【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各類(lèi)新型材料不斷涌現(xiàn),快速、準(zhǔn)確地測(cè)定各類(lèi)新型材料彈性常數(shù)在提高材料性能、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、確保器件安全可靠等方面發(fā)揮著極其重要的作用。相比其它材料表征方法,超聲共振譜法(Resonant Ultrasound Spectroscopy,簡(jiǎn)稱(chēng)RUS)具有測(cè)量精度高、適用面廣、不受材料形狀大小限制等優(yōu)點(diǎn),可以用單一試樣測(cè)得全套彈性常數(shù),在材料無(wú)損表征中得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)壓電、薄膜等多種材料彈性常數(shù)的測(cè)量,本文設(shè)計(jì)并搭建了測(cè)量超聲共振譜的硬件裝置,并利用測(cè)得的超聲共振譜進(jìn)行逆運(yùn)算得到了精確的彈性常數(shù)。對(duì)于硬件部分,提出了一種寬頻帶激勵(lì)的方法,提高了超聲共振譜的頻率分辨率。軟件部分,研究了本征頻率的正向計(jì)算方法,介紹了群論在頻譜擬合時(shí)的應(yīng)用,并將群論推廣到了層狀結(jié)構(gòu),提出了用粒子群算法進(jìn)行最優(yōu)化擬合以減少迭代次數(shù)。為確保設(shè)計(jì)的可行性,本文基于有限元的方法對(duì)超聲共振譜進(jìn)行了計(jì)算及誤差分析。主要分析了試樣大小、預(yù)緊力、試樣夾持角度等因素對(duì)測(cè)量精度的影響,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。針對(duì)現(xiàn)有的超聲共振譜儀器無(wú)法測(cè)得薄膜c_(33)、c_(44)等彈性常數(shù),本文提出了一種新型試樣設(shè)計(jì)方法,即在試樣的襯底上腐蝕一個(gè)小孔,從而人為構(gòu)造出許多薄膜相關(guān)的模態(tài),使得c_(33)的靈敏度系數(shù)從5%提高到了400%,c_(44)的靈敏度系數(shù)從0.1%以下提高到了30%。最后,搭建了超聲共振譜儀器,分別用寬頻帶激勵(lì)和窄帶激勵(lì)測(cè)出了鋁塊的超聲共振譜,進(jìn)而用粒子群算法逆運(yùn)算得到了彈性常數(shù),初步驗(yàn)證了儀器正、逆運(yùn)算算法的快速收斂性及準(zhǔn)確性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH89
【圖文】：

圖 1-1 脈沖回波法示意圖Fig.1-1 The pulse-echo method提出了線(xiàn)聚焦超聲顯微鏡法，通過(guò)1-2 a)所示。壓電換能器產(chǎn)生瑞利射界角的射線(xiàn)(c-c’)在薄膜表面激發(fā)出能器轉(zhuǎn)化為電壓值。與此同時(shí)，垂兩幅值相疊加。疊加后的電壓 V 如式(1-8)所示，而電壓 V 隨距離 z V(z)曲線(xiàn)振蕩周期△z，并已知水 = 1 (1 2 )212

該方法需要一定的介質(zhì)來(lái)傳遞聲波，而這些介質(zhì)往往不耐受高溫、低溫等極端條件。（2）激光檢測(cè)技術(shù)超聲顯微鏡等聲學(xué)測(cè)速方法需要很高的頻率，換能器很難實(shí)現(xiàn)，所以為提高頻率，可利用激光替代壓電換能器激發(fā)聲波，此類(lèi)方法有泵浦探測(cè)（Pump-probe）法[10][11]、光聲（Laser-acoustic）法[12]、布里淵散射（Brillouinscattering）法[10][13][14]等。其中泵浦探測(cè)法原理如圖 1-3a)所示，一束檢測(cè)脈沖打在壓電薄膜上發(fā)射-接收時(shí)間差為 R(t)。該時(shí)間差受到激發(fā)脈沖在薄膜入射點(diǎn)局部高能激發(fā)出的聲波的調(diào)制，導(dǎo)致 R(t)變化，有激發(fā)脈沖和無(wú)激發(fā)脈沖的差值為△R(t)。由于激發(fā)脈沖在薄膜厚度方向不斷來(lái)回反射，所以△R(t)呈周期性變化，如圖 1-3b)所示。在圖中可得到時(shí)間差 ，即聲波在薄膜中往返的時(shí)間，進(jìn)而可求得聲速。例如：日本大阪大學(xué) Ogi 等人[11]用該方法測(cè)得了 5.6nm-100nmPt 薄膜的 c33，而巴黎第六大學(xué)的 Rossignol 等人[10]也用該方法測(cè)得最薄 187μm 的 Al2O3和 Ni80Fe20多層薄膜的 c33。該方法主要用來(lái)測(cè)量薄膜的 c33。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文振動(dòng)或者聲波場(chǎng)會(huì)引起介質(zhì)密度（折射率）隨時(shí)間和空間周期性起伏，從而引起布里淵散射。當(dāng)一束光經(jīng)介質(zhì)反射后，出射角不再與入射角相等，而是形成散射角 θ。且散射光的頻率也相對(duì)于入射光頻率發(fā)生變化。頻移量的大小 f 與散射方向以及介質(zhì)內(nèi)的聲速 v 和聲波波長(zhǎng) λ 有關(guān)，如式(1-9)。如圖 1-4 a)，將散射光與光源同頻率的參考光進(jìn)行干涉，可測(cè)出散射光的頻移，頻移曲線(xiàn)如圖 1-4b)所示，其中低頻移峰為橫波引起的，而高頻移峰為縱波引起的。讀出頻移，再測(cè)出散射角，即可計(jì)算出聲波波速，進(jìn)而計(jì)算出彈性常數(shù)。 = 2 ( /2)（1-9）

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本文編號(hào)：2801369