洩漏蘭姆波實驗結果與討論

本研究曾以洩漏蘭姆波實驗驗證沒水式聲光實驗，解釋量測的穿 透光強度峰值之發生頻率就是聲導波的模態頻率，液晶試片之聲導波 在試片厚度方向的模態影響液晶分子排列。洩漏蘭姆波是一種偵測材 料特性與缺陷的非破壞檢測(NDE)技術，過去在纖維補強複材層板上 的 應 用 成 效 顯 著 。 入 射 聲 束 可 採 用 一 特 定 頻 率 的 連 續 脈 衝 訊 號 (tone-burst signals)，或單一頻率的連續波(CW)。聲導波會在特定的模 態頻率下發生於試片中，若平板試片周圍環境為液體的條件下，平行 於試片波傳的聲導波，部分能量會由上下邊界洩漏於液體，故稱為洩 漏蘭姆波。如圖 4.23~4.25 所示，在聲導波模態頻率處，因為部分能 量耦合至液晶試片產生聲導波。反射訊號的振幅頻譜會有明顯的下 降。反射振幅頻譜凹陷點對應的頻率即為使液晶發生排列改變的導波 模態頻率，與沒水式聲光實驗的穿透光強度變化的頻率相符合，充分 解釋聲導波影響液晶試片內的液晶排列，使穿透光強度發生變化。圖 4.23~4.25 中，兩實驗量測頻譜的導波模態頻率有一點偏差，因為洩 漏蘭姆波實驗於水中進行，受到周圍流體的耦合效應，且沒水式聲光 實驗與洩漏蘭姆波實驗並非於連續的時空環境下進行實驗，以致於液 晶層內的聲導波模態頻率發生偏差。如圖 4.26 所示，隨著入射角度 的增加，反射振幅頻譜凹陷點對應的頻率會往高頻移動，與沒水式聲 光實驗所觀察到的導波模態頻率有相同的趨勢。洩漏蘭姆波實驗也可 以時間脈衝做為激發訊號，反射訊號可以清楚分辨幾何反射訊號及洩 漏蘭姆波訊號。然而時間訊號轉換至頻率域，會因取樣點數限制，使

頻率解析度降低。採用掃頻方式進行實驗，可以獲得較高的解析度。

第五章 結論與未來展望

導波之頻率低於5MHz，600/65/600μm 液晶試片的 導波模態 則發生在5MHz 附近。 導波模態對於 1100/50/1100μ 液晶試片

5.1.2 液晶試片的反射係數與能量分析

本研究的數值分析結果顯示，液晶試片的平面聲波反射係數與液 晶層能量頻譜有下列特性：

(1) 反對稱模態在能量頻譜上沒有明顯的效果，與本研究的實驗結果 能夠相符。

(2) 增加液晶盒的玻璃厚度與液晶層厚度，都會使反射係數極小值與 能量頻譜峰值往低頻偏移。

5.2 未來展望

以指叉電極結合液晶試片產生固體/流體界面的 Scholte wave，也 會影響液晶分子的排列，Scholte wave 是一種界面聲波，超音波能量 主要分布於固體/液體的交會區，更具有操控液晶分子排列的潛力。

利用偏光顯微鏡直接觀察液晶的聲光效應，可以避免繁瑣的實驗 架設，不需量測氦氖雷射穿透液晶試片的光強度，推斷液晶排列的狀 況。液晶試片的玻璃尺寸大小，可能造成聲導波自試片邊緣反射，影 響液晶分子的排列。將來可選用或製作較大尺寸的液晶盒，做為液晶 試片。

本文以未正規化的能量頻譜研判對稱模態聲導波對於液晶排列 的影響，雖有不周嚴之處，卻不影響結論。沒水式超音波換器的遠場 聲壓有高斯分布的特性，未來可以假設一高斯分布的聲束取代平面聲 波入射液晶試片，可以定量計算液晶層內聲導波能量。本研究以等向 性黏滯性液體模擬對異向性黏滯特性的液晶，之後可進一步探討完整 的液晶材料常數，建立聲導波與液晶耦合的數學模型。

氦氖雷射垂直入射液晶試片的面積為一個有限區域，只能確定該 區域的液晶排列受聲導波影響，未來可以將氦氖雷射擴束入射液晶試

片，使氦氖雷射入射液晶的範圍變大，以說明聲導波對液晶排列影響 的均勻性。

參考文獻

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表 1 數值計算採用的材料常數

密度(kg/m³) 彈性常數(GPa) 材料

ρ c 11 c ₁₂ c ₄₄

玻璃 2520 80.828 21.228 29.8

水 1000 2.25 2.25 0

表 2 EHC 空液晶試片玻璃性質

試片 性質

鈉鈣玻璃

化學組成 (%)

