【正文】 0 年代以來(lái)，激光超聲技術(shù)因其頻帶較寬、模式多樣、具有很高的時(shí)間和空間分辨率等特性，在無(wú)損探傷領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，已發(fā)展成為超聲學(xué)的一個(gè)重要分支 [12]。光 學(xué)法檢測(cè)超聲可分為兩大類：一類是非干涉法，如狹縫法、刀刃法等；另一類為干涉法，主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等 [6]。較常用的當(dāng)屬外差干涉法 [7]，該方法最大的特點(diǎn)是將微弱的激光超聲信號(hào)加載到高頻范圍內(nèi)進(jìn)行處理，從而避開了低頻 1／ ?噪聲的干擾。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)。 雖然超聲技術(shù)已獲得極大成功，但在應(yīng)用過(guò)程中傳統(tǒng)超聲技術(shù)還是暴露出許多不足之處。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。之后。 1976 年， Bondarenko 等首先把激光超聲用于材料檢測(cè)。之后，清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 2 頁(yè) 共 38 頁(yè) Hutehins 和 Nedeou 等用 Nd:YAG 和帶寬為 45MHz，位移 靈敏度為 1nm 的干涉儀進(jìn)行了表面缺陷的實(shí)驗(yàn)。 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)。 20 世紀(jì) 90 年代中期， Y Dagata， J． Huang， J． D． Achenbach 和 Krishnaswamy 等進(jìn)行了一系列的理論和應(yīng)用研究工作 近幾年，激光超聲機(jī)理和技術(shù)的研究有了更大發(fā)展，在激光超聲信號(hào)的激發(fā)、接收、傳播理論，以及應(yīng)用等方面取得很大進(jìn)展 [11]。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。常規(guī)的超聲檢測(cè)中，超聲波是由壓電或壓磁換能器產(chǎn)生的，在檢測(cè)時(shí)必須通過(guò)耦合劑與試件耦合，由于換能器本身帶寬的限制及換能器與試件之間的耦合等因素影響，無(wú)法產(chǎn)生很窄的單個(gè)超聲脈沖。利用激光激發(fā)可以重復(fù)產(chǎn)生很窄的超聲脈沖，在時(shí)間和空間均具有極高的分辨率，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 。 20世紀(jì)末至今，隨著激光、電子、計(jì)算機(jī)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，經(jīng)過(guò)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(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。然而當(dāng)溫度升高時(shí)，大多數(shù)耦合劑將汽化，失去粘性并產(chǎn)生化學(xué)變化，從而使得超聲檢測(cè)變得十分困難。其工作溫度一般不能高于 300℃，即使換成其它高溫材料，工作溫度也很難超過(guò) 700℃。采用電磁聲換能器 (既 AT)并配上適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高溫下的非接觸式檢測(cè) [13]。工業(yè) CT技術(shù)作為一種無(wú)損檢側(cè)手段具有很多優(yōu)點(diǎn)，美國(guó) IDM公司曾采用工業(yè) CT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)每秒數(shù)米延伸速度的熱軋鋼管作在線檢測(cè)、監(jiān)控 [14]。被測(cè)件的最大允許尺寸也往往受到一定限制，因而還難于實(shí)現(xiàn)一般的工業(yè)使用。激光超聲技術(shù)利用高能激光脈沖來(lái) 激發(fā)超聲，與傳統(tǒng)超聲技術(shù)相比，具有許多得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。目前，激光超聲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料的缺陷探測(cè)和定位，內(nèi)部損傷過(guò)程監(jiān)測(cè)和斷裂機(jī)理研究等工程領(lǐng)域中。因此。 課題內(nèi)容 通過(guò)對(duì) 激光激勵(lì)超聲波的 基本概念、 Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波的工作 原理、光外差干涉的原理和測(cè)量方法、 聲光調(diào)制器的工作原理及使用方法等的掌握， 以此為基礎(chǔ)構(gòu)成光外差干涉檢測(cè)激光超聲波的裝置，從而達(dá)到利用光外差干涉技術(shù)對(duì) 激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行研究的目的。 第二章對(duì) 光外差干涉檢測(cè)激光超聲波 工作過(guò)程中所需用到的關(guān)鍵技術(shù)及原理說(shuō)明 ，為論文的研究提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。 然后 激光 介紹了 產(chǎn)生超聲波的方法 技術(shù)，重點(diǎn)介紹了 利用 Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波的工作 原理 如 熱彈機(jī) 理 、燒蝕機(jī) 理 及其特點(diǎn) 。首先，介紹了 光電檢測(cè)系統(tǒng)中的激光超聲檢測(cè) ，然后光外差干涉原理光外差探測(cè)系統(tǒng)，最后激光外差干涉 系統(tǒng)中的 測(cè)長(zhǎng)的工作原理。主要由頻移裝置，連續(xù)激光器，分光鏡，反光鏡，激光超聲源 ，光電探測(cè)器，信號(hào)處理器，示波器等部分組成。 第五章對(duì)論文主要工作的總結(jié)和展望?？v波傳導(dǎo)時(shí)，每個(gè)粒子都在平行于波動(dòng)前進(jìn)方向上振動(dòng)，呈現(xiàn)交替密集或稀疏的變化，在超聲波探傷中最常用。界面處超聲波的反射與材料的物理狀態(tài)關(guān)聯(lián)較大，而與材料本身的物理性能關(guān)聯(lián)較小。我們能夠聽到聲音是因?yàn)槁暡▊鞯搅宋覀兊亩鷥?nèi)，聲波的頻率在 20HZ～ 20200HZ，頻率低于或超過(guò)上述范圍時(shí)人們 無(wú)法聽到聲音，頻率低于 20HZ的聲波稱為次聲波，頻率超過(guò) 20200HZ的聲波稱為超聲波。其中金屬最常用的頻率是： 1～ 5MHz；探水泥構(gòu)建用的頻率是： ,如 100KHz,200KHz。 超聲波的特點(diǎn) （ 1）有良好的指向性； （ 2）能量高； I1/I2=1MHz2/1KHz2=100萬(wàn)倍。 （ 3）傳播路徑與光線相同呈直線傳播，并在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，在傳播過(guò)程中還有干涉、疊加、繞射現(xiàn)象，故可以充分利用這些幾何、物理特征清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 6 頁(yè) 共 38 頁(yè) 進(jìn)行檢測(cè)。 