【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 驗(yàn)，以水浸聚焦的方式進(jìn)行，需要昂貴的傳動(dòng)裝置。 （ 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)。目前國(guó)外已發(fā)展了速度掃描技術(shù)，該技術(shù)可將試件各部 位的聲速用圖像方式直觀地顯示出來(lái)。 （ 3）超聲波衰減法 超聲波衰減法利用超聲波穿透試件后衰減值的相對(duì)變化來(lái)判斷試件質(zhì)量。測(cè)量超聲衰減的技術(shù)通常有試件背面回波法、穿透法和反射板法 (兩次穿透法 ) 等。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。該中心根據(jù)反射次數(shù)的多少對(duì)材料確定了優(yōu)、良、差三個(gè)等級(jí)。 （ 4）聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)法 聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)法是一種新穎的檢測(cè)技術(shù)，它是為檢測(cè)復(fù)合材料而發(fā)展起來(lái)的。在檢測(cè)時(shí)將管子裝在一個(gè)有兩個(gè)支點(diǎn)的支架上，用一個(gè)低頻敲擊 器周期性地敲擊管子。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。通過(guò)敲擊器中的敲擊頭對(duì)管子的敲擊激發(fā)管子作自由衰減彈性振蕩。敲擊器兼作接收器，將管子的振蕩變成電信號(hào)輸入到頻譜分析儀，并用 XY記錄儀記錄振蕩的頻譜。聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)法可以檢測(cè)出管子身部的嚴(yán)重疏松 (對(duì)一般疏松的檢測(cè)能力還有待進(jìn)一步試驗(yàn) )，但對(duì)裂紋缺陷很不敏感。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。 （ 5） X射線檢測(cè)法 X射線照相法是檢查復(fù)合材料中孔隙、夾雜等體積型缺陷的優(yōu)良方法， 對(duì)增強(qiáng)劑分布不勻也有一定的檢出能力，因此是一種不可缺少的檢測(cè)手段。這種方法對(duì)分層缺陷的檢測(cè)很困難，對(duì)裂紋一般只有當(dāng)裂紋平面與射線束大致平行時(shí)方能檢出，所以通常只能檢測(cè)與試件表面垂直的裂紋，可與超聲反射法起互補(bǔ)作用。早在 80年代，杜邦公司就已應(yīng)用工業(yè) CT檢測(cè)金屬基復(fù)合材料。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。 CT檢測(cè)的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，使其在生產(chǎn)中的應(yīng)用受到了一定的限制。 （ 6）聲發(fā)射檢測(cè)法 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)也是無(wú)損檢測(cè)中的一項(xiàng)重點(diǎn)研 究項(xiàng)目。有研究指出，振鈴計(jì)數(shù)、高幅度和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間信號(hào)，費(fèi)利西蒂比和恒載聲發(fā)射特性可作為評(píng)價(jià)材料中清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) 損傷的判據(jù)。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)。但是在拉伸試驗(yàn)中通過(guò)了考核載荷的管子并不意味著絕對(duì)不存在潛在的損傷 (纖維斷裂、界面分離等 )，這些損傷有可能在使用過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)展而造成產(chǎn)品的破壞。為此，在拉伸強(qiáng)度驗(yàn)收試驗(yàn)中進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)控是十分必要的和有效的。 激光產(chǎn)生超聲的原理 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(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)材料周圍的其它物質(zhì)作為中介來(lái)產(chǎn)生超聲波。 （ 1）熱彈機(jī)制 當(dāng)入射光的功率密度較低時(shí)，材料表層由于吸收光能導(dǎo)致局部升溫，引起熱膨脹而產(chǎn)生表面切向壓力，同時(shí)激發(fā)出橫波、縱波和表面波。在這種機(jī)制下，聲信號(hào)的幅度隨著激發(fā)功率的增加而線性增加。由于激發(fā)功率的密度較低，表層的局部升溫沒(méi)有導(dǎo)致材料的任何相變，因而具有嚴(yán)格無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)。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。為了提高熱彈激發(fā)超聲的效率，常在固體表面涂各種涂層 (如水，油 )，以增加表面的光吸收系數(shù)。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。 （ 2）燒蝕機(jī)制 當(dāng)入射光的功率密度逐漸升高時(shí)，材料表層的瞬態(tài)升溫將逐步導(dǎo)致材料的熔化、汽化和形成等離子體。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。在這種機(jī)制下可以獲得大幅度的縱波和表面波，激發(fā)效率比熱彈機(jī)制高 4 個(gè)數(shù)量級(jí)。