【正文】 率，而且激光可以在不同形狀的試件中激發(fā)超聲并且是非 接觸的，易于在高溫、高壓、有毒和放射性等惡劣環(huán)境下進(jìn)行超聲檢測(cè)，適合于超薄材料的檢測(cè)和物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的研究 。在各種結(jié)構(gòu)工程材料的生產(chǎn)過(guò)程中能實(shí)時(shí)檢測(cè)出產(chǎn)品的多種特性參數(shù)，引入閉環(huán)控制，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料損耗，是十分重要的。 1980 和 1982 年， Seruby 和 Dewhurst 等對(duì)激光在金屬中產(chǎn)生的超聲波形進(jìn)行了 定量測(cè)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 [9],為激光超聲的應(yīng)用技術(shù)打下了基礎(chǔ)。 1976 年， Bondarenko 等首先把激光超聲用于材料檢測(cè)。當(dāng)時(shí)， White 和 Askaryan 分別論證了用脈沖激光束在固體和液體 中激發(fā)聲波的方法。因此，本文采用線偏振光作為光源來(lái)改善傳統(tǒng)的干涉光路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了檢測(cè)微弱振動(dòng)信號(hào)的新型線偏振光外差干涉系統(tǒng)。光 學(xué)法檢測(cè)超聲可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是非干涉法，如狹縫法、刀刃法等；另一類(lèi)為干涉法，主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等 [6]。清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) I 目錄 1 引言 .............................................................................................................................. 1 課題 背景 ................................................................................................................... 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r ....................................................................................................... 1 課題意義 ................................................................................................................... 3 課題內(nèi)容 ................................................................................................................... 3 2 激光超聲激勵(lì)技術(shù)研究 .............................................................................................. 5 超聲波的性質(zhì) ........................................................................................................... 5 超聲波的分類(lèi) .......................................................................................................... 5 超聲波的特點(diǎn) ........................................................................................................ 5 超聲波的波型與聲速 ............................................................................................ 6 超聲波的反射折射及波型轉(zhuǎn)換 ............................................................................ 6 超聲波 的檢測(cè) ........................................................................................................... 7 激光產(chǎn)生超聲的原理 ............................................................................................... 9 Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波 ................................................................................. 10 Nd:YAG 激光介紹 .............................................................................................. 