超聲波的波型與聲速 （ 1） 縱波 （ L） 縱波定義為質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播在水平方向上的超聲波。 （ 2）橫波（ S） 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播垂直方向上的超聲波，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到的是交變剪切應(yīng)力的作用，因此也稱作切變波。 （ 3）表面波在不同固體的介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆曀俨煌?。入射縱波反射折射波型轉(zhuǎn)換縱波傾斜入射到不同介質(zhì)的表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射縱波、反射橫波、折射縱波、折射橫波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。這時(shí)在第二介質(zhì)中已沒有 縱波，只有橫波。 （ 3）第二臨界角 當(dāng)縱波入射角繼續(xù)增大時(shí)，在第二介質(zhì)中的橫波折射角也增大，當(dāng) β S達(dá) 90度時(shí)，第二介質(zhì)中沒有超聲波，超聲波都在表面，為表面波。一般設(shè)定的橫波折射角用橫波折射角度的正切值表示，如 K=2（ K值根據(jù)厚度和寬度選擇）。 超聲波檢測(cè)主要包括三個(gè)特點(diǎn)： 1）面積型缺陷檢出率高，體積型缺陷檢出率低； 2）適合較大厚度工件的檢驗(yàn)； 3）材質(zhì)晶粒度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有影響。這種方法通常對(duì)其平面垂直于聲束的不連續(xù)性尤其敏感，因此特別適合于檢測(cè)復(fù)合材料中平行于試件表面的層狀不連續(xù)性。用顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)的復(fù)合材料坯料及用坯料制成的擠壓件、鍛件和板材，特別適合于采用超聲波反射法進(jìn)行檢驗(yàn)，目前已在生產(chǎn)中應(yīng)用，如美國(guó) ACMC公司等。通常對(duì)薄壁金屬管材都采用超聲反射法檢驗(yàn)，以水浸聚焦的方式進(jìn)行，需要昂貴的傳動(dòng)裝置。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)。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。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)。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。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。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。 （ 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。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。 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。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 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) 損傷的判據(jù)。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。 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。 （ 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。由于激發(fā)功率的密度較低，表層的局部升溫沒有導(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)。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)。 （ 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。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)。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。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。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 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: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，大部份沒被吸收的光譜能量轉(zhuǎn)換成熱能，所以能量的使用率偏低。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 。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。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。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)。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 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。 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。 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。 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。 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 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 應(yīng)力波動(dòng)能的形式表現(xiàn)出來(lái)。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。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)。 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。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 的寫法大多相同外，其后半部分的寫法就各異了。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)形式和寫法。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法的術(shù)語(yǔ)統(tǒng)一起