金士杰 安志武廉國選 毛 捷 王小民

(中國科學院聲學研究所 北京 100190)

1 引言

光彈法通過光學方法來解決彈性力學問題，其物理基礎是暫時雙折射現(xiàn)象。上世紀20年代初，光彈法開始發(fā)展。30年代應力凍結現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，這為解決三維光彈問題奠定了基礎。40年代儀器設備的改進和新型材料的使用，解決了一系列彈性力學的難題，使光彈法成為比較完善的技術。隨后激光的出現(xiàn)，計算機及圖像處理技術的發(fā)展，以及CCD相機的發(fā)展，極大的推動了光彈法的進步。光彈法正向自動化、智能化方向發(fā)展，同時在航空航天、機械制造、土木工程、汽車制造等諸多領域都得到了廣泛的應用。

動態(tài)光彈法能夠直接觀察超聲的傳播和散射并揭示相關規(guī)律，對固體超聲波散射問題的研究起到了積極的推動作用。上世紀80年代，中科院聲學所應崇福院士帶領的研究小組在國際上率先搭建了一套動態(tài)激光光彈成像設備，用來研究固體中超聲波的傳播和散射特征，實現(xiàn)了超聲場的可視化，并取得了一系列的研究成果[1－6]，受到國際同行的廣泛關注。動態(tài)光彈實驗研究不僅驗證了理論分析結果，也顯示出理論所沒有估計到的聲場細節(jié)，有力地彌補了解析理論、數(shù)值計算及電子信號測量等方法的局限。如首次觀察到了超聲波沿橫穿孔孔壁的爬行[2]、研究了體波在棱邊和裂縫處的散射[5]，以及蘭姆波、瑞利波的散射問題[4，7]。

圖1 動態(tài)光彈實驗平臺Fig.1 The dynamic photoelastic system

清華大學物理系在國內(nèi)最早研究開發(fā)了LED光源動態(tài)光彈系統(tǒng)[8]，中北大學[9]、南昌航空大學[10－11]等都使用類似的系統(tǒng)進行教學和研究工作，加拿大也有同類產(chǎn)品出售[12－13]。

經(jīng)過了80年代的迅速發(fā)展，近20年來，利用動態(tài)光彈法研究超聲波的進展較為緩慢，作者分析有如下原因:1.動態(tài)光彈法靈敏度偏低;2.相比于靜態(tài)光彈研究中施加的外力，超聲波的應力較小，因此受系統(tǒng)不穩(wěn)定性及噪聲影響較大，導致定量困難;3.動態(tài)光彈超聲成像的硬件設備未及時更新。近來，我們搭建了一套動態(tài)激光光彈超聲成像設備，并在激光器、同步系統(tǒng)、圖像采集與處理系統(tǒng)三個方面做了較大的改進，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到大幅提高。利用該設備，我們定量測量了超聲換能器輻射聲場的部分特征，并對可能引起定量測量結果誤差的各種因素進行了分析。

2 實驗平臺

動態(tài)激光光彈實驗平臺如圖1所示，系統(tǒng)完全搭建在光學平臺之上，增加了抗振動干擾能力。其中，工作在基橫模(TEM00模)的半導體泵浦激光器發(fā)射的單色綠光具有發(fā)散角小，平行度高的特點，脈沖寬度小于5 ns，可清晰記錄頻率達200 MHz的超聲波瞬態(tài)圖像。實驗平臺左端的凹透鏡和凸透鏡焦點重合，將激光擴束為直徑100 mm的平行光;右端的凸透鏡將平行光束匯集，并由數(shù)字CCD相機接收。實驗樣品兩側的偏振片偏振方向相互垂直，在暗室的實驗環(huán)境中，換能器不工作時，CCD相機拍攝到的照片幾乎完全是黑色背景;當高電壓信號激勵換能器向下輻射超聲波時，通過樣品的平行光的偏振方向會因固體的暫時雙折射現(xiàn)象而發(fā)生改變，相機將拍攝到明亮的超聲波波前。

傳統(tǒng)的同步系統(tǒng)有兩路同步信號，一路觸發(fā)超聲發(fā)射電路，一路觸發(fā)激光器，通過調(diào)整二者相對延時來拍攝不同時刻的“凍結”超聲場。照片的清晰度受到觸發(fā)和延時精度影響。尤其是激光器被觸發(fā)后的激光發(fā)射時間不夠穩(wěn)定，將極大影響照片的清晰度。這里我們設計了兩路相對延時觸發(fā)信號來精確控制激光器，使得激光發(fā)射時間誤差小于2 ns。調(diào)節(jié)多通道延時，可以改變激光源的發(fā)射時間，觀察超聲波在固體中的傳播、散射過程，且有較好的實驗效果。

CCD相機可以將拍攝的照片數(shù)字化并傳送給計算機進行后續(xù)處理。由于發(fā)射激光的能量和空間分布變得更加穩(wěn)定，同步系統(tǒng)精度提高，因此取無聲場時的參考圖像與光彈實驗照片進行解卷積處理，可以提升圖像質(zhì)量，并觀察到微弱聲場。

