激光超聲產(chǎn)生、檢測及其應(yīng)用

激光超聲產(chǎn)生、檢測及其應(yīng)用

激光超聲技術(shù)是一種利用激光產(chǎn)生和檢測超聲的新交叉學(xué)科。進(jìn)行超聲傳播研究和材料特征的損失評估。與傳統(tǒng)的壓電換能器技術(shù)相比,激光超聲最主要的優(yōu)點(diǎn)是非接觸檢測,它消除了壓電換能器技術(shù)中的耦合劑的影響,可用于各種較復(fù)雜形貌試樣的特性檢測,加上它又是一種寬帶的檢測技術(shù),并能用光波波長為測量標(biāo)準(zhǔn)而精確測量超聲位移,所以是一種極有應(yīng)用前景的新的無損檢測技術(shù)。本文將對激光超聲產(chǎn)生、檢測及其應(yīng)用三方面作簡要介紹。1點(diǎn)聲源激發(fā)源及表面修飾技術(shù)與壓電換能器在固體中產(chǎn)生超聲的原理所不同的是,壓電技術(shù)是利用壓電晶片將電能轉(zhuǎn)換成聲能,再由耦合劑傳輸?shù)焦腆w試樣。而激光超聲的產(chǎn)生則是由固體媒質(zhì)直接與脈沖激光相作用,由吸收的光能而轉(zhuǎn)變成聲能。激光超聲源是直接在媒質(zhì)體內(nèi),因此,激光超聲的產(chǎn)生,不僅與激光束的時(shí)間、空間特性有關(guān),而且還與材料本身的光學(xué)、熱學(xué)及力學(xué)特性有關(guān)。目前最常用的激光超聲激發(fā)技術(shù)是用約10ns脈寬的脈沖激光束來照射試樣表面,如果激光束通過一球面透鏡聚焦到試樣表面,就可以形成一很好的點(diǎn)聲源。如果通過一柱面透鏡聚焦,就可以形成一線聲源。若照射試樣表面的激光光功率密度低于試樣表面的損傷閾,這時(shí)形成的是對試樣表面無損傷的熱彈源,理論上它相當(dāng)于時(shí)間上是階躍函數(shù)H(t)的切向力源。當(dāng)激光的光功率密度大于試樣表面的損傷閾,這時(shí)由于試樣表面材料汽化而對試樣產(chǎn)生一法向沖力,形成了時(shí)間為脈沖函數(shù)δ(t)的法向力源,稱為燒蝕激發(fā)源。圖1是由熱彈線源和燒蝕線源產(chǎn)生的表面波理論波形及用干涉儀接收的實(shí)驗(yàn)波形。圖1中實(shí)驗(yàn)與理論完全一致的結(jié)果表明激光超聲的激發(fā)不僅是有效,而且是十分理想的階躍或脈沖聲源,它對于聲傳播理論的研究是非常重要的。激光超聲的燒蝕激發(fā)比熱彈激發(fā)更有效,但它會損傷試樣表面。為了使激光超聲技術(shù)成為高檢測信噪比的無損檢測技術(shù),近年來又發(fā)展了各種表面修飾技術(shù)。濕表面技術(shù)是一種最簡單而又有效的表面修飾技術(shù)。在試樣表面涂一層油,蒸一層吸光膜,或放一滴水,就可以產(chǎn)生類似燒蝕激發(fā)源相當(dāng)?shù)男Ч?而又不損傷試樣表面。脈沖激光產(chǎn)生的超聲脈沖是一寬帶的信號,很容易受到寬帶噪聲的干擾。如果把激光脈沖功率分散照射到試樣表面,如圖2所示那樣通過一空隙寬度是漸變的掩膜板,在試樣表面形成一線性調(diào)頻源陣。這樣可以用匹配濾波技術(shù)來提高信號的檢測信噪比,圖3a是接收到的表面波信號,圖3b是經(jīng)過匹配濾波器后的結(jié)果,信噪比提高了15倍。此外,利用激光腔內(nèi)鎖模、激光器陣的定時(shí)激發(fā),Bragg聲光調(diào)制等技術(shù),也可激發(fā)出增強(qiáng)的窄帶超聲體波或表面波。探索提高檢測信噪比和聲激發(fā)效率的新技術(shù),目前仍是激光超聲的研究熱點(diǎn)。2結(jié)構(gòu)的組成和特點(diǎn)激光超聲的接收主要有傳感器檢測和光學(xué)法檢測兩類,利用PVDF壓電薄膜直接與試樣耦合,或利用靜電傳感器、電磁聲換能器等寬帶換能器,可以十分簡便地接收到激光超聲信號,但傳感器必須與試樣接觸,或者非常接近試樣表面,以獲得高的檢測靈敏度。光學(xué)法是真正意義上的非接觸、寬帶檢測技術(shù)。它主要有刀刃法和干涉法兩類,而光干涉法又可分為線性和非線性光干涉儀。像目前廣泛使用的外差干涉儀,共焦Fabry-Pérot干涉儀是線性光干涉儀。而相位共軛干涉儀,雙波混合干涉儀,以及光感生電動勢(Photo-EMF)干涉儀則屬于非線性光學(xué)的,因?yàn)樗鼈兪褂昧朔蔷€性晶體。