激光超聲無損檢測技術(shù)研究畢業(yè)設(shè)計

1、激光超聲無損檢測技術(shù)研究畢業(yè)設(shè)計 激光超聲無損檢測技術(shù)研究摘 要 激光超聲檢測技術(shù)是利用激光脈沖照射樣品外表,激發(fā)出超聲波,并利用光學(xué)方法對超聲波進行檢測,從而實現(xiàn)對樣品進行無損檢測的一種方法。它隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的開展,應(yīng)用范圍也越來越廣。傳統(tǒng)的無損檢測方法有其局限性,在溫度、壓力較大或者具有放射性或腐蝕性的環(huán)境下就不能完全滿足要求。而激光超聲檢測技術(shù)由于能夠在短時間內(nèi)不接觸物體進行激光鼓勵,所以,適合于環(huán)境復(fù)雜的檢測環(huán)境,并具有極強的抗干擾能力。所以,激光超聲技術(shù)在材料缺陷和性能的無損檢測中發(fā)揮了超聲檢測的優(yōu)勢,其應(yīng)用廣泛。 本文首先對激光超聲技術(shù)進行了闡述,并介紹了激光超聲檢測系統(tǒng)的組成

2、,及各個局部的具體情況。然后,著重介紹了激光鼓勵超聲波的根本概念,包括波長,橫波,縱波,聲外表波,超聲波,并舉例了燒蝕效應(yīng)作用下縱波、橫波、平面波的波形示意圖。另外介紹了常用激光器。 在此根底上,本文介紹了激光產(chǎn)生超聲波的機理,著重介紹了熱彈激發(fā)機理和燒蝕激發(fā)機理,并通過對熱彈激發(fā)機理的溫度場和應(yīng)力場的分析,介紹了激光超聲位移場理論。 本文進一步講述了激光超聲檢測技術(shù),著重講了光偏轉(zhuǎn)法中常見的刀口法、光干預(yù)檢測方法中的自差干預(yù)以及外差干預(yù)的原理和方法,并簡要介紹了其他方法。 最后,介紹了激光超聲技術(shù)在無損檢測鄰域的具體應(yīng)用及存在的問題。 關(guān)鍵字:激光超聲,無損檢測,激光超聲檢測技術(shù) Laser

3、 ultrasonic nondestructive testing technology researchAbstract The laser-induced ultrasonic technique,which is based on the generation of ultrasonic by a laser and detection of stress wave with laser interferometry, and is an ideal combination of laser and ultrasonic for nondestructive testing, has

4、also the advantage of noncontact, and has become very important in the nondestructive testing fields. The traditional nondestructive testing method has its limitations, which cannot completely meet the requirements in the large temperature, large pressure, radioactive or corrosive environment. Becau

5、se the laser ultrasonic testing technology can not contact body for laser incentive in a short time, so it is suitable for complex testing environment, and has a strong anti-interference ability. Therefore, in material defects and properties of the nondestructive testing,laser ultrasound technology

6、play the advantage of ultrasonic testing. This paper first describes the laser ultrasonic technique, and introduces the composition of the laser ultrasonic detection system, and various parts of the specific situation. Then focuses on the basic concept of ultrasonic laser incentive, including wavele

7、ngth, transverse wave, longitudinal wave, surface acoustic wave, ultrasound wave, and an example of a waveform diagram of the ablation effect under longitudinal wave, transverse wave, plane wave. In addition it also introduces the common laser. On this basis, the article describes the mechanism of l

8、aser generated ultrasound, Mainly introduces hot play stimulate mechanism and Ablation stimulate mechanism, and by the temperature and stress field analysis of the hot play stimulate mechanism, introduced the laser ultrasonic displacement field theory. The paper further describes a laser ultrasonic

9、detection technology, mainly about the light deflection method in common blade method,the Principle and method of interference from poor and heterodyne interference in the light of interference detection method, and briefly introduces the other methods. Finally, this paper introduces the specific ap

10、plication and the existing problems ofthe laser ultrasound technology in nondestructive testing.Keywords: laser ultrasound, nondestructive testing, laser ultrasonic detection technology目 錄1 緒論11.1本文的研究背景與意義11.2激光超聲技術(shù)的開展情況21.3激光超聲技術(shù)的研究現(xiàn)狀31.3.1激光鼓勵技術(shù)31.3.2檢測技術(shù)31.3.3總體應(yīng)用31.4本文的主要內(nèi)容42 激光超聲理論52.1激光超聲概述52

11、.2激光鼓勵超聲波的根本概念52.2.1 波長52.2.2 縱波(P波)52.2.3 橫波52.2.4波面62.2.5超聲波62.2.6 舉例62.3 激光器72.4 激光產(chǎn)生超聲的機理82.4.1 熱彈機制82.4.2燒蝕激發(fā)機理162.4.3其他激發(fā)機理173激光超聲檢測技術(shù)183.1非干預(yù)檢測技術(shù)183.1.1刀刃檢測技術(shù)183.1.2外表柵格衍射技術(shù)213.1.3反射率檢測技術(shù)223.2 干預(yù)檢測技術(shù)223.2.1 線性干預(yù)檢測技術(shù)223.2.2非線性干預(yù)檢測技術(shù)284 激光超聲技術(shù)在無損檢測鄰域的具體應(yīng)用及存在的問題294.1應(yīng)用概況294.1.1 高精度的無損檢測294.1.2 惡