實驗樣品材料選用經(jīng)過精退火處理的K9光學玻璃，樣品長、寬均為120 mm，厚度為20 mm。

3 換能器聲場觀察和測量

3.1 縱波換能器

實驗采用本課題組自制的PZT材料圓盤型縱波換能器，換能器輻射面直徑為16 mm。換能器在窄脈沖激勵下產(chǎn)生超聲波，在樣品中形成瞬態(tài)聲場。利用旋轉(zhuǎn)重復曝光法觀測到的聲場圖像經(jīng)灰度化處理后如圖2所示。各類超聲波波前中直達縱波最亮，能量最高，直達縱波兩側有邊緣縱波，后面跟隨著邊緣橫波。直達縱波相鄰兩條亮條紋中心距離d是波峰與波谷的距離，據(jù)此可估計換能器中心頻率fL對應的等效波長λL=2d。拍攝兩張不同時刻的瞬態(tài)聲場圖像，可根據(jù)條紋移動距離計算出樣品中的聲速cL。由式fL=cL/λL可得縱波換能器的中心頻率。

圖2 縱波換能器瞬態(tài)聲場Fig.2 The transient ultrasonic field radiated by the longitudinal wave transducer

利用連續(xù)波激勵換能器，可以拍攝得到穩(wěn)態(tài)聲場圖像(圖3)。讀取超聲換能器軸線上的灰度值曲線，近場長度即為曲線中最遠處的開始快速下降的極大值到換能器表面的距離。以換能器中心為圓心，任意遠場距離r為半徑的圓上的灰度值，可以得到換能器的遠場指向性。圖4給出kr=188時，經(jīng)過歸一化處理后的遠場指向性圖，其中k為波數(shù)。以遠場指向性圖中軸線上的灰度值為標準，軸線兩側灰度值下降到該灰度值的一半時，對應的角度為超聲換能器的擴散角。需要指出的是，為突出超聲波波前，本文給出的所有光彈照片均做反色處理，以上計算時讀取的灰度值均是反色處理前的灰度值。

圖3 縱波換能器穩(wěn)態(tài)聲場Fig.3 The time－h(huán)armonic ultrasonic field radiated by the longitudinalwave transducer

圖4 縱波換能器遠場指向性(kr=188)Fig.4 The far－field directivity of the longitudinal wave transducer(kr=188)

表1給出了光彈法測量值與參考值的對比。參考值中，聲速、中心頻率由脈沖回波法測得，近場長度和半擴散角由經(jīng)驗公式得到。其中，近場長度N的表達式為:N=D2/4/λ，D為換能器直徑;擴散角α為:sin(α/2)=0.514c/f/D。對比可見，動態(tài)光彈法測量結果具有很高的精度，尤其對于空間參量，電測法一般要通過掃描來實現(xiàn)，動態(tài)光彈法更為簡便。

表1 縱波換能器參數(shù)Table 1 The parameters of the longitudinalwave transducer

3.2 橫波換能器

橫波換能器由厚度切變模振動的2/2型壓電復合材料制作而成，換能器輻射面直徑為9 mm。實驗中使用熔點較低的水楊酸苯酯作為耦合劑，將橫波換能器粘接到樣品表面，換能器工作時向樣品中垂直輻射出橫波。

重復縱波測量的步驟，同樣可測得橫波換能器的輻射聲場，進而計算出聲場的各個參數(shù)。橫波換能器瞬態(tài)輻射聲場和穩(wěn)態(tài)輻射聲場分別如圖5、6所示，圖7給出kr=182時的遠場指向性圖。對比可見，該換能器具有類似于縱波換能器的特征。光彈法測量值和參考值的對比如表2所示。需要指出的是，動態(tài)光彈法測量超聲場參數(shù)具有普遍適用性，而非僅針對以上兩類換能器，如光彈法在相控陣換能器的聚焦聲場測量方面也有一定的應用。

圖5 橫波換能器瞬態(tài)聲場Fig.5 The transient ultrasonic field radiated by the shear wave transducer

圖6 橫波換能器穩(wěn)態(tài)聲場Fig.6 The time－h(huán)armonic ultrasonic field radiated by the shear wave transducer

圖7 橫波換能器遠場指向性(kr=182)Fig.7 The far－field directivity of the shear wave transducer(kr=182)

表2 橫波換能器參數(shù)Table 2 The parameters of the shear wave transducer

4 誤差分析

誤差來源可能是實驗系統(tǒng)、測量方法和數(shù)據(jù)讀取等多方面的。對于本文的實驗結果，引起誤差的因素主要包括實驗系統(tǒng)和測量方法。

(1)實驗系統(tǒng):測量結果依賴于相機拍攝的光彈照片，圖片中各點的灰度值分布是直接的數(shù)據(jù)來源。對于搭建的動態(tài)光彈實驗系統(tǒng)來說，一方面，樣品前后的偏振片有一定消光比，不可能做到完全消光，實驗樣品中也會存在殘余應力，均會影響灰度值的大小;另一方面，CCD相機的動態(tài)范圍是有限的，在不飽和的前提下，灰度值大小僅存在有限個數(shù)值，會降低測量精度，并使得指向性圖中的曲線變得不光滑對稱。

