрафіолетових) або з використанням електророзряду.

У медичній хірургії термоудар використовувався для збудження в рідині гідравлічного удару, тобто ударної акустичної хвилі, що призводить до руйнування мінеральних твердих утворень в органах людини. Термоудар створюється в результаті імпульсного перегоряння відрізка тонкої провідникової нитки під дією імпульсу електричного струму.

Термоудар може створюватися в зоні взаємодії лазерного променя з поверхнею об'єкта. Форма імпульсу звукової хвилі приблизно відповідає формі імпульсу світла. Для діапазону частот, типового в практиці ультразвукового контролю ( близько 1…30 МГц), найбільше підходить дзвоноподібна форма імпульсу світла тривалістю близько 100 нс.

Якщо необхідні більш високі частоти звуку (50…500 МГц), слід застосовувати імпульси світла тривалістю 15…20 нс.

Під час збудження звуку світловими імпульсами виникають хвилі всіх типів (рис. 7.5), проте вирішальним чинником є площа збуджувальної поверхні і крутизна температурного градієнта. Так, за крутого температурного градієнта на ділянці, меншій від довжини хвилі, збуджуються в основному поверхневі хвилі. У разі збудження великої площі напрямлено випромінюватимуться звукові хвилі, довжини яких малі порівняно з діаметром сфокусованої плями світла (високі частоти), тоді як довгі хвилі (низькі частоти) поширюються всередину, як сферичні хвилі. В широкому спектрі частот ударної хвилі ці процеси відбуваються одночасно.

Рис. 7.5. Збудження звуку в ОК шляхом термоудару:

1 – лазерний промінь; 2 – поверхнева хвиля; 3 – поперечна хвиля; 4 – подовжня хвиля.

Оскільки швидкість світла велика порівняно зі швидкістю звуку, характеристика напрямленості випромінювання звуку не залежить від кута падіння світла.

Для випромінювання під певним кутом потрібно створити лінійку точкових випромінювачів (рис. 7.6), розташованих на відстані один від одного, що збуджуються із взаємною часовою затримкою (див. розділ 5).

Р ис. 7.6. Напрямлене випромінювання звуку під кутом за розподіленого термоудару.

Оскільки збуджений термоударами хвильовий фронт формується за принципом Гюйгенса, а спектральний склад акустичних сигналів складний і широкосмуговий, можна погодитися з думкою, що випромінювання буде напрямленим для частот, на яких виконується умова , де – довжина хвилі в ОК.

Перевагою лазерного збудження є його безконтактність, тобто збудження відбувається на відстані без механічного контакту з ОК. Таке перетворення не має властивості оберненості, а тому потребує для приймання акустичних коливань використання інших методів, наприклад, інтерферометричних.