Thesis by MOROZOV Andrey
Study of piezoelectrical transducers vibrations using laser vibrometry and acoustic holography.
Defended on 19 january 2006
The surfaces of piezoelectric transducers vibrate non-uniformly, due to transducer structure (e.g. phased arrays) or due to excitation of Lamb waves at their surface. The knowledge of surface vibration character can be used for precise prediction of radiated acoustic fields and for creation of transducers with predefined properties. However, up to now there are no reliable direct methods of surface vibration measurement in liquids. In our works, the new acoustic holography method for study of piezoelectric transducer surface vibrations was developed. The method includes a measurement of wave amplitude and phase in many points of a plane grid in front of the source, numerical time reversal of a wave front, and back propagation of the field to the source using the Rayleigh integral. The method of acoustic holography was experimentally used for study of many acoustic sources of different forms, sizes and frequencies, including piezocomposite transducers and medical ultrasonic scanners. It was shown that the method allows reconstruction of the source vibrations with high precision and spatial resolution. The technique was successfully used to reveal the character of surface damages of broken or overheated transducers. The reconstructed velocity distribution over transducer surface was also used to predict the radiated acoustic pressure in space. It was shown that developed method gives much more precise results than the prediction based on assumption of uniform vibrations, which is frequently used. The existing direct and indirect methods of surface vibration study were considered, and the advantages of the developed acoustic holography method over other methods were revealed. In addition to the holographic approach, the vibrations of piezoelectric transducers were studied directly using laser vibrometer in air, water and glycerin. A special study was performed, and it was shown experimentally, numerically and theoretically that this well-developed method gives wrong results when measurements are performed in liquids, because of strong acousto-optic interaction in the condensed media. The techniques for modeling of laser vibrometer indications in liquids were developed. The character of acousto-optic distortions in transient and continuous wave (c.w.) regimes was investigated numerically and experimentally. The ways to reduce the errors induced by acousto-optic interaction by applying the numerical corrections were considered. The experimental technique of measurements with laser vibrometer was expanded to record all the time-dependent waveform in every point of a transducer. The space-time surface vibrations of piezoceramic and piezocomposite transducers and the processes of Lamb waves generation and propagation on their surfaces were investigated in transient and c.w. regimes in air and in liquids.
Etude de la vibration des transducteurs piézoélectriques par vibrométrie laser et holographie acoustique.
Soutenue le 19 January 2006
La surface des transducteurs piézoélectriques vibre de façon non uniforme soit en raison de défauts inhérents à leur fabrication soit en raison des ondes de surface qui sont générées à chaque interface. La connaissance de la répartition spatiale de la distribution de vitesse est indispensable si l’on veut prédire de façon précise le champ rayonné par le transducteur. Actuellement, il n’existe aucune méthode permettant de mesurer directement la pression à la surface des transducteurs lorsqu’ils sont plongés dans un liquide. L’objectif de ce travail est de répondre à cette question. Dans une introduction seront présentés successivement les applications des ultrasons, les principales technologies de transducteurs utilisés pour générer ces ondes et enfin les différentes techniques, optiques et acoustiques, d’imagerie développées pour mesurer les déplacements vibratoires d’une surface. Ce chapitre introduit également la méthode holographique qui est à la base du travail proposé. Dans ce travail la nouvelle méthode holographique pour étudier la distribution de vitesse à la surface des transducteurs est présentée. Cette méthode nécessite de mesurer la pression en amplitude et en phase en tout point d’une surface située à distance du transducteur. Par propagation inverse de l’onde en utilisant l’intégrale de Rayleigh il est possible de remonter à la distribution de la vitesse à la surface du transducteur. Cette méthode est testée expérimentalement sur différentes sources incluant des piézocomposites, des piézocéramiques et des transducteurs de formes quelconques présentant ou non des défauts. A cette occasion, il est mis en évidence l’importance des ondes de Lamb qui modifient de façon importante la distribution de la vitesse à la surface des transducteurs. Connaissant la distribution de vitesse il est alors possible de calculer le champ ultrasonore par la méthode de Rayleigh. La comparaison entre le champ mesuré et celui calculé après détermination de la vitesse permet d’une part de valider la méthode holographique et d’autre part de montrer que le modèle piston généralement utilisé ne permet