(2)測量方法:由于拍攝的穩(wěn)態(tài)聲場光彈照片均是瞬時聲場，因此近場長度處的超聲波并不一定處于波峰或波谷，即光彈照片中的灰度值不一定是極大值。設測量值為N，聲波波長為λ，則真實的近場長度應在(N－λ/2，N+λ/2)范圍內(nèi)。更為準確的方法是多次調(diào)節(jié)延時并拍攝穩(wěn)態(tài)聲場照片，將換能器軸線上的灰度分布曲線疊加，并取疊加后的包絡曲線，此時曲線上最遠處的極大值點到換能器表面的距離即為近場長度。

最后需要指出的是，換能器參數(shù)會受到加工工藝的影響。表1和表2給出的參考值是電法測量和經(jīng)驗公式計算得到的，并不是換能器聲場特征的真實值，是可能存在一定誤差的。

5 結論

本文基于實驗室搭建升級的動態(tài)激光光彈實驗系統(tǒng)，定量測量了超聲換能器的輻射聲場特征參量。拍攝不同時刻的瞬態(tài)聲場，測量固體中的傳播聲速和聲波波長，計算得到換能器中心頻率;拍攝穩(wěn)態(tài)聲場，由輻射聲場中各點的灰度值分布，測量給出近場長度、指向性和擴散角等參數(shù)。并對動態(tài)光彈系統(tǒng)和測量方法可能引起的測量誤差進行了分析討論。實驗結果顯示，無論是縱波換能器，還是橫波換能器，動態(tài)光彈法的測量值與參考值均有較好的一致性。研究結果表明光彈法可以有效地定量測量換能器聲場，進一步地，可以推廣應于聚焦換能器、相控陣換能器以及復合振動模式換能器等復雜換能器的聲場特征測量。

致謝感謝中科院聲學所的沈建中、鄧京軍、張守玉等的指導和幫助。

[1]YING CH F，ZHANG SH Y，WANG L SH.Study on the creeping waves around cylindrical cavities in solidmedium by the photoelastic technique[J].Sci.China，1981，24(11):1509－1520.

[2]YING CH F，ZHANG SH Y.Reflection of an acoustic wave in a solid and its relation to the creeping phenomena [J].Sci.China，Ser.A，1984，27(1):55－69.

[3]YING CH F，ZHANG SH Y，SHEN J ZH. Scattering of ultrasound in solids as visualized by the photoelastic technique[J].J.Nondestr.Eval.，1984，4(2):65－73.

[4]ZHANG SH Y，SHEN JZH，YING CH F.The reflection of the Lamb wave by a free plate edge:visualization and theory[J].Mater.Eval.，1988，46(5):638－641.

[5]SHEN J ZH，YING CH F.Scattering of a grazing longitudinal wave pulse by a ribbon－type crack—experimental verification by the photoelasticmethod[J].Chin.J.Acoust.，1989，8(1):15－19.

[6]ZHANG SH Y，ZHANG P ZH，SHEN JZH，et al.Photoelastic Visualization of Ultrasound Generated by Pulsed Laser[J].Chin.Phys.Lett.，1993，10(12):734－736.

[7]應崇福，張守玉，沈建中.超聲在固體中的散射[M].北京:國防工業(yè)出版社，1994:162－170.

[8]諸國楨，孫耀，傅德永.用動態(tài)光彈法記錄的超聲脈沖沿固－固界面的傳播過程[J].應用聲學，2004，23(2):7－10.ZHU Guozhen，SUN Yao，F(xiàn)U Deyong.Propagation of ultrasonic pulse along solid－solid interface recorded by the dynamic photoelastic method[J].J.Appl.Acoust.，2004，23(2):7－10.

[9]肖開豐.超聲波在彈性固體傳播的數(shù)值模擬及動態(tài)光彈的實驗研究[D].中北大學碩士學位論文.2008.

[10]劉力博，陸銘慧，劉勛豐，等.多通道動態(tài)光彈成像系統(tǒng)的研制[J].無損檢測，2010，32(8):634－636.LIU Libo，LU Minghui，LIU Xunfeng，et al. Development of multi－channel dynamic photoelasticity imaging system[J].NDT，2010，32(8):634－636.

[11]盧超，陸銘慧.超聲波在固體中傳播與散射的動態(tài)演示及教學應用[C].Proceedings of 2010 Third International Conference on Education Technology and Training(Volume7)，武漢，中國，2010.

[12]GINZEL E，STEWART D.Photo－elastic visualisation of phased array ultrasonic pulses in solids[C].The16thWorld Conference on Nondestructive Testing，Montreal，Canada，2004.

[13]GINZEL E，HONARVAR F，YAGHOOTIAN A.A Study of Time－of－Flight Diffraction Technique Using Photoelastic Visualisation[C]. The 2nd International Conference on Technical Inspection and NDT，Tehran，Iran，2008.