Методы измерения импульса давления на поверхности
При воздействии мощного импульса лазерного излучения вследствие испарения материала и образования плазмы на поверхности металла возникает значительное давление, приводящее к большому импульсу отдачи и даже к распространению вглубь материала ударной волны при превышении порога плазмообразования.
Для измерения давления применяется наиболее распространённый пьезоакустический метод, основанный на использовании пьезочувствительных материалов, эффективно преобразующих механическое воздействие в электрический сигнал. В качестве датчиков при длительностях импульса в милисекундном диапазоне удобно использовать пьезокерамики, в микросекундном диапазоне — кварц, в наносекундном диапазоне — тонкие полимерные плёнки.
Принципиальная схема датчика приведена: образец, на поверхность которого воздействует лазерный импульс размещается на пьезодатчике, соприкасающимся другой поверхностью со звукопроводом, окружённым звукопоглощающим материалом (звукоизолятором).
Материал звукопровода должен подбираться из условий минимального коэффициента отражения упругой волны на границе пъезоэлемент – звукопровод.
γ = (ρ2s2 − ρ1s1/ ρ2s2 + ρ1s1)2
где s2, s1 — скорости звука, ρ2, ρ1 — удельные плотности сред.
Отсутствию отражения соответствует условие равенства акустических сопротивлений ρ2s2 = ρ1s1.
Электрический сигнал с такого датчика U(t) достаточно точно повторяет функцию давления отдачи P(t), возникающего на поверхности образца.
В милисекундном диапазоне длительностей импульса наиболее чувствительный пьезоматериал — пьезокерамика из цирконата-титаната свинца ЦТС–19, акустическое сопротивление которой составляет ρs = (20–250)·104 г/см3 с. Наиболее подходящими материалами для звукопроводов в этом случае являются кадмий (ρs = 206 г/см3 · с) и латунь (ρs = 293 г/см3 · с). Использование этих материалов обеспечивает следующую передачу энергии из пъезоэлемента в отводной стержень: β = 98,1 % для латуни и β = 99,7 % для кадмия, где β = 4m/(m + 1)2, m = ρ1s1/ρ2s2.