10 Nd:YAG 激光 器 工作原理 .................................................................................. 10 本章小結(jié) ................................................................................................................. 11 3 激光外差干涉概述 ........................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。此外，還有使用法布里 珀羅干涉儀 (FairyPerot Interferometer)和光折變干涉儀的方法，但前者性能不穩(wěn)定，后者價(jià)格十分昂貴。該系統(tǒng)用壓電超聲代替激光超聲作為微弱振動(dòng)信號(hào)源，實(shí)驗(yàn)得到了較好的外差干涉信號(hào)，并得到了與壓電探頭振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)一致的探測(cè)信號(hào)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。緊接著， Ramsden， Bunkiny 和Stegman 觀察到強(qiáng)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(huì)隨時(shí)間和距離的增加而衰變成聲波。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10 9nm 的干涉儀檢測(cè)激光 超聲，并對(duì)不銹鋼板的人工缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。 20 世紀(jì) 80 年代中期，加拿大人 J． E Monehalin 提出了用球面共焦FabryPerot 干 涉儀探測(cè)超聲振動(dòng) —— 超聲測(cè)厚技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了在 1m 遠(yuǎn)處對(duì)未拋光的鋼 板進(jìn)行激 光超聲的實(shí)驗(yàn)，向?qū)嵱没~出了一大步 [10]。由于一般的金屬 材料對(duì)于電磁波是不透明的，對(duì)各種粒子射線也有較大的衰減，而對(duì)于超聲波能有效地傳輸，因此超聲方法很早已成為一系列材料元件和工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)，特別是金屬材料的首選方案。 激光超聲是一種新型無(wú)損檢測(cè)方法，早期受激光器件與相關(guān)學(xué)科發(fā)展的限制，自 20世紀(jì) 70年代提出到 80年代中期成為熱點(diǎn)后，未達(dá)到人們預(yù)想的應(yīng)用效果。日前絕大多數(shù)耦合劑的使用溫度都在 100℃以下，常用的超聲換能介質(zhì) PZT。但是這種系統(tǒng)中電磁傳感頭與被 測(cè)件間的工作距離只有數(shù)毫米，且檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱受這一距離變化的影響很大，所以當(dāng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)也存在很多困難。 激光超聲技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)的一大發(fā)展，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了許多電超聲的檢測(cè)盲區(qū)，為超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到很強(qiáng)了的推進(jìn)作用 [15]。特別是對(duì)固體材料的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)研究，以及對(duì)具有生物活性的化學(xué)和生物物質(zhì)的光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)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(cè)技術(shù)難以替代的優(yōu)越性 [16]。 本論文的主要內(nèi)容包括： 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 38 頁(yè) 第一章為引言，主要介紹了課題的研究背景和意義以及相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外的研究情況，由此引出課題的研究?jī)?nèi)容，確定了本文的研究方向。 第三章主要針對(duì)激光外差干涉測(cè)試研究來(lái)討論。最后使用 由 Nd:YAG線偏振激光器， PBS，光電探測(cè)器等部分 ，實(shí)現(xiàn)了 線偏振光外差干涉系統(tǒng) 的 組成 。橫波也在超聲波探傷中有廣泛的應(yīng)用，它的傳播有點(diǎn)類(lèi)似于在繩子一端有規(guī)律地抖動(dòng) 所形成的繩子的振動(dòng)形式，分子和原子在一個(gè)平面上垂直于波浪傳播方向上下振動(dòng)；表面波只是有時(shí)才用在超聲波探傷中，它沿著平面或相對(duì)較厚的曲面?zhèn)鞑?；平面波只是?yīng)用于超聲波探傷的某些場(chǎng)合，僅在厚度只有幾個(gè)波長(zhǎng)大小的材料表面?zhèn)鞑?[17]。工業(yè)上常用的超聲波范圍是： ～ 20MHz 。 () 由上式 ()，我們 可以發(fā)現(xiàn)由于能量（聲強(qiáng)）與頻率的平方成正比關(guān)系，因此超聲波的能量 I1遠(yuǎn)大于聲波的能量 I2?？v波在固、液、氣三種介質(zhì)中均能傳播。 超聲波的反射折射及波型轉(zhuǎn)換 （ 1） 超聲波與介質(zhì)形成的入射反射折射圖如下圖 。