12、劣環(huán)境下的材料特性測量294.1.3 材料特性的檢測294.1.4薄膜、復(fù)合材料檢測,以及材料高溫特性等的研究304.1.5快速超聲掃描成像304.2存在的問題304.2.1 光聲能量轉(zhuǎn)換效率低的問題314.2.2激光超聲信號檢測靈敏度問題31參 考 文 獻32致謝351 引言 激光超聲是一種新型無損檢測方法,早期受激光器件與相關(guān)學(xué)科開展的限制,自20世紀70年代提出到80年代中期成為熱點后,未到達人們預(yù)想的應(yīng)用效果。20世紀末至今,隨著激光、電子、計算機和相關(guān)學(xué)科的開展,經(jīng)過近十年的技術(shù)積累,激光超聲已從方法探索步人技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用階段,是傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的進一步開展。激光超聲利用高能激光

13、脈沖來激發(fā)超聲波并用激光來檢測超聲回波穿透波或發(fā)射波,具有非接觸、遠距離探測、頻帶寬及檢測可達性好等優(yōu)點,尤其適用于一些惡劣環(huán)境,如高溫、腐蝕、輻射及具有較快運動速度的被檢件123456。 在工業(yè)高度興旺的今天,無損檢測技術(shù)是不可或缺的。如對鋼材、鋁材、復(fù)合材料、工業(yè)陶瓷等常常需要做無損檢測和評價,對核電站的高壓容器、航天飛機的構(gòu)件必須常期地進行無損監(jiān)視。由于超聲波具有波長短,方向性強,遇障礙物產(chǎn)生衍射和散射等特點,超聲檢測技術(shù)一直是對材料進行無損檢測.特性研究和結(jié)構(gòu)分析的長盛不衰的方法。此外,在醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)勘探、建筑工程等方面,超聲檢測也有著廣泛的應(yīng)用。目前,在無損檢測手段包括射線法、電磁

14、法)中,超聲波方法占50%以上。激光超聲學(xué)是超聲學(xué)與激光技術(shù)相結(jié)合麗形成的新興交叉學(xué)科,涉及光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、,材料學(xué)等學(xué)科,近年來已開展成為超聲學(xué)的一個重要分支7。超聲應(yīng)用技術(shù)在近幾十年來得到了長足開展,并廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)、微電子學(xué)、外表科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域89。激光超聲源能同時激發(fā)縱波、橫波、外表波以及各種導(dǎo)波,在時間上具有與沖擊函數(shù)t和階躍函數(shù)Ht很相似的特性。而且,激光超聲的產(chǎn)生不僅與激光脈沖的時間和空間特性有關(guān),還與材料本身的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等特性有關(guān)。因此,激光超聲技術(shù)在超聲傳播特性研究和材料無損評估方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 激光超聲技術(shù)具體具有

15、以下優(yōu)點: 1非接觸:激光超聲信號通過激光脈沖鼓勵產(chǎn)生.又通過光學(xué)方法檢測,實現(xiàn)了完全意義上的非接觸。發(fā)射源到被測物之間的距離可以到達10m,能夠在高溫、高壓、有毒或放射性等惡劣條件下迸行遠距離無損檢測。 2寬帶:激光超聲在時間和空間上都具有極高的分辨率,超聲的脈沖寬度可達,頻率可達GHz,而相應(yīng)的波長只有幾um,這就大大提高了探測微小缺陷的能力和測量的精度,非常適合超薄材料的檢測和物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的研究。 3實時在線:由于激光超聲的激發(fā)和檢測都是在瞬間完成的,能夠?qū)崿F(xiàn)快速實時檢測,是工業(yè)上定位、在線監(jiān)測、快速超聲掃描成像的極好手段。 4適用面廣:激光激發(fā)超聲現(xiàn)象在固體,液體和氣體中均存在,而且對樣

16、品的形狀根本沒有限制,使得激光超聲技術(shù)有著很廣泛的應(yīng)有領(lǐng)域。目前,激光超聲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料的缺陷探測和定位,內(nèi)部損傷過程監(jiān)測,斷裂機理研究等工程領(lǐng)域中。特別是對固體材料的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)研究,以及對具有生物活性的化學(xué)和生物物質(zhì)的光化學(xué)反響動力學(xué)和熱力學(xué)的研究,更顯示出激光超聲技術(shù)具有其它檢測技術(shù)難以替代的優(yōu)越性。 可以相信,隨著科學(xué)技術(shù),尤其是激光技術(shù)的開展,激光超聲學(xué)將在理論、技術(shù)和應(yīng)用研究等各方麗取得新的突破.它的應(yīng)用前景也會更加廣闊。因此,研究激光超聲無損檢測技術(shù)不僅有理論方面的意義,還有實際應(yīng)用上的意義。 激光超聲技術(shù)的研究始于1962年。當時.White和Askaryan分別論證

