金士杰 安志武廉國(guó)選 毛 捷 王小民

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190)

1 引言

光彈法通過光學(xué)方法來(lái)解決彈性力學(xué)問題，其物理基礎(chǔ)是暫時(shí)雙折射現(xiàn)象。上世紀(jì)20年代初，光彈法開始發(fā)展。30年代應(yīng)力凍結(jié)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，這為解決三維光彈問題奠定了基礎(chǔ)。40年代儀器設(shè)備的改進(jìn)和新型材料的使用，解決了一系列彈性力學(xué)的難題，使光彈法成為比較完善的技術(shù)。隨后激光的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，以及CCD相機(jī)的發(fā)展，極大的推動(dòng)了光彈法的進(jìn)步。光彈法正向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，同時(shí)在航空航天、機(jī)械制造、土木工程、汽車制造等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)光彈法能夠直接觀察超聲的傳播和散射并揭示相關(guān)規(guī)律，對(duì)固體超聲波散射問題的研究起到了積極的推動(dòng)作用。上世紀(jì)80年代，中科院聲學(xué)所應(yīng)崇福院士帶領(lǐng)的研究小組在國(guó)際上率先搭建了一套動(dòng)態(tài)激光光彈成像設(shè)備，用來(lái)研究固體中超聲波的傳播和散射特征，實(shí)現(xiàn)了超聲場(chǎng)的可視化，并取得了一系列的研究成果[1－6]，受到國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。動(dòng)態(tài)光彈實(shí)驗(yàn)研究不僅驗(yàn)證了理論分析結(jié)果，也顯示出理論所沒有估計(jì)到的聲場(chǎng)細(xì)節(jié)，有力地彌補(bǔ)了解析理論、數(shù)值計(jì)算及電子信號(hào)測(cè)量等方法的局限。如首次觀察到了超聲波沿橫穿孔孔壁的爬行[2]、研究了體波在棱邊和裂縫處的散射[5]，以及蘭姆波、瑞利波的散射問題[4，7]。

圖1 動(dòng)態(tài)光彈實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 The dynamic photoelastic system

清華大學(xué)物理系在國(guó)內(nèi)最早研究開發(fā)了LED光源動(dòng)態(tài)光彈系統(tǒng)[8]，中北大學(xué)[9]、南昌航空大學(xué)[10－11]等都使用類似的系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)和研究工作，加拿大也有同類產(chǎn)品出售[12－13]。

經(jīng)過了80年代的迅速發(fā)展，近20年來(lái)，利用動(dòng)態(tài)光彈法研究超聲波的進(jìn)展較為緩慢，作者分析有如下原因:1.動(dòng)態(tài)光彈法靈敏度偏低;2.相比于靜態(tài)光彈研究中施加的外力，超聲波的應(yīng)力較小，因此受系統(tǒng)不穩(wěn)定性及噪聲影響較大，導(dǎo)致定量困難;3.動(dòng)態(tài)光彈超聲成像的硬件設(shè)備未及時(shí)更新。近來(lái)，我們搭建了一套動(dòng)態(tài)激光光彈超聲成像設(shè)備，并在激光器、同步系統(tǒng)、圖像采集與處理系統(tǒng)三個(gè)方面做了較大的改進(jìn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到大幅提高。利用該設(shè)備，我們定量測(cè)量了超聲換能器輻射聲場(chǎng)的部分特征，并對(duì)可能引起定量測(cè)量結(jié)果誤差的各種因素進(jìn)行了分析。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

動(dòng)態(tài)激光光彈實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，系統(tǒng)完全搭建在光學(xué)平臺(tái)之上，增加了抗振動(dòng)干擾能力。其中，工作在基橫模(TEM00模)的半導(dǎo)體泵浦激光器發(fā)射的單色綠光具有發(fā)散角小，平行度高的特點(diǎn)，脈沖寬度小于5 ns，可清晰記錄頻率達(dá)200 MHz的超聲波瞬態(tài)圖像。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左端的凹透鏡和凸透鏡焦點(diǎn)重合，將激光擴(kuò)束為直徑100 mm的平行光;右端的凸透鏡將平行光束匯集，并由數(shù)字CCD相機(jī)接收。實(shí)驗(yàn)樣品兩側(cè)的偏振片偏振方向相互垂直，在暗室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，換能器不工作時(shí)，CCD相機(jī)拍攝到的照片幾乎完全是黑色背景;當(dāng)高電壓信號(hào)激勵(lì)換能器向下輻射超聲波時(shí)，通過樣品的平行光的偏振方向會(huì)因固體的暫時(shí)雙折射現(xiàn)象而發(fā)生改變，相機(jī)將拍攝到明亮的超聲波波前。