qu’une approche grossière de la distribution dans l’espace du champ de pression. La deuxième partie du travail, qui apparaît dans le texte en premier lieu pour un aspect didactique, a eu pour but de déterminer la mesure de la distribution de la vitesse à la surface de piézocomposite ou de piézocéramique dans l’air dans l’eau et dans la glycérine par une méthode de vibrométrie Laser. L’ensemble expérimental est décrit : il demande de nombreuses précautions si l’on veut obtenir des images avec une résolution de l’ordre de 10 micromètres. Si les mesures dans l’air ne semblent pas contestables, il apparaît que les mesures dans les liquides sont entachées d’erreurs importantes en raison de l’interaction acousto-optique. Il est possible de tenir compte de cette interaction uniquement si le champ de pression est connu. Ce cas se rencontre uniquement pour des transducteurs générant des ondes planes. Les erreurs induites sont analysées théoriquement et expérimentalement en régime monochromatique et en régime pulsé. Des possibilités pour corriger ces erreurs induites par l’effet acousto optique sont proposées. La technique de mesure utilisant le vibromètre laser est utilisée pour enregistrer la forme temporelle en chaque point de différents transducteurs. Il est ainsi possible de mettre en évidence de façon claire la génération et la propagation des ondes de Lamb en régime monochromatique et impulsionnel. En conclusion, la vibrométrie laser apparaît comme un outil précieux pour déterminer le comportement de transducteurs piézocomposite ou piézocéramique lorsque les mesures sont effectuées dans l’air. Cette technique permet de mettre en évidence des modes de vibrations perturbateurs comme par exemple des ondes de surface. La vibromètrie laser ne peut être employée comme telle lorsque les mesures sont effectuées dans un liquide en raison de l’interaction acousto-optique. Une étude théorique donne l’importance de cette interaction. Celle-ci peut être déterminée précisément pour le cas particulier d’une onde plane. La méthode holographique proposée dans ce travail permet de mesurer la distribution de la vitesse à la surface de tout transducteur immergé. La confirmation de la valeur exacte des mesures a pu être faite en re-propageant l'onde à partir des mesures calculées à la surface du transducteur. La méthode apparaît donc comme novatrice et prometteuse.
Defended on 19 january 2006
The surfaces of piezoelectric transducers vibrate non-uniformly, due to transducer structure (e.g. phased arrays) or due to excitation of Lamb waves at their surface. The knowledge of surface vibration character can be used for precise prediction of radiated acoustic fields and for creation of transducers with predefined properties. However, up to now there are no reliable direct methods of surface vibration measurement in liquids. In our works, the new acoustic holography method for study of piezoelectric transducer surface vibrations was developed. The method includes a measurement of wave amplitude and phase in many points of a plane grid in front of the source, numerical time reversal of a wave front, and back propagation of the field to the source using the Rayleigh integral. The method of acoustic holography was experimentally used for study of many acoustic sources of different forms, sizes and frequencies, including piezocomposite transducers and medical ultrasonic scanners. It was shown that the method allows reconstruction of the source vibrations with high precision and spatial resolution. The technique was successfully used to reveal the character of surface damages of broken or overheated transducers. The reconstructed velocity distribution over transducer surface was also used to predict the radiated acoustic pressure in space. It was shown that developed method gives much more precise results than the prediction based on assumption of uniform vibrations, which is frequently used. The existing direct and indirect methods of surface vibration study were considered, and the advantages of the developed acoustic holography method over other methods were revealed. In addition to the holographic approach, the vibrations of piezoelectric transducers were studied directly using laser vibrometer in air, water and glycerin. A special study was performed, and it was shown experimentally, numerically and theoretically that this well-developed method gives wrong results when measurements are performed in liquids, because of strong acousto-optic interaction in the condensed media. The techniques for modeling of laser vibrometer indications in liquids were developed. The character of acousto-optic distortions in transient and continuous wave (c.w.) regimes was investigated numerically and experimentally. The ways to reduce the errors induced by acousto-optic interaction by applying the numerical corrections were considered. The experimental technique of measurements with laser vibrometer was expanded to record all the time-dependent waveform in every point of a transducer. The space-time surface vibrations of piezoceramic and piezocomposite transducers and the processes of Lamb waves generation and propagation on their surfaces were investigated in transient and c.w. regimes in air and in liquids.