17、了用脈沖激光束在固體和液體中激發(fā)聲波的方法。緊接著,Ramsden,Bunkiny和Stegman觀察到強激光在固體中產(chǎn)生的爆炸波和在大氣中產(chǎn)生的燃燒波,會隨時間和距離的增加而衰變成聲波。之后,對固體、液體和氣體媒質(zhì)中激光超聲激發(fā)的研究均有了很大的開展。 1976年,Bondarenko等首先把激光超聲用于材料檢測。他們用調(diào)Q紅寶石激光器激發(fā)超聲,用帶寬為5kHz至150MHz,位移靈敏度為l0?9nm的干預(yù)儀檢測激光超聲,并對不銹鋼板的人工缺陷進行了檢測。之后,Hutehins和Nedeou等用Nd:YAG和帶寬為45MHz,位移靈敏度為lnm的干預(yù)儀進行了外表缺陷的實驗。 1979年,Le

18、dbetter等最先同時檢測到一次激發(fā)產(chǎn)生的縱波,橫波和外表波。 1980和1982年,Seruby和Dewhurst等對激光在金屬中產(chǎn)生的超聲波形進行了定量測量,并用面內(nèi)正交力偶模型解釋了熱彈條件下的激發(fā)現(xiàn)象,用垂直力偶模型解釋了燒蝕條件下的激發(fā)現(xiàn)象710,為激光超聲的應(yīng)用找術(shù)打下了根底。 20世紀80年代中期.加拿大人J.P.Monehalin提出了用球面共焦Fabry-Perot干預(yù)儀探測超聲振動?超聲測厚技術(shù),首次實現(xiàn)了在1m遠處對未拋光的鋼板進行激光超聲的實驗,向?qū)嵱没~出了一大步10。等進行了一系列的理論和應(yīng)用研究工作。 近幾年,激光超聲機理和技術(shù)的研究有了更大開展,在激光超聲信號

19、的激發(fā)、接收、傳播理論,以及應(yīng)用等方面取得很大進展11。 利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。直接式是使用激光與被測材料直接作用,通過熱彈性效應(yīng)或融蝕效應(yīng)作用等激光發(fā)出超聲波;間接式那么是利用被測材料周圍的其它物質(zhì)作為中介來產(chǎn)生超聲波?，F(xiàn)在用于生成超聲波的激光器使用的最多是:Nd:YAG激光器,使用脈沖激光器的比較多,如TEA-CO2脈沖激光器被用于在液體中產(chǎn)生聲脈沖12。近年來又展開了激光超聲源在時間和空間分布調(diào)制技術(shù)的研究,使激光的超聲信號成為窄帶或線性調(diào)頻信號,以便采用窄帶濾波技術(shù)或信號處理技術(shù)來提高檢測的信噪比13,改善超聲波形。光束調(diào)制方法有三種,即時間調(diào)制、空間調(diào)制

20、以及“空間+時間的雙重調(diào)制。時間調(diào)制可采用激光器腔內(nèi)鎖模、激光器陣列的定時激發(fā)、Bragg聲光調(diào)制技術(shù)?？臻g調(diào)制最常用的方法是用柱面鏡將激光光點變?yōu)榫€光源,更復(fù)雜的空間調(diào)制方法可以利用布拉格光柵單線變成多線14?？臻g和時間的雙重調(diào)制是在改變光束形狀的同時,也讓光源或其照射到樣品上的光線隨時間變化15。1.3.2檢測技術(shù)檢測激光超聲的技術(shù)有常用的方法有如下幾種。第一種是壓電換能器(PZT)檢測法。這是比較經(jīng)典的方法,靈敏度比較高,其響應(yīng)頻率也比較寬,多在實驗室用。常用的換能器有電磁、電容、壓電陶瓷換能器、電磁聲換能器和電容聲換能器。第二種是光學(xué)檢測器。這是利用連續(xù)檢測激光照射到樣品外表,接收外表

21、的反射光,并從反射光的相位、振幅、頻率等的變化中得出光激超聲信號的方法15。1.3.3總體應(yīng)用目前在很多領(lǐng)域都已經(jīng)初步應(yīng)用了激光超聲技術(shù),特別是越來越廣泛的應(yīng)用 在無損檢測領(lǐng)域。1)惡劣環(huán)境下的無損檢測。利用激光超聲的非接觸式、非人性等特點可以對材料特性在高溫輻射等惡劣環(huán)境下進行測量,也可以對材料在高溫條件下進行檢測,特別是可以應(yīng)用激光無損在高壓、高濕、酸、堿或有毒以及檢測環(huán)境或被測工件存在強腐蝕性、核輻射和化學(xué)反響等環(huán)境下檢測。激光超聲技術(shù)在高溫、核輻射等環(huán)境下成為了工業(yè)上定位、在線監(jiān)測的重要手段之一。2)材料性質(zhì)的高精度無損檢測。以激光超聲外表波為代表的用于微小缺陷檢測的激光技術(shù)的研究,是

22、目前國際學(xué)術(shù)界的一個研究熱點,日益成為超聲工程和無損檢測領(lǐng)域的一個重要內(nèi)容16。 本文第二章介紹了激光鼓勵超聲波的的根本概念、根本原理和鼓勵方法。第三章給出了利用不同的方法檢測樣品中超聲波的工作原理和方法。第四章介紹了激光超聲無損檢測技術(shù)的具體應(yīng)用及存在的問題。2 激光超聲理論2.1激光超聲概述 激光超聲是指用脈沖激光在物體中產(chǎn)生的超聲波,或利用脈沖激光來產(chǎn)生超聲波這?物理過程。作為超聲學(xué)新近開展起來的一個分支,激光超聲學(xué)涉及光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科111718。 激光超聲檢測系統(tǒng)一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)主要由一臺高能脈沖激光器構(gòu)成,用以在被檢測物體上產(chǎn)生高熱量,從而產(chǎn)生超

