Лаборатория акустики твердого тела
Чем занимаются в лаборатории в общих словах?
Мы занимаемся экспериментальными исследованиями нелинейных упругих свойств твердых тел при внешних воздействиях: приложении электрического поля, механических напряжений, изменении температуры. Нелинейные упругие свойства более чувствительны, чем линейные, к изменениям микроструктуры, связанной с изменением состава при легировании, возникновении дефектов или взаимодействии с электронной, магнитной или иной подсистемой. Это служит основой для развития новых методов нелинейной акустической диагностики. В последнее время мы большое внимание уделяем исследованию упругих свойств метаматериалов и фононных кристаллов, а также влияния 3D-печати на нелинейные упругие свойства полимеров.
Под фононными кристаллами (рисунок 1) и метаматериалами понимаются искусственные периодические структуры, новые, необычные волновые характеристики которых определяются не только упругими свойствами составляющих их материалов, но и в значительной степени геометрией. Подбирая соответствующую геометрию, можно добиться эффективного поглощения звука, задавать полосы пропускания, создать акустическую линзу или улучшить акустическое согласование различных сред. В метаматериалах можно, например, добиться изменения характера преломления — помимо обычного (положительного), может быть также нулевое и отрицательное преломление. Помимо фильтрации, коллимации, фокусировки, поглощения или усиления звука, акустические метаматериалы обеспечивают такие новые эффекты, как акустическая маскировка или акустическая прозрачность. Один из таких примеров на рисунке 2. Помимо традиционных методов, для изготовления акустических метаматериалов все шире применяется 3D-печать.
Можете привести пример диагностики?
Рассмотрим деталь в машине. Во время езды машина трясется, деталь периодически изгибается — это называется циклической нагрузкой. При таких нагрузках внутри металла возникают микротрещины. Наступает момент, когда трещины начинают расти, и деталь трескается. Особенно важно отслеживать такие процессы в автомобиле- и самолетостроении и менять деталь вовремя.
Первая мысль, которая может возникнуть — «просветить» деталь рентгеновским или другим электромагнитным излучением. Проблема в том, что металлы такое излучение активно поглощают и отражают, поэтому исследовать деталь не получится. Другой способ — запустить в детали акустическую волну и посмотреть, как волна изменится при прохождении через деталь. Если частота на входе и выходе совпадает, то говорят, что работает линейное приближение, и деталь целая. Если же внутри детали много микротрещин, то кроме основной частоты детектор обнаружит высшие гармоники — волны с частотой, кратной исходной. Это происходит потому, что трещина «хлопает»: на сжатие упругость трещины линейная, а на разжимание нулевая. Такая модель упругости называется билинейной.
Что значит слово «нелинейность» в акустике?
Нелинейность в акустике означает, что нарушается линейность закона Гука: помимо линейного слагаемого появляются квадратичные, кубичные и т.д. Это приводит к возникновению нелинейных эффектов — генерации гармоник, появлению комбинационных частот. Принято выделять два типа нелинейности: так называемую физическую, обусловленную особенностями сил межатомного взаимодействия и структурную, обусловленную надмолекулярной структурой образца. Например, для металлов структурная нелинейность связана с дефектной структурой (границами зерен, микротрещинами, выделениями другой фазы, внутренними напряжениями).
Вы больше экспериментаторы или теоретики?
Лаборатория больше специализируется на эксперименте. Мы ищем новые интересные теоретические работы и ставим эксперименты по проверке теории. Если студент умеет хорошо работать руками, то он займется проведением эксперимента. Если же студент склонен к численному моделированию, то его задачей будет моделирование и сравнение результатов численного моделирования и эксперимента.
Дальше мы пройдемся по лаборатории и посмотрим на интересные экспериментальные установки.
Автоматизированная эхо-импульсная установка
Проводить исследование нелинейных упругих свойств твердого тела удобнее всего с использованием нелинейного варианта эхо-импульсного метода. Для этого используется мощный ультразвуковой генератор и приемник. Генератор создает электрический гармонический сигнал заданной частоты и амплитуды, который поступает на пьезоэлектрический преобразователь и превращается в механические колебания. Эти механические колебания вызывают звуковую волну в образце, которые затем детектируются вторым преобразователем. На излучающий преобразователь подается волна основной частоты, а принимается не только первая, но и вторая, и высшие гармоники (и субгармоники, и комбинационные частоты, если они есть). Принятый сигнал усиливается и проходит необходимую математическую обработку, а затем подается на экран осциллографа и архивируется. Для работы этой установки были написаны (в том числе с участием студентов) с помощью LabView (и языка Си++) специальные интерфейсы. Это базовая установка, работающая в трех вариантах – с ее помощью можно исследовать нелинейные акустические эффекты в зависимости от частоты и амплитуды, от приложенного внешнего механического напряжения и при изменении температуры (от 77К до 400 К).