Etude de la vibration des transducteurs piézoélectriques par vibrométrie laser et holographie acoustique.
Soutenue le 19 January 2006
La surface des transducteurs piézoélectriques vibre de façon non uniforme soit en raison de défauts inhérents à leur fabrication soit en raison des ondes de surface qui sont générées à chaque interface. La connaissance de la répartition spatiale de la distribution de vitesse est indispensable si l’on veut prédire de façon précise le champ rayonné par le transducteur. Actuellement, il n’existe aucune méthode permettant de mesurer directement la pression à la surface des transducteurs lorsqu’ils sont plongés dans un liquide. L’objectif de ce travail est de répondre à cette question. Dans une introduction seront présentés successivement les applications des ultrasons, les principales technologies de transducteurs utilisés pour générer ces ondes et enfin les différentes techniques, optiques et acoustiques, d’imagerie développées pour mesurer les déplacements vibratoires d’une surface. Ce chapitre introduit également la méthode holographique qui est à la base du travail proposé. Dans ce travail la nouvelle méthode holographique pour étudier la distribution de vitesse à la surface des transducteurs est présentée. Cette méthode nécessite de mesurer la pression en amplitude et en phase en tout point d’une surface située à distance du transducteur. Par propagation inverse de l’onde en utilisant l’intégrale de Rayleigh il est possible de remonter à la distribution de la vitesse à la surface du transducteur. Cette méthode est testée expérimentalement sur différentes sources incluant des piézocomposites, des piézocéramiques et des transducteurs de formes quelconques présentant ou non des défauts. A cette occasion, il est mis en évidence l’importance des ondes de Lamb qui modifient de façon importante la distribution de la vitesse à la surface des transducteurs. Connaissant la distribution de vitesse il est alors possible de calculer le champ ultrasonore par la méthode de Rayleigh. La comparaison entre le champ mesuré et celui calculé après détermination de la vitesse permet d’une part de valider la méthode holographique et d’autre part de montrer que le modèle piston généralement utilisé ne permet qu’une approche grossière de la distribution dans l’espace du champ de pression. La deuxième partie du travail, qui apparaît dans le texte en premier lieu pour un aspect didactique, a eu pour but de déterminer la mesure de la distribution de la vitesse à la surface de piézocomposite ou de piézocéramique dans l’air dans l’eau et dans la glycérine par une méthode de vibrométrie Laser. L’ensemble expérimental est décrit : il demande de nombreuses précautions si l’on veut obtenir des images avec une résolution de l’ordre de 10 micromètres. Si les mesures dans l’air ne semblent pas contestables, il apparaît que les mesures dans les liquides sont entachées d’erreurs importantes en raison de l’interaction acousto-optique. Il est possible de tenir compte de cette interaction uniquement si le champ de pression est connu. Ce cas se rencontre uniquement pour des transducteurs générant des ondes planes. Les erreurs induites sont analysées théoriquement et expérimentalement en régime monochromatique et en régime pulsé. Des possibilités pour corriger ces erreurs induites par l’effet acousto optique sont proposées. La technique de mesure utilisant le vibromètre laser est utilisée pour enregistrer la forme temporelle en chaque point de différents transducteurs. Il est ainsi possible de mettre en évidence de façon claire la génération et la propagation des ondes de Lamb en régime monochromatique et impulsionnel. En conclusion, la vibrométrie laser apparaît comme un outil précieux pour déterminer le comportement de transducteurs piézocomposite ou piézocéramique lorsque les mesures sont effectuées dans l’air. Cette technique permet de mettre en évidence des modes de vibrations perturbateurs comme par exemple des ondes de surface. La vibromètrie laser ne peut être employée comme telle lorsque les mesures sont effectuées dans un liquide en raison de l’interaction acousto-optique. Une étude théorique donne l’importance de cette interaction. Celle-ci peut être déterminée précisément pour le cas particulier d’une onde plane. La méthode holographique proposée dans ce travail permet de mesurer la distribution de la vitesse à la surface de tout transducteur immergé. La confirmation de la valeur exacte des mesures a pu être faite en re-propageant l'onde à partir des mesures calculées à la surface du transducteur. La méthode apparaît donc comme novatrice et prometteuse.