23、聲脈沖信號。由于超聲波是物體受熱激發(fā)的,并在物體外表和內(nèi)部進行傳播,所以它攜帶有物體的厚度、缺陷、應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)等信息。 接收系統(tǒng)一般由檢測激光、激光干預(yù)儀、光電探測器、信號放大處理電路等組成,它可以根據(jù)不同的需要放置在發(fā)射系統(tǒng)的同側(cè)或異側(cè)。當檢測激光照射到樣品外表時,超聲振動會對它的反射光進行調(diào)制,使超聲振動信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔?干預(yù)儀能夠測量細微的光程或光頻率變化.它把光信號攜帶的超聲振動信息解調(diào)出來。 光電探測器是由光電二極管構(gòu)成的,它的作用是將光信號中的超聲信號轉(zhuǎn)變成電信號。光電探測器的輸出信號很小,而且有噪聲,所以需要信號放大處理電路對電信號進行放大,提高信噪比。激光可以在固體中產(chǎn)生超聲,

24、也可以在氣體和液體中產(chǎn)生超聲,本文只討論固體中激光超聲的激發(fā)機理和應(yīng)用。2.2.1 波長 波長:沿著波的傳播方向,在波的圖形中相對平衡位置的位移時刻相同的兩個質(zhì)點之間的距離。橫波與縱波的波長:在橫波中波長通常是指相鄰兩個波峰或波谷之間的距離。在縱波中波長是指相鄰兩個密部或疏部之間的距離。2.2.2縱波(P波) 縱波是質(zhì)點的振動方向與傳播方向一致的波。如敲鑼時,鑼的振動方向與波的傳播方向就是一致的,聲波是縱波。2.2.3橫波 橫波也稱“凹凸波。質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直,這樣的波稱為“橫波。 橫波的特點是質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互垂直。 聲外表波(SAW,Surface Acoust

25、ic Wave)是沿物體外表傳播的一種彈性波。聲外表波是英國物理學(xué)家瑞利(Rayleigh)在19世紀80 年代研究地震波的過程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地外表傳播的聲波。又稱為外表聲波。聲外表波技術(shù)是六十年代末期才開展起來的一門新興科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,它是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科。由于聲外表波的傳播速度比電磁波慢十萬倍,而且在它的傳播路徑上容易取樣和進行處理,因此,用聲外表波去模擬電子學(xué)的各種功能,能使電子器件實現(xiàn)超小型化和多功能化。同時,由于聲外表波器件在甚高頻和超高頻波段內(nèi)以十分簡單的方式提供了其它方法不易得到的信號處理功能,因此,聲外表波技術(shù)在雷達、通信和電子對抗中得到了廣泛的應(yīng)用。

26、聲外表波的應(yīng)用最早是在軍用雷達、播送、電視領(lǐng)域作頻率穩(wěn)定的濾波器之用?，F(xiàn)在聲外表波技術(shù)的應(yīng)用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域,如地震學(xué)、天文學(xué)、雷達通信及播送電視中的信號處理、航空航天、石油勘探和無損檢測等。 超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波,它方向性好,穿透能力強,易于獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠,可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。 橫波和縱波 燒蝕效應(yīng)產(chǎn)生的縱波,橫波波形如圖192.1所示。其中,h為樣品厚度,u為震源背側(cè)中心的超聲位移,和h/cl為縱波到達時刻,和h/cs為橫波到達時刻。 微

27、燒蝕效應(yīng)作用下,彈性波源的力學(xué)模型可等效為在彈性體外表作用一垂直點力P,超聲的位移表達式如式2.1所示: (2.1) 式中,分別為縱波和橫波速度,b為常數(shù)。實際上,外表作用的是,那么超聲的位移為 (2.2)其中,*為卷積符號,與激光脈沖寬度有關(guān),與脈沖能量有關(guān)。外表波的波形 外表波波形如圖2.2所示20, 其中,y為鼓勵點與接收點間距離,u為外表超聲位移,c為外表波速度,y/c為外表波到達時刻。2.3 激光器 激光激發(fā)超聲應(yīng)選擇恰當?shù)募す夤庠?。由于工作在熱彈性機制下的光聲轉(zhuǎn)換效率比壓電換能器低得多,所以選擇適宜的激光器以提高信號強度非常重要。現(xiàn)在用于生成超聲波的激光器有:Nd:YAG激光器、C

28、O2激光器、氮激光器、染料激光器等,其中Nd:YAG激光器使用得最多。激光器可分脈沖激光器和連續(xù)激光器,現(xiàn)在使用脈沖激光器的比較多,如TEA-CO2脈沖激光器被用于在液體中產(chǎn)生脈沖12。脈沖激光產(chǎn)生的超聲脈沖的寬度與激光脈沖的寬度近似相等,因此不同激光脈沖所產(chǎn)生的聲脈沖寬度和頻譜不同,一般寬激光脈沖如十幾微秒的TEA-CO2脈沖激光,產(chǎn)生的聲脈沖寬且中心頻率較低,而窄激光脈沖如納秒量級而中心頻率高?？梢愿鶕?jù)不同的應(yīng)用背景選擇激光脈沖的寬度獲得所需的聲脈沖。2.4 激光產(chǎn)生超聲的機理 利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。直接式是使激光與被測材料直接作用,通過熱彈性效應(yīng)或燒蝕作用等