74 SiO2, 13 Na2O, 10.5 CaO, 1.3 Al2O3, 0.3 K2O, 0.2 SO3, 0.2 MgO, 0.01 TiO2, 0.04 Fe2O3

玻璃轉換溫度 (°C) 573 熱膨脹係數 (ppm/K) 9 密度 (g/cm³) 2.52

折射率 1.518

楊氏模數 (GPa) 72 剪力模數 (GPa) 29.8 熔點 (°C) 1040

表3 液晶試片尺寸

液晶試片編號 厚度方向尺寸 (mm) 幾何尺寸 (mm)

玻璃厚度 1.1 長 25 液晶層厚度 0.05 寬 18 EHC

玻璃厚度 1.1 高 2.25 玻璃厚度 0.6 長 38 液晶層厚度 0.065 寬 28 蘇裕為製作

玻璃厚度 0.6 高 1.265

表 4 向列型液晶 5CB 的材料參數

熔點 /°C 24

清亮點 /°C 35.5

黏度 /cP (25°C) η₁ 129.6

η2 22.9

η3 37.4

折射係數 (20°C, 632.8nm)

n

_e 1.706

no 1.530

Δn ^0.175

介電常數 (25°C) ε∥ 19.7

ε_⊥ 6.4

Δε 13.3

彈性係數 /dyne(22°C) K₁₁ 6.4×10^-7

10.0×10^-7 K33

表5 超音波換能器規格

Frequency (MHz)

Element Diameter (inch)

Near field distances (inch)

1.0 0.50 1.043 2.25 0.50 2.374

5 0.50 5.287

表6 光接收器 New Focus 1801 的規格

Description Specification Wavelength Range 300-1050 nm

Coupling DC or AC

3-dB Bandwith

(DC versions) DC-125 MHz (typical) 3-dB Bandwith

(AC versions) 25 kHz-125MHz (typical) DC Bisa Monitor Bandwidth

(AC versions only) DC-50 kHz (typical) Risetime 3 ns (typical)

Transimpedance Gain (AC-coupled version)

40 V/mA (AC) 1 V/mA (DC) Transimpedance Gain

(DC-coupled version) 40 V/mA Output Impedance 50 Ω

Minimum NEP* 3.3 pW/ Hz CW Saturation Power 120 μW @ 950 nm Maximum Pulse Power 5 mW

Detector Material/Type Silicon / PIN Detector Diameter 0.8 mm

Power Requirements ±15V DC; 250 mA Optical Input Free space (FS)

RF Output SMA

DC Bias Monitor output

(AC-coupled units only) SMB

液 晶 試 片

1100/50/1100μm600/65/600μm 穿透光強度 (μW)穿透光強度 (μW)

導 波 模 態

入射角 (degree)

導波 模態 頻率 (MHz) 10% 90%

10%~90%

Δ

(μW)

反應 時間 (s)

反應 梯度 (μW/s)

入射角 (degree)

導波 模態 頻率 (MHz)10% 90%

10%~90%

Δ

(μW)

反應 時間 (s)

反應 梯度 (μW/s) 20 0.740 10.616 13.0652.449 2.190 1.11820 1.10019.251105.38386.132 2.639 32.638 21 0.740 9.830 14.4884.658 2.064 2.25721 1.10013.27941.64128.362 3.054 9.287 22 0.920 9.268 10.3891.121 unstableNA 22 1.10012.01922.81710.798 1.803 5.990 23 0.780 10.518 14.7964.278 4.221 1.01423 1.10014.08343.14729.064 1.863 15.600 24 0.800 10.114 13.2423.128 3.061 1.02224 1.18012.52730.90818.381 2.075 8.858

0

S

25 0.800 12.025 19.6677.642 1.770 4.31825 1.18013.96930.04716.078 2.005 8.019 20 2.640 22.285 111.92589.64 2.881 31.11420 4.52017.21619.1851.969 unstable NA 21 2.740 15.047 59.92044.873 4.072 11.02021 4.66015.87818.7472.869 1.538 1.865 22 2.740 12.091 34.51322.422 2.942 7.62122 5.12017.01420.0863.072 unstable NA 23 2.840 11.556 21.92410.368 2.236 4.63723 5.18016.93020.0553.125 1.377 2.269 24 2.860 13.267 19.5666.299 2.068 3.04624 5.40016.52517.3650.84 unstable NA

1

S

25 2.900 9.597 10.3620.765 1.320 0.58025 5.80015.56916.6871.118 unstable NA 表7 液晶試片與模態的穿透光強度歷時曲線實驗結果0

S

1

S

表 8 液晶層厚度改變對應液晶層能量頻譜峰值表

液晶層厚度

(μm) 50 53 56 59 62 65

導波模態 能量曲線峰值所對應的導波模態頻率 (MHz)