但由于它每次對(duì)表面產(chǎn)生約 m 的損傷，所以只能用于某些場(chǎng)合，且通常用來(lái)產(chǎn)生超聲縱波。熱彈機(jī)制由于對(duì)表面無(wú)損傷，且能產(chǎn)生各種波形，所以現(xiàn)在用得最多。 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。對(duì)于表面干凈的、無(wú)約束的固體來(lái)說(shuō)，如果入射激光的功率密度較低，激光能量不足以使固體熔化，則在產(chǎn)生過(guò)程中，熱彈機(jī)制將起主要作用。在激光功率密度較高的情況下，溫度上升將使固體局部融化，以至出現(xiàn)燒蝕，此時(shí)，盡管熱彈機(jī)制仍然存在，但是燒蝕效應(yīng)起決定性的作用。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 38 頁(yè) Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波 Nd:YAG 激光介紹 Nd:YAG 為其英文簡(jiǎn)化名稱，來(lái)自 (Neodymiumdoped Yttrium Aluminium Gar。 Nd:Y3Al5O12)或中文稱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) 。 Nd:YAG 激活物質(zhì)晶體使用之泵浦燈管主要為氪氣 (krypton)或氙氣 (Xenon)燈管，泵浦燈的發(fā)射光譜是一個(gè)寬帶連續(xù)浦，但僅少數(shù)固定的光譜峰被 Nd 離子吸收 [18]，所以泵浦燈僅利用了很少部份的光譜能量，大部份沒(méi)被吸收的光譜能量轉(zhuǎn)換成熱能，所以能量的使用率偏低。 Nd:YAG 激光 器 工作原理 除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過(guò)損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(lì)（或抽運(yùn)）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來(lái)能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件 。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]。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。激光器中常見(jiàn)的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（ 見(jiàn)光學(xué)諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長(zhǎng)度，還能通過(guò)改變諧振腔長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。 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 )。如圖 所示，在較低的吸收率下，表面吸收的熱量不超過(guò)其融化溫度，產(chǎn)生的是短時(shí)膨脹過(guò)程，與該膨脹相關(guān)的應(yīng)力波絕大部分在彈性范圍內(nèi)，該模式稱為熱彈效應(yīng)；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，使材料表面汽化，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，該產(chǎn)生超聲的模式稱為熱蝕效應(yīng)。通常所說(shuō)激光超聲是指熱彈效應(yīng)。在熱彈效應(yīng)區(qū)內(nèi)，激光清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 共 38 頁(yè) 產(chǎn)生的應(yīng)力波大小與吸收光的能量成正比，在能量分布均勻的情況下，可用一維模型來(lái)描述激光在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力σ。 應(yīng)力 ???? () 式中 ? 為彈性常數(shù)。 熱應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變 ? ?? ? CE????? ? ??? 11 () 式中 ? 為泊松比； ? 為 線性膨脹系數(shù)； E? 為被材料表面吸收的激光能量； ?為材料密度； C 為材料的特征熱。由于激勵(lì)的脈沖激光器與被檢物體表面之間無(wú)需機(jī)械連接和接觸、無(wú)需耦合劑且檢測(cè)能量可調(diào)等特點(diǎn)，使得激光超聲技術(shù)在工程上有較大的應(yīng)用前景。 圖 激光激勵(lì)方式 試驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述課題研究的激光激勵(lì)方法可以較好地在復(fù)合材料中激發(fā)出超聲波。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。 當(dāng)激光入射到材料上時(shí)，所產(chǎn)生的超聲波以不同的類型傳播出去，主要有縱波、橫波和表面波。影響超聲波傳播特性的因素很多，主要有材料對(duì)激光光能量的吸收程度、材料的熱傳導(dǎo)特性、激勵(lì)激光的頻率、材料表面的光滑程度等。 本章小結(jié) 當(dāng)激光的能量聚焦照射到彈性材料表面時(shí)，部分會(huì)轉(zhuǎn)移到材料本身并以熱能和超聲源 固體 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 應(yīng)力波動(dòng)能的形式表現(xiàn)出來(lái)。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。