29、激發(fā)出超聲波;間接式那么是利用被測材料周圍的其它物質(zhì)作為中介來產(chǎn)生超聲波。一般認為,固體中激光鼓勵超聲波的機理隨入射激光的功率密度和固體外表條件的不同而改變。根據(jù)激光光束強度的不同,鼓勵超聲脈沖有兩種機制:熱彈機制和燒蝕機制21。對于外表干凈、無約束的固體,如果入射激光的光功率密度低于固體外表的損傷閾值金屬材料?般為107W/cm2,產(chǎn)生的熱能缺乏以使固體外表熔化,那么在產(chǎn)生超聲過程中,熱彈效應(yīng)激發(fā)起主要作用;當激光功率密度較高時,固體外表溫度上升使局部融化,以至出現(xiàn)燒蝕.此時,盡管熱彈激發(fā)效應(yīng)仍然存在,但是燒蝕激發(fā)效應(yīng)起決定性的作用。 隨著激光技術(shù)的開展,激光脈沖寬度進一步壓縮壓縮至ps量級

30、,或fs量級,在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機理的根底上,形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。2.4.1 熱彈機制 根本原理 當由具有Q開關(guān)的脈沖激光器發(fā)出的激光束照射到清潔的、自由的金屬板外表上時,如果單個脈沖的光功率密度足夠低小于107W/cm2,照射試樣外表的激光光功率密度低于試樣外表的損傷閾值,那么金屬外表不受損傷。這時在照射點附近的外表薄層內(nèi)產(chǎn)生了急劇的熱膨脹,正是這個熱彈效應(yīng)激發(fā)了偏振方向與外表平行的應(yīng)力波,即超聲剪切波。 當脈沖激光投射到不透明固體外表上時,它的能量一局部被反射,另一局部被吸收,并轉(zhuǎn)化為熱能,使樣品外表產(chǎn)生幾十到幾百度的溫升。對于電導(dǎo)率很大的固體如金屬。光的吸收只發(fā)生在外表下數(shù)

31、微米的范圍內(nèi),吸收光能的淺表局部由溫度上升而發(fā)生膨脹。只要激光脈沖很短100ns,那么熱擴散效應(yīng)就很小,熱彈源位于很薄的表層內(nèi)約幾。 當金屬外表處于自由狀態(tài)時,淺表層的體積膨脹引起的主要應(yīng)力平行于材料外表,理論上它相當于時間上是階躍函數(shù)Ht的切向力源,可以激發(fā)橫波、縱波和外表波。在熱彈機制下,主要的應(yīng)力是與外表平行的,雖然也有與外表垂直方向的應(yīng)力,但很小。所以這種情況下,主要激發(fā)出超聲橫波和相對幅度很小的縱波。熱彈激發(fā)機理原理如圖2.3所示71011171822: 由于固體淺表層的局部升溫并沒有導(dǎo)致材料的任何相變,所以熱彈激發(fā)效應(yīng)具有嚴格無損的特點,它是激發(fā)超聲使用最廣泛的方法。熱彈激發(fā)超聲過

32、程中,光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率很低,為了提高熱彈激發(fā)超聲的效率,常在固體外表涂各種涂層如水,油,以增加外表的光吸收系數(shù)23。同樣,采用脈沖寬度極窄的高能量密度光束照射,也可以獲得較高的聲波能量。 激光超聲位移場理論 溫度場 對于熱彈問題,溫度和位移可分別由熱傳導(dǎo)方程和熱彈性位移方程描述為 (2.3)(2.4) 式中,k、T、u、為別固體的熱傳導(dǎo)率、溫度、位移、密度、定比熱和線性熱膨脹系數(shù),為切邊彈性常數(shù),為lame常數(shù),為密度,(2.5)式中 ,為熱源光強度,為光吸收系數(shù),為進入樣品外表(x0)的激光強度,為入射激光的強度,為材料外表的光反射率:函數(shù)Fy,z為激光強度在光束截面中的空間分布函數(shù),對

33、子?個半無限大即x?0各向同性的固體,假設(shè)激光脈沖垂直入射在xO的自由外表上.溫度就只與坐標x有關(guān),可作一維處理,Fy,z1;ft為激光強度的時間分布函數(shù)。 假設(shè)激光脈沖為梯形脈沖模型,它的強度的時間分布如圖2.4所示。Ft的函數(shù)表達式為:(2.6) 或式中,t0為梯形脈沖下底邊寬度;bob1為梯形脈沖上下底邊之比:,。 (2.7)式中,為熱擴散率,且 。利用熱傳導(dǎo)的初始條件和邊界條件,對式2.7進行拉氏變換,可得 (2.8)式中,P為拉氏參數(shù),為T的拉氏變換。 求解式2.8,可得 (2.9)式中,。 用Matlab 進行仿真如圖2.5,設(shè)定以下參數(shù): 為光吸收系數(shù)0.5,入射激光的強度為1c