傳統(tǒng)的同步系統(tǒng)有兩路同步信號(hào)，一路觸發(fā)超聲發(fā)射電路，一路觸發(fā)激光器，通過調(diào)整二者相對(duì)延時(shí)來(lái)拍攝不同時(shí)刻的“凍結(jié)”超聲場(chǎng)。照片的清晰度受到觸發(fā)和延時(shí)精度影響。尤其是激光器被觸發(fā)后的激光發(fā)射時(shí)間不夠穩(wěn)定，將極大影響照片的清晰度。這里我們?cè)O(shè)計(jì)了兩路相對(duì)延時(shí)觸發(fā)信號(hào)來(lái)精確控制激光器，使得激光發(fā)射時(shí)間誤差小于2 ns。調(diào)節(jié)多通道延時(shí)，可以改變激光源的發(fā)射時(shí)間，觀察超聲波在固體中的傳播、散射過程，且有較好的實(shí)驗(yàn)效果。

CCD相機(jī)可以將拍攝的照片數(shù)字化并傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。由于發(fā)射激光的能量和空間分布變得更加穩(wěn)定，同步系統(tǒng)精度提高，因此取無(wú)聲場(chǎng)時(shí)的參考圖像與光彈實(shí)驗(yàn)照片進(jìn)行解卷積處理，可以提升圖像質(zhì)量，并觀察到微弱聲場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)樣品材料選用經(jīng)過精退火處理的K9光學(xué)玻璃，樣品長(zhǎng)、寬均為120 mm，厚度為20 mm。

3 換能器聲場(chǎng)觀察和測(cè)量

3.1 縱波換能器

實(shí)驗(yàn)采用本課題組自制的PZT材料圓盤型縱波換能器，換能器輻射面直徑為16 mm。換能器在窄脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生超聲波，在樣品中形成瞬態(tài)聲場(chǎng)。利用旋轉(zhuǎn)重復(fù)曝光法觀測(cè)到的聲場(chǎng)圖像經(jīng)灰度化處理后如圖2所示。各類超聲波波前中直達(dá)縱波最亮，能量最高，直達(dá)縱波兩側(cè)有邊緣縱波，后面跟隨著邊緣橫波。直達(dá)縱波相鄰兩條亮條紋中心距離d是波峰與波谷的距離，據(jù)此可估計(jì)換能器中心頻率fL對(duì)應(yīng)的等效波長(zhǎng)λL=2d。拍攝兩張不同時(shí)刻的瞬態(tài)聲場(chǎng)圖像，可根據(jù)條紋移動(dòng)距離計(jì)算出樣品中的聲速cL。由式fL=cL/λL可得縱波換能器的中心頻率。

圖2 縱波換能器瞬態(tài)聲場(chǎng)Fig.2 The transient ultrasonic field radiated by the longitudinal wave transducer

利用連續(xù)波激勵(lì)換能器，可以拍攝得到穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)圖像(圖3)。讀取超聲換能器軸線上的灰度值曲線，近場(chǎng)長(zhǎng)度即為曲線中最遠(yuǎn)處的開始快速下降的極大值到換能器表面的距離。以換能器中心為圓心，任意遠(yuǎn)場(chǎng)距離r為半徑的圓上的灰度值，可以得到換能器的遠(yuǎn)場(chǎng)指向性。圖4給出kr=188時(shí)，經(jīng)過歸一化處理后的遠(yuǎn)場(chǎng)指向性圖，其中k為波數(shù)。以遠(yuǎn)場(chǎng)指向性圖中軸線上的灰度值為標(biāo)準(zhǔn)，軸線兩側(cè)灰度值下降到該灰度值的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)的角度為超聲換能器的擴(kuò)散角。需要指出的是，為突出超聲波波前，本文給出的所有光彈照片均做反色處理，以上計(jì)算時(shí)讀取的灰度值均是反色處理前的灰度值。

圖3 縱波換能器穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)Fig.3 The time－h(huán)armonic ultrasonic field radiated by the longitudinalwave transducer

圖4 縱波換能器遠(yuǎn)場(chǎng)指向性(kr=188)Fig.4 The far－field directivity of the longitudinal wave transducer(kr=188)

表1給出了光彈法測(cè)量值與參考值的對(duì)比。參考值中，聲速、中心頻率由脈沖回波法測(cè)得，近場(chǎng)長(zhǎng)度和半擴(kuò)散角由經(jīng)驗(yàn)公式得到。其中，近場(chǎng)長(zhǎng)度N的表達(dá)式為:N=D2/4/λ，D為換能器直徑;擴(kuò)散角α為:sin(α/2)=0.514c/f/D。對(duì)比可見，動(dòng)態(tài)光彈法測(cè)量結(jié)果具有很高的精度，尤其對(duì)于空間參量，電測(cè)法一般要通過掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)光彈法更為簡(jiǎn)便。