Сканирующий лазерный виброметр
Предыдущая установка содержит много самодельных элементов. В лаборатории имеется и полностью готовый прибор заводского изготовления— сканирующий лазерный виброметр. Принцип его работы похож на спидометр в руке у полицейских на дороге. Прибор направляет звуковую волну в машину, волна отражается от машины и регистрируется прибором. По смещению частоты (эффект Доплера) определяется скорость.
Применение лазерного виброметра выглядит так. В образец запускается акустическая волна и он начинает вибрировать. Виброметр «пробегает» лазерным лучом заданное количество точек на образце и регистрирует их скорость. Затем полученные данные отправляются в компьютер и обрабатываются. Получается карта скоростей точек в образце в заданные моменты времени, причем точки задаются с точностью до 0.1 миллиметра. Из этих данных затем восстанавливается форма волны.
Установка для реализации метода нелинейной резонансной акустической спектроскопии
Для исследования нелинейных упругих свойств вещества применяются не только импульсные, но и непрерывные методы. В установке для реализации метода нелинейной резонансной акустической спектроскопии основным является синхронный детектор — прибор, который не только генерирует зондирующий сигнал, который подается в образец, но и принимает результирующий сигнал и определяет его спектральный состав, амплитуду и фазу. Отличие данной установки от предыдущей, помимо импульсного или непрерывного характера сигнала, заключается также в диапазоне рабочих частот: если импульсная установка работает в диапазоне частот 200 кГц - 40 МГц, то непрерывная — от 1 Гц до 100 кГц. Метод синхронного детектирования очень чувствительный, что позволяет снимать точные резонансные характеристики исследуемых образцов для определения резонансной частоты и добротности.
Фотоакустическая установка
При проведении фотоакустических измерений поверхность образца освещается модулированным по интенсивности лазерным излучением. При его поглощении поверхность образца периодически нагревается и охлаждается, и в результате возникает акустическая волна. Это еще один способ возбуждать акустические волны, а этот раздел физики называется фотоакустикой. Фотоакустический метод позволяет исследовать изменения оптических, тепловых, упругих характеристик вещества. Фотоакустическая установка у нас в лаборатории существует в двух вариантах — для дефектоскопии приповерхностных областей и для исследования фазовых переходов при температурах вплоть до температуры жидкого азота. В первом случае лазерное излучение по световоду подается на поверхность образца, который может перемещаться относительно него в двух взаимно перпендикулярных направлениях, осуществляя сканирование. Во втором случае измерительная ячейка с исследуемым образцом располагается в сосуде Дьюара, в который наливается жидкий азот. Из-за испарения азота возникает градиент температуры от комнатной сверху до жидкого азота снизу. Регулируя глубину погружения образца в пары азота, мы можем регулировать температуру.
Что вы можете порекомендовать для углубления в изучение акустики?
Советую почитать классический учебник «Введение в физическую акустику» В.А. Красильникова и В.В. Крылова. В нем освещены многие основные аспекты акустики, и ознакомиться с ним точно будет полезно. В современных областях акустики все двигается очень быстро, выходит много узкопрофильных статей. Нет такого, что для поступления к нам вы должны знать «раз, два, три» — мы всему научим. Но если хочется заниматься акустикой именно в нашей лаборатории, можно взять профильные статьи по нашей тематике.
А если рассматривать что-то из базовых курсов?
Из базовых курсов – механика, молекулярная физика, оптика, теоретическая механика. Главное, чтобы студент интересовался физикой и, в частности, проведением экспериментов. Если вы собираетесь заниматься численным моделированием, вам нужно также разбираться в программировании и быть готовым освоить новый язык или комплекс программ. Поскольку у нас в лаборатории больше эксперимента, можно обратить больше внимания на практикумы.
Какие традиции есть на кафедре и/или в лаборатории?
Из традиций — на кафедре есть традиция вручать выпускникам камертон. Мы поддерживаем теплую связь с выпускниками — они приходят читать лекции, пишут письма. Некоторые из них работают в институтах РАН и берут к себе новых выпускников в аспирантуру или на работу.
Чем можно заниматься после кафедры акустики или конкретно вашей лаборатории?
Выпускники уходят и в науку, и в другие сферы. Некоторые остаются, собственно, в акустике – например, в компаниях, занимающихся акустическим оформлением помещений (в том числе звукоизоляцией), работают с акустическими системами на телевидении, в компаниях по неразрушающей дефектоскопии газопроводов и самолетов. Многие выпускники нашей кафедры продолжили свою карьеру в сфере IT – как в крупных компаниях типа mail.ru, так и в небольших фирмах. Еще мы стараемся подключать студентов в статьи и гранты, если они приходят и работают с энтузиазмом. Мы публикуемся в хороших журналах за счет того, что исследуем актуальные задачи современной акустики.
Про лабораторию рассказал м.н.с. Кокшайский Алексей Иванович. Если вам интересно узнать еще больше о лаборатории и кафедре, пишите на почту: super-trouper@mail.ru