34、d,為材料外表的光反射率,淺色金屬外表通過率150%, k固體的熱傳導(dǎo)率(鋼45w/m.k),為熱擴散率10 m2/s,p為拉氏參數(shù)1,。 應(yīng)力場 媒質(zhì)中溫度場激發(fā)的熱彈位移和熱彈應(yīng)力可由Navier-Stokes方程和本構(gòu)方程及邊界條件得到。 一維Navier-Stokes方程為 (2.10)式中,uu(x,t)為x方向的位移, , ,為材料的柏松比。對Navier-Stokes方程進行拉氏變換。并考慮初始條件u(x,0),可得 (2.11)式中,為u的拉氏變換。 對于弱吸收媒質(zhì),式2.9可簡化為: (2.12)代入2.11式,得(2.13)上式的解為:(2.14)式中A為常數(shù)。 上式做拉氏

35、變換,并代入本構(gòu)方程 (2.15)其中,為x方向的正壓力,E為楊氏模量, 自由界面條件下,把邊界條件代入式(2.11)中,可得。 用拉氏反變換可得應(yīng)力場為 (2.16) 在嵌緊外表條件下,邊界條件為u0,p0,可求出A一1。 同樣可得應(yīng)力場為 (2.20)式中,函數(shù) (2.21)同理,對于強吸收媒質(zhì),可得自由外表的應(yīng)力場為(2.22)式中,函數(shù) (2.23) (2.24) 對于嵌緊外表,應(yīng)力場為 (2.25)式中,函數(shù) (2.26)由式2.16至式2.26可見:1超聲應(yīng)力脈沖寬度比入射激光脈沖寬度大,且自由外表的應(yīng)力脈沖寬度增大較多,嵌緊外表的應(yīng)力脈沖寬度增大很少;2嵌緊外表的應(yīng)力脈沖都是單極

36、性的,自由外表的應(yīng)力脈沖都是雙極性的,如圖2.6和圖2.7所示11:3采用梯形入射脈沖波形,當b0和bl時,可得出與三角形和矩形脈沖完全相同的結(jié)論24 。 應(yīng)力脈沖寬度和幅度與激光脈沖的形狀有關(guān),當激光脈沖由三角形向矩形變化時,應(yīng)力脈沖的寬度增量減小.而幅度增加。由此可推想,假設(shè)將入射的激光脈沖改造為矩形脈沖,會大大增強超聲波的瞬時作用力。 當入射激光的功率密度大于樣品外表的損傷閩時,外表材料汽化,對樣品產(chǎn)生所示: 對于金屬,當入射激光脈沖功密度大于107/cm2時,其外表因吸收光能導(dǎo)致溫度急劇升高,當溫度超過材料的熔點時,會有約幾微米深的表層材料發(fā)生燒蝕,局部原子脫離金屬外表,并在外表附近形

37、成等離子體。這一過程可產(chǎn)生很強的垂直于外表的反f作用力脈沖,相當于給外表施加?個時間為沖擊函數(shù)(t)的法向力。從而激發(fā)出幅值較大的超聲波,這種波源形式也可激發(fā)出所有類型的超聲波25。這種機制的超聲激發(fā)效率比熱彈機制高4個數(shù)量級,可以獲得大幅度的縱波,橫波和外表波。但由于它每次對外表產(chǎn)生約O.3的損傷。所以只能用于某些場合,且通常用來產(chǎn)生縱波。2.4.3其他激發(fā)機理 隨著激光技術(shù)的開展,激光脈沖寬度進一步壓縮壓縮至ps 量級,或fs 量級,在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機理的根底上,形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。如熱柵法激發(fā)、熱應(yīng)變激發(fā)、電子應(yīng)變激發(fā)以及非熱機制- 反壓電效應(yīng)激發(fā)等方法。 用兩束來自同一

38、激光器的光脈沖,交叉夾角為 同時入射至樣品,在樣品中或外表形成光干預(yù)圖光強峰- 谷交替,受照射處的樣品吸收此柵狀光能而熱致產(chǎn)生超聲聲子 ,稱為熱柵激發(fā)機理。熱柵法已能激發(fā)頻率可變3MHz -30G Hz的超聲。 熱應(yīng)變激發(fā)是指用一束超短光脈沖照射在基片上的吸收薄膜上,薄膜的受熱升溫部份會產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而激發(fā)超聲波,成為熱應(yīng)變激發(fā)。與納秒級激光相比,皮秒級或飛秒級激光的最大不同之處是它可以通過電子應(yīng)變激發(fā)機理激發(fā)超聲。當高強度、超短光脈沖照射半導(dǎo)體時,共價晶體中原子的價電子脫離原子,但電子來不及在如此短的時間內(nèi)把過剩能量交給晶格,使電子和聲子在非常短暫的期間會失去熱平衡,從而使電子和聲子各有明確

39、的不同的溫度。其中。電子的溫度可以高達 500-600K或更高,電子將以超音速的速度擴散,通過電子- 聲子的復(fù)合把能量傳給晶格而自身冷卻下來。而晶格的溫度變化很小,不會超過幾度。在電子超音速傳遞期間,電子會對介質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力,從而會影響所產(chǎn)生的超聲的波形,稱為電子應(yīng)變激發(fā)機理。電子對介質(zhì)的應(yīng)力將加寬波形,加寬的程度和電子- 聲子復(fù)合程度有關(guān)。 非熱機制-反壓電效應(yīng)激發(fā) 指的是在壓電半導(dǎo)體中光生非平衡態(tài)載流子,當有一瞬態(tài)電場作用時,電子與空穴產(chǎn)生瞬態(tài)別離而產(chǎn)生聲波?，F(xiàn)在,這些技術(shù)已能在頻率為幾百 G Hz已達440GHz 時.成功地以 1-10nm的空間分辨率在室溫測量超聲衰減和速度,使得激光超聲能