共焦F-P干涉儀具有帶寬、靈敏及較大的入射孔徑的特點(diǎn)。但通常只能測量法向位移。如果在試樣表面用一薄膜光柵加以修飾,這樣就可以同時(shí)測量表面的法向和切向位移。當(dāng)檢測激光束入射到一粗糙試樣表面時(shí),反射光的波前由于表面散射而畸變。相位共軛干涉儀是將這畸變的反射波前再經(jīng)一相位共軛鏡(如BaTiO3晶體)反射而變成有共軛相位的畸變波前。當(dāng)這光束再入射到反射區(qū)時(shí),畸變的相位得到了補(bǔ)償而“復(fù)原”。這樣,它與原入射波前相干涉,就可獲得試樣表面的運(yùn)動信息。而雙波混合干涉儀是將由試樣表面反射信號光束與參考光束在非線光學(xué)晶體(像BaTiO3等)中相干涉而形成動態(tài)光柵,再讓參考光束通過這光柵而形成一波前“畸變”的參考光束,它與“畸變”的信號光束再相干涉,達(dá)到測量試樣表面的目的。光感生電動勢(Photo-EMF)干涉儀是利用了像GaAS這類晶體的干涉儀。這類晶體能生成和貯存一個(gè)內(nèi)電場,而這內(nèi)電場的分布與入射光束的空間強(qiáng)度分布相對應(yīng)。當(dāng)這空間光強(qiáng)分布作橫向移動時(shí),貯存的空間電荷場會發(fā)生一時(shí)變的電流輸出。所以,它不需要額外的光電檢測器,它可以通過晶體上干涉條紋圖像的移動而測量試樣的法向位移。Photo-EMF器件像普通的半導(dǎo)體器件一樣,可以集成。而且有較高的截止頻率,像GaAs的Photo-EMF器件的截止頻率可高達(dá)80MHz。所以,它是一種極有發(fā)展前景的激光干涉儀。3彈性常數(shù)的計(jì)算基于激光超聲技術(shù)的非接觸、遙測、寬帶等特點(diǎn),它尤其適用于新型薄膜材料、復(fù)雜形狀表面的結(jié)構(gòu),以及高溫、高壓等惡劣環(huán)境下系統(tǒng)的無損評估,例如熱軋鋼管壁厚的在線檢測,飛機(jī)整體機(jī)身的激光超聲成像等等。用化學(xué)蒸發(fā)沉積而人工制備的CVD金剛石薄膜,是一種非常有應(yīng)用前景的新材料,它具有比通常金屬高得多的聲速,因此,測定CVD金剛石膜的彈性常數(shù)是十分必要的。由于薄層材料的切變速度很難測定,所以可以用激光超聲技術(shù)測量材料的縱波聲速C1和表面波速度CR,由頻率方程:[2?(CRC2)2]2=4[1?(CRC1)2]12[1?(CRC2)2]12(1)[2-(CRC2)2]2=4[1-(CRC1)2]12[1-(CRC2)2]12(1)可以計(jì)算出切變波速C2。利用材料彈性常數(shù)與k=C1/C2之間的關(guān)系式就可確定金剛石膜的Lame常數(shù)λ和μ,楊氏模量E,體積彈性模量B和泊松比ν:λ=ρC22(k2?2),μ=ρC22E=ρC22(4?3k2)/(1?k2)B=ρC22(k2?4/3)(2)ν=(2?k2)/(2?2k2)λ=ρC22(k2-2),μ=ρC22E=ρC22(4-3k2)/(1-k2)B=ρC22(k2-4/3)(2)ν=(2-k2)/(2-2k2)表1是厚為(1.364±0.016)mm的CVD金剛石試樣用激光超聲測得的彈性常數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于金剛石試樣的成核表面的晶粒尺寸約10μm,而在自由生長表面為約30μm,兩表面上的表面波速CR就有差異。表1中給出這兩種情況分別估算出的彈性常數(shù)。利用材料表面殘余應(yīng)力與表面波速度CR之間的關(guān)系,激光超聲技術(shù)可以方便地評估彎曲表面試件的應(yīng)力狀態(tài)。表2是三根表面狀況不同的鋼棒A、B、C,用激光超聲測得的環(huán)行表面波速CR和沿軸向表面波速CRZ的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中C*R是用壓電換能器得到的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明。CARRA>CCRRC>CBRRB這意味著棒A表面的殘余應(yīng)力最大,它是直接車削后的表面,而棒B是加工后退火的狀況,殘余應(yīng)力最小,棒C是退火后再經(jīng)過淬火調(diào)質(zhì)