激光超聲就是 利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，通過(guò)熱彈效應(yīng)（少數(shù)情況是熱蝕效應(yīng)）在固體表面產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)，使粒子產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。根據(jù)入射到物體表面激光能量的不同，激光脈沖在物體表面產(chǎn)生的這種熱效應(yīng)可分為熱彈效應(yīng)和熱蝕效應(yīng)兩種。在較低的吸收率下，表面吸收的熱量不超過(guò)其融化溫度，產(chǎn)生的是短時(shí)膨脹過(guò)程，與該膨脹相關(guān)的應(yīng)力波絕大部分在彈性范圍內(nèi)，該方式稱為熱彈效應(yīng)。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，該方式稱為熱蝕效應(yīng)。在熱彈性區(qū)，激光產(chǎn)生的應(yīng)力波大小與吸收光的能量呈正比，對(duì)于均勻能量分布，可用一維模型描述激光束在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力，其在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力 應(yīng)變與材料表面吸收的激光能量呈正比統(tǒng)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 38 頁(yè) 3 激光外差干涉概述 光電檢測(cè) 系統(tǒng)分類 光電檢測(cè)系統(tǒng)的分類有五個(gè)主要的方向：①按信息光源分為主動(dòng)系統(tǒng)和被動(dòng)系統(tǒng)； ② 按接受系統(tǒng)分為點(diǎn)探測(cè)和面探測(cè)系統(tǒng)； ③ 按調(diào)制和信號(hào)處理方式分為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)； ④ 按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分為直接檢測(cè)系統(tǒng)和光外差檢測(cè)系統(tǒng)； ⑤ 按光源波長(zhǎng) 分為紅外系統(tǒng)和可見(jiàn)光系統(tǒng) 。 在我國(guó)，無(wú)損檢測(cè)一詞最早被稱之為探傷或無(wú)損探傷，其不同的方法也同樣被稱之為探傷，如射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷等等。這一稱法或?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。在國(guó)外，無(wú)損檢測(cè)一詞相對(duì)應(yīng)的英文詞，除了該詞的前半部分 ——即 non destructive 的寫(xiě)法大多相同外，其后半部分的寫(xiě)法就各異了。如日本習(xí)慣寫(xiě)作 inspection，歐洲不少國(guó)家過(guò)去曾寫(xiě)作 flaw detection、現(xiàn)在則統(tǒng)一使用 testing，美國(guó)除了也使用 testing 外，似乎更喜歡寫(xiě)作 examination 和 evaluation。這些詞與前半部分結(jié)合后，形成的縮略語(yǔ)則分別是 NDI、 NDT 和 NDE，翻譯成中文就出現(xiàn)了無(wú)損探傷、無(wú)損檢查 (非破壞檢查 )、無(wú)損檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)、無(wú)損評(píng)價(jià)等不同術(shù)語(yǔ)形式和寫(xiě)法。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。為此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織無(wú)損檢測(cè)技術(shù)委員會(huì)制定并發(fā)布了一項(xiàng)新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，旨在將這些不同形式和寫(xiě)法的術(shù)語(yǔ)統(tǒng)一起來(lái)，明確它們是有一個(gè)相同定義的術(shù)語(yǔ)、都是同義詞，即等同于無(wú)損檢測(cè) (non destryctive testing)。而不同的寫(xiě)法，僅僅是由于語(yǔ)言習(xí)慣不同而已。 目前用于無(wú)損檢測(cè)的方法很多。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。下面是一些常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)的方法： 射線探傷 (radiographictesting)。利用 X 射線或 γ射線在穿透被檢物各部分時(shí)強(qiáng)度衰減的不同，檢測(cè)被檢物的缺陷。若將受到不同程度吸收的射線投射到 X射線膠片上，經(jīng)顯影后可得到顯示物體厚度變化和內(nèi)部缺陷情況的照片。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。 超聲檢測(cè) (ultrasonictesting)。利用物體自身或缺陷的聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響，來(lái)檢測(cè)物體的缺陷或某些物理特性。在超聲檢測(cè)中常用的超聲頻率為～ 5兆赫 (MHz)。最常用的超聲檢測(cè)是脈沖探傷。 聲發(fā)射檢測(cè) (acousticemissiontesting)。通過(guò)接收和分析材料的聲發(fā)射信號(hào)來(lái)評(píng)定材料的性能或結(jié)構(gòu)完整性。材料中因裂縫擴(kuò)展、塑性變形或相變等引起應(yīng)變能快速釋放而產(chǎn)生應(yīng)力波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。材料在外部因素作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射，被聲傳感器