40、測材料的微結(jié)構(gòu),并求出微結(jié)構(gòu)中不同組份的力學(xué)性質(zhì)和界面質(zhì)量,這是其他方法不能與之比較的。 3激光超聲檢測技術(shù) 目前,激光超聲的接收主要有傳感器檢測和光學(xué)法檢測兩類。 傳感器檢測包括壓電陶瓷換能器檢測,電磁聲換能器檢測,電容聲換能器檢測。這些檢測方法,可以十分簡便地接收到激光超聲信號,但傳感器必須與樣品接觸,或者非常接近樣品外表,才能獲得高的檢測靈敏度。并且超聲檢測用壓電換能器接收超聲信號這種方法需要用耦合劑,對被測樣品會產(chǎn)生影響。 利用光學(xué)方法探測材料外表的超聲振動是一種新型的無損檢測手段,該方法具有非接觸、靈敏度高等特點,能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測需要耦合劑的缺點,是真正意義上的非接觸、寬帶檢測

41、技術(shù)。光學(xué)法檢測技術(shù)又可細分為非干預(yù)檢測技術(shù)和干預(yù)檢測技術(shù)兩種。目前廣泛使用的是外插干預(yù)儀、共焦 F - P 干預(yù)儀是線性干預(yù)儀,而相位共軛干預(yù)儀,雙波混合干預(yù)儀以及光感生電動勢干預(yù)儀那么屬于非線性光學(xué)的。 非干預(yù)檢測技術(shù)包括刀刃檢測技術(shù),外表柵格衍射技術(shù)和反射率檢測技術(shù)等。 當照射到樣品外表的檢測光束直徑小于激光超聲波長時,檢測光的反射光由于樣品外表超聲振動而發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)大小由刀刃割截的光通量或位移檢測器測定。反射光的偏轉(zhuǎn)值與聲波的幅值及性質(zhì)有關(guān),它反映了外表波和體波的傳播情況,以及樣品的內(nèi)部缺陷和微結(jié)構(gòu)。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單,頻帶寬,環(huán)境振動影響小等優(yōu)點,是對拋光外表樣品進行超聲檢測的有效

42、工具,其裝置如下列圖3.1所示: 光偏轉(zhuǎn)技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡單、對環(huán)境振動不敏感的探測方法,其中最常見的形式是刀口法。如下圖,一束直徑為D的探測激光束被焦距為F1的透鏡L1聚焦至樣品外表,樣品外表因為超聲波傳播引起的局部傾斜,當入射于外表的探測光斑的尺寸比檢測的最短聲波長小時,由聲擾動導(dǎo)致的外表傾斜會使反射光發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)了的反射光束就攜帶了超聲信息,通過焦距為F2的透鏡L2準直,光束在透鏡L2上的光斑直徑為d,利用刀口擋住出射光的一半,另一半被透鏡L3聚焦至光電探測器上進行測定,通過光強的變化探測聲波。 設(shè)反射光束以垂直于刀刃的方向入射,投射到傳感器上的激光強度是高斯分布,是入射光電場強度的振幅

43、,是反射光束直徑,樣品受超聲擾動后外表的傾斜度為,當偏轉(zhuǎn)很小時,光電二極管的輸出光電流為式中:是光電管的靈敏系數(shù),單位是,是入射光束的光強,。同樣假設(shè)超聲引起的外表位,式中為聲傳播常數(shù),是聲振幅,當外表傾斜角很小時 (3.2)平均角度 ,其中為聲波波長,那么光電管輸出電流與聲波的關(guān)系為 (3.3)當聲波為寬頻脈沖波時,可以將脈沖聲波看成簡諧波的疊加 (3.4)和,分別是各頻率分量聲波的振幅和波長。光偏轉(zhuǎn)技術(shù)的信噪比同樣受量子噪聲限制,信噪比為 (3.5) 光偏轉(zhuǎn)技術(shù)可以用來檢測激光超聲波的位移梯度,并且已成熟地應(yīng)用在諸如原子力顯微鏡、激光掃描顯微鏡等儀器中。這種方法結(jié)構(gòu)簡單,因此造價不高,它的

44、缺點在于探測低頻超聲時靈敏度低,并且對樣品外表的要求也比較高。,是光電管的靈敏系數(shù),單位是2.2150.047,是入射光束的光強為(高亮LED), 為聲波波長0.01m,是聲頻帶寬14khz ,是光子頻率6.339470(26)××10-34 J?s ,聲波的振幅為 當入射光斑的尺寸相當于幾個聲波的波長時,由于Bragg效應(yīng)或Raman-Nath效應(yīng),會產(chǎn)生一級或多級衍射光,通過測量衍射光的強度和偏轉(zhuǎn)角,可測定超聲波的特性。 外表衍射技術(shù)是把聲外表波的位移作為電場振幅來檢測,其簡單原理如圖3.3所示: 外表柵衍射技術(shù)是令一束有一定寬度的光束,通常要求寬度為幾個聲波長,垂直投