S

0 0.773 0.760 0.746 0.734 0.722 0.711

S

1 2.719 2.703 2.688 2.674 2.661 2.649

S

2 5.073 5.062 5.052 5.043 5.035 5.027

能量曲線峰值所對應的功率 (MJ/s)

S

0 98.24 96.19 94.02 91.76 89.46 87.13

S

1 4463.83 4294.53 4133.12 3979.88 3834.71 3697.40

19185.6 18358.1 17601.2 16910.0 16279.2 15704.9

S

2

液晶試片 1100μm/50μm/1100μm 600μm/65μm/600μm

n n

n n n (a) n

(b)

z

x y

n

n

n

n (c)

圖 2.1 (a)向列型、(b)層列型及(c)膽固醇型液晶示意圖

a

θ

n

azimuth angle

圖 2.2 向列型液晶分子示意圖

(a)

(b)

(c)

圖 2.3 液晶的(a)展曲、(b)扭曲及(c)彎曲示意圖

x

1

x

2

liquid crystal H

y

²1

y y

3

y

0

glass

glass

T

1 R

θ

( 1 ) ( 2 ) ( 3 )

圖2.4 理想流體中的液晶試片受平面聲波照射示意圖 (括弧內的數字代表層的編號)

x

2

power − x

2

dx

2

glass

power − x

1

x

1

liquid crystal

glass

1

x

3

圖2.5 液晶試片超音波能量傳遞剖面示意圖

(a)

(b)

圖3.1 光譜分析儀(a)實體照片及(b)液晶試片放置處

(a)

(b)

(c)

圖3.2 UV 燈實體照片

圖3.3 加熱板實體照片

圖 3.4 EHC 液晶試片製作完成的照片

Ch1 Ch2 TrigTrig Ch1 Ch2

cell

transducer

tank θ

N

water

圖 3.5a 沒水式聲光實驗示意圖

圖3.5b 沒水式聲光實驗照片

(a)

(b)

圖3.6 液晶試片(a)立體圖(b)剖面圖

圖3.7 超音波換能器聲場強度分佈示意圖

INPUT OUTPUT 50dB 250kHz-150MHz

ENI

HP33120 A Function Generator

ENI MODEL 325LA RF POWER AMPLIFIER

LeCroy DIGITAL OSCILLOSCOPE

LabVIEW

NI GPIB

Ch1 Ch2 TrigTrig Ch1 Ch2

Panametrics Pulser reciver

NI GPIB

water

transducer transducer

RCVR IN MARKED RF

tank

圖 3.8a 洩漏蘭姆波實驗示意圖

圖3.8b 洩漏蘭姆波實驗照片

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7 (a) 1100/50/1100μm (b) 600/65/600μm

1.5 2 2.5 3 3.5

0.2 0.4 0.6 0.8 1

4 4.4 4.8 5.2 5.6 6 Frequency (MHz)

8 10 12 14 16 18

O ptic al inte ns ity ( mW)

25.28V 28.44V 31.6V

圖 4.7 1100/50/1100μm 液晶試片受不同驅動電壓激發之超音波 以20°入射角照射的穩態穿透光強度頻譜。

0 4 8 12 16 2

Optical intensity (mW) 20^o-2.64MHz

21^o-2.74MHz

0 4 8 12 16 2

0 4 8 12 16 2

0 4 8 12 16 2

0 4 8 12 16 20

(a) 1100/50/1100μm- 導波模態-入射角 22°-0.92MHz (b) 600/65/600μm- 導波模態-入射角 20°-4.52MHz

S

0

S

1

0 4 8 12 16 2

0 4 8 12 16 20

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7 (a) 600~800μm(b) 900~1100μm (液晶層厚度均為 50μm)

0 1 2 3 4 5 6 7 (a) 50~56μm(b) 59~65μm (上下玻璃厚度均為 1100μm)

0.4 0.8 1.2 1.6 2 Frequency (MHz)

0 40 80 120

Optical intensity (mW)

1100/50/1100mm 600/65/600mm

圖4.21 超音波入射角 20°對不同厚度液晶試片的穿透光穩態響應

0.4 0.8 1.2 1.6

Frequency (MHz) 2

0 100 200 300

Power (MJ/s)

1100/50/1100mm 600/65/600mm

圖4.22 超音波入射角 20°對不同厚度液晶試片的液晶層能量頻譜

0.4 0.8 1.2 1.6 2

0.4 0.8 1.2 1.6 2

0.4 0.8 1.2 1.6 2

0.4 0.8 1.2 1.6 2

在文檔中 沒水式超音波對於向列型液晶聲光效應的影響 (頁 37-0)