表1 縱波換能器參數(shù)Table 1 The parameters of the longitudinalwave transducer

3.2 橫波換能器

橫波換能器由厚度切變模振動(dòng)的2/2型壓電復(fù)合材料制作而成，換能器輻射面直徑為9 mm。實(shí)驗(yàn)中使用熔點(diǎn)較低的水楊酸苯酯作為耦合劑，將橫波換能器粘接到樣品表面，換能器工作時(shí)向樣品中垂直輻射出橫波。

重復(fù)縱波測(cè)量的步驟，同樣可測(cè)得橫波換能器的輻射聲場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算出聲場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)。橫波換能器瞬態(tài)輻射聲場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)輻射聲場(chǎng)分別如圖5、6所示，圖7給出kr=182時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)指向性圖。對(duì)比可見，該換能器具有類似于縱波換能器的特征。光彈法測(cè)量值和參考值的對(duì)比如表2所示。需要指出的是，動(dòng)態(tài)光彈法測(cè)量超聲場(chǎng)參數(shù)具有普遍適用性，而非僅針對(duì)以上兩類換能器，如光彈法在相控陣換能器的聚焦聲場(chǎng)測(cè)量方面也有一定的應(yīng)用。

圖5 橫波換能器瞬態(tài)聲場(chǎng)Fig.5 The transient ultrasonic field radiated by the shear wave transducer

圖6 橫波換能器穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)Fig.6 The time－h(huán)armonic ultrasonic field radiated by the shear wave transducer

圖7 橫波換能器遠(yuǎn)場(chǎng)指向性(kr=182)Fig.7 The far－field directivity of the shear wave transducer(kr=182)

表2 橫波換能器參數(shù)Table 2 The parameters of the shear wave transducer

4 誤差分析

誤差來(lái)源可能是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、測(cè)量方法和數(shù)據(jù)讀取等多方面的。對(duì)于本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引起誤差的因素主要包括實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量方法。

(1)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng):測(cè)量結(jié)果依賴于相機(jī)拍攝的光彈照片，圖片中各點(diǎn)的灰度值分布是直接的數(shù)據(jù)來(lái)源。對(duì)于搭建的動(dòng)態(tài)光彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說，一方面，樣品前后的偏振片有一定消光比，不可能做到完全消光，實(shí)驗(yàn)樣品中也會(huì)存在殘余應(yīng)力，均會(huì)影響灰度值的大小;另一方面，CCD相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是有限的，在不飽和的前提下，灰度值大小僅存在有限個(gè)數(shù)值，會(huì)降低測(cè)量精度，并使得指向性圖中的曲線變得不光滑對(duì)稱。

(2)測(cè)量方法:由于拍攝的穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)光彈照片均是瞬時(shí)聲場(chǎng)，因此近場(chǎng)長(zhǎng)度處的超聲波并不一定處于波峰或波谷，即光彈照片中的灰度值不一定是極大值。設(shè)測(cè)量值為N，聲波波長(zhǎng)為λ，則真實(shí)的近場(chǎng)長(zhǎng)度應(yīng)在(N－λ/2，N+λ/2)范圍內(nèi)。更為準(zhǔn)確的方法是多次調(diào)節(jié)延時(shí)并拍攝穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)照片，將換能器軸線上的灰度分布曲線疊加，并取疊加后的包絡(luò)曲線，此時(shí)曲線上最遠(yuǎn)處的極大值點(diǎn)到換能器表面的距離即為近場(chǎng)長(zhǎng)度。

最后需要指出的是，換能器參數(shù)會(huì)受到加工工藝的影響。表1和表2給出的參考值是電法測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的，并不是換能器聲場(chǎng)特征的真實(shí)值，是可能存在一定誤差的。

5 結(jié)論

本文基于實(shí)驗(yàn)室搭建升級(jí)的動(dòng)態(tài)激光光彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，定量測(cè)量了超聲換能器的輻射聲場(chǎng)特征參量。拍攝不同時(shí)刻的瞬態(tài)聲場(chǎng)，測(cè)量固體中的傳播聲速和聲波波長(zhǎng)，計(jì)算得到換能器中心頻率;拍攝穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)，由輻射聲場(chǎng)中各點(diǎn)的灰度值分布，測(cè)量給出近場(chǎng)長(zhǎng)度、指向性和擴(kuò)散角等參數(shù)。并對(duì)動(dòng)態(tài)光彈系統(tǒng)和測(cè)量方法可能引起的測(cè)量誤差進(jìn)行了分析討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論是縱波換能器，還是橫波換能器，動(dòng)態(tài)光彈法的測(cè)量值與參考值均有較好的一致性。研究結(jié)果表明光彈法可以有效地定量測(cè)量換能器聲場(chǎng)，進(jìn)一步地，可以推廣應(yīng)于聚焦換能器、相控陣換能器以及復(fù)合振動(dòng)模式換能器等復(fù)雜換能器的聲場(chǎng)特征測(cè)量。

致謝感謝中科院聲學(xué)所的沈建中、鄧京軍、張守玉等的指導(dǎo)和幫助。

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