45、射到受超聲擾動的外表上,超聲擾動使外表形成光柵,由于Bragg效應(yīng)或Raman一Nath效應(yīng),光束發(fā)生衍射,出現(xiàn)一級或多級衍射光分布在鏡式反射的零級光的一側(cè)或兩側(cè)。衍射光的傳播方向由下式?jīng)Q定: (3.7)其中、分別為聲波長和光波長,是衍射光的級數(shù)。當超聲波的振幅比光波長小得多時,第一級和零級衍射光的相對強度為 (3.8)是第一類一階Bessel函數(shù),是峰值外表位移。 脈沖激光照射到樣品的外表上所產(chǎn)生的超聲應(yīng)力能引起樣品光折射率的微小改變,這種微小改變又能引起樣品鏡式或彌散式反射率的變化,通過檢測這種變化,即可得到脈沖激光在薄膜中產(chǎn)生的超聲回波。3.2 干預(yù)檢測技術(shù) 根據(jù)是否使用非線性晶體,干預(yù)

46、檢測技術(shù)又可分為線性干預(yù)檢測技術(shù)和非線性干預(yù)檢測技術(shù)。3.2.1 線性干預(yù)檢測技術(shù) 線性干預(yù)檢測技術(shù)包括自差、外差和共焦Fabry-Perot干預(yù)檢測技術(shù)等,它們使用的干預(yù)儀分別為自差干預(yù)儀、外差干預(yù)儀和共焦Fabry-Perot干預(yù)儀。 自差干預(yù)檢測 自差干預(yù)檢測是將樣品外表直接作為邁克爾遜干預(yù)儀測量臂中的反射鏡,其原理如圖3.4所示。激光器發(fā)射的脈沖激光被分束鏡分成兩路,一路經(jīng)透鏡聚焦后入射到樣品外表,反射光再經(jīng)分束鏡后進入探測器;另一路經(jīng)反射鏡和分束鏡后也進探測器,二者發(fā)生干預(yù)。 設(shè)樣品外表的超聲振動為,激光脈沖被樣品外表反射的相移為,那么兩光束干預(yù)后的光強表達|式為(3.9)式中S為參

47、考光束有效強度透過系數(shù),Q樣品外表反射的檢測光束的有效強度透過系數(shù),為相位,t為時間。其中,相位由干預(yù)儀的光程差決定,并受外界振動影響。 如果在邁克爾遜干預(yù)儀的參考臂中引入頻移系統(tǒng),使參考光產(chǎn)生射頻范圍內(nèi)的頻移,即構(gòu)成外差干預(yù)檢測儀,其示意圖見圖3.5。脈沖激光器發(fā)出的光束,經(jīng)分束鏡分成兩束,其中的一束經(jīng)移頻裝置后有的頻移,經(jīng)反射鏡反射后與樣品外表反射的信號光發(fā)生干預(yù)。由探測器檢測出頻移和干預(yù)光強度,從而得到樣品超聲振動的位移信息 設(shè)信號光的頻率為,參考光的頻率為,那么參考光、信號光的電場矢量,分別為 (3.11)(3.12)其中, 和為信號光和考光的相位, 和 分別為信號光和參考光場的振幅。

48、 信號光和參考光完全準直時,假設(shè)二者的偏振方向和傳播方向相同,并且垂直射到光探測器上。由于光電探測器的輸出正比于合場強的平方,那么光電流為 (3.13)式中三、四、五項是光頻項,光電探測器無法響應(yīng),實際輸出的光電流為 (3.14)式中, 分別為信號光、參考光的直流分量,射頻發(fā)生器的頻率,兩光束的相位差。 式(3.14)是未加超聲信號時的光電探測器的輸出,如果樣品外表的超聲位移為。那么來自樣品外表反射的信號光發(fā)生的相移,這時光電流的表達式為(3.15)由式(3.15)可以看出,光電探測器的輸出電流由直流成份和相位調(diào)制的交流成份組成,其中直流項可以從測量中去除,而相位調(diào)制信號可經(jīng)過調(diào)相解調(diào)后得到所

49、探測的超聲位移u(t),這就是激光外差干預(yù)法探測超聲微振動的原理。用matlab仿真如圖3.8,設(shè)定以下參數(shù), , , 如果信號光和參考光之問存在一定的夾角空間準直角,那么探測器的輸出光電流為27: (3.16)式中,為比例系數(shù),為光電探測器光量子效率,為光敏面的直徑,。 當光電器件的量子噪聲很小時,可以只考慮參考光的散粒噪聲,光外差系統(tǒng)的信噪比為25 (3.17) 由式(3.16),式(3.17)和圖3.8可以看出,信號光與參考光的空間準直性和在分束器上的入射角對外差信號的強度和信噪比有極大的影響。當時,光電流及信噪比到達最大,當,即時,光電流,為了保證有一定的光電流和足夠的信噪比,兩束光間的空間準直角必須滿足,且愈小愈好。 外差干預(yù)檢測的優(yōu)點是用調(diào)制信號去控制載波相位.將激光超聲加載到高頻范圍內(nèi)處理,使載波振蕩的瞬時相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化,有效地抑制低頻噪聲的干擾,能對粗糙外表進行檢測,并對環(huán)境振動有較強的抗干擾能力。與自差干預(yù)檢測相比,外差干預(yù)檢測大大提高了系統(tǒng)的信噪比28。 自差法和外差法的共同特點是對外表位移靈敏29,但它無法消除工業(yè)現(xiàn)場各種振動對探測的干擾.而且這兩種方法只有接收一個光斑時才有最正