焊縫探傷用的橫波就是，經(jīng)過(guò)界面波型轉(zhuǎn)換得到的。探頭發(fā)射和接收超聲波，發(fā)射的超聲波是脈沖波，脈沖超聲在工件中遇界面反射超聲波，超聲再在探頭中換成電信號(hào)經(jīng)放大后顯示，顯示屏上橫座標(biāo)表示超聲波在工件 中傳播的時(shí)間，縱座標(biāo)表示反射的超聲波聲壓，與反射面積大小對(duì)應(yīng)。對(duì)于圓管類(lèi)試件，可使聲束沿管子的軸向和周向兩個(gè)方向傾斜入射，此時(shí)超聲橫波在管壁內(nèi)沿鋸齒形路線傳播，可 以檢測(cè)出管子中多種方向的不連續(xù)性。 （ 2）超聲波速度測(cè)量法 一些研究工作表明，超聲波的傳播速度與材料的孔隙率，碳化硅增強(qiáng)劑含量清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 38 頁(yè) 和各向異性等因素有關(guān)，也與材料的楊氏模量有關(guān)。試樣的超聲衰減與材料斷裂韌性的關(guān)系為，試件背面反射回波的次數(shù)代表了材料聲衰減的大小，反射次數(shù)愈少說(shuō)明衰減愈大。支點(diǎn)和敲擊點(diǎn)的位置符合管子彎曲振動(dòng)基頻諧振的激發(fā)條件。由于超聲反射法不能檢查出管子中的疏松缺陷，因此聲學(xué)振動(dòng)法有可能與超聲反射法起互補(bǔ)作用。由于工業(yè) CT密度分辨率和空間分辨率比射線照相法要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此它對(duì)各種缺陷的檢出能力大大優(yōu)于射線照相法。在生產(chǎn)中，通常要求對(duì)管子進(jìn)行 100%的拉伸強(qiáng)度驗(yàn)收試驗(yàn)。直接式是使激光與被測(cè)材料直接作用，通過(guò)熱彈性效應(yīng)或燒蝕作 用等激發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測(cè)材料周?chē)钠渌镔|(zhì)作為中介來(lái)產(chǎn)生超聲波。但熱彈激發(fā)超聲過(guò)程中，光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率很低。這時(shí)將有一小部分表面物質(zhì)被噴射出來(lái)，從而給樣品表面施加了一個(gè)非常高的反作用力，導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生。 一般認(rèn)為，固體中激光激 勵(lì)超聲波的機(jī)理隨入射激光的功率密度和固體表面條件的不同而改變。 Nd:Y3Al5O12)或中文稱(chēng)之為釔鋁石榴石晶體，釔鋁石榴石晶體為其 激活 物質(zhì) ，體晶體內(nèi)之 Nd 原子含量為 ～ ％，屬固體激光，可激發(fā)脈沖激光或連續(xù)式激光，發(fā)射之激光為紅外線波長(zhǎng) 。激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等 [19]。 Nd:YAG 激光超聲利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱應(yīng)力區(qū)，從而在物體內(nèi)部 產(chǎn)生應(yīng)力波 (即超聲波 )。 應(yīng)力 ???? () 式中 ? 為彈性常數(shù)。調(diào) Q 的 Nd:YAG 固體激光器，作為激光源可調(diào)的最大能量是 300 mJ，重復(fù)頻率為 10Hz，可發(fā)出直徑為 5 mm 的激光光斑。通過(guò)改變激發(fā)激光的幾何形狀可以控制能量在材料中的分布以及對(duì)材料的影響。在高能作用下，物體的溫度升高，超過(guò)了其蒸發(fā)溫度，產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，使材料表面氣化，形成等離子體，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成彈 性波源，該方式稱(chēng)為熱蝕效應(yīng)。這一稱(chēng)法或?qū)懛◤V為流傳，并一直沿用至今，其使用率并不亞于無(wú)損檢測(cè)一詞。實(shí)際上，這些不同的英文及其相應(yīng)的中文術(shù)語(yǔ)，它們具有的意相同，都是同義詞。除了 5種常規(guī) (射線、超聲、磁粉、滲透和渦流 )方法外，還有紅外、激光、聲發(fā)射、微波，工業(yè) CT 等。如用熒清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 38 頁(yè) 光屏代替膠片，可直接觀察被檢物體的內(nèi)部情況。最常用的超聲檢測(cè)是脈沖探傷。材料在外部因素作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射，被聲傳感器接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后送至信號(hào)處 理器，從而測(cè)量出聲發(fā)射信號(hào)的各種特征參數(shù)。 磁粉探傷 (magictesting)。 1935年， X 射線開(kāi)始用于檢查飛機(jī)木質(zhì)螺旋槳。 傳感器檢測(cè)包括壓電陶瓷換能器檢測(cè)，電磁聲換能器檢測(cè)，電容聲換能器檢測(cè)。光學(xué)法檢測(cè)技術(shù)又可細(xì)分為非干涉檢測(cè)技術(shù)和干涉檢測(cè)技術(shù)兩種。與常規(guī)超聲檢測(cè)相比，激光超聲檢測(cè)的主要優(yōu)越性是： (1)能實(shí)現(xiàn)一定距離之外的非接觸檢測(cè)，不存在耦合與匹配問(wèn)題。為了提高光學(xué)干涉測(cè)量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)移植到光干涉測(cè)量領(lǐng)域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術(shù) [21]。其探