CN106970157B - 同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置和方法 - Google Patents

同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置和方法。本发明利用起偏器和1/4玻片形成圆偏振光，经过声场，将携带透明流体和透明固体内部声场信息的光用分光镜分成两束，一束通过会聚透镜后进行空间滤波，成像，用于观测流体中的声场；另一束通过1/4玻片和检偏器后成像，得到固体中声场的像。如此，可以实现同时对透明流体和透明固体内部声场进行非侵入式成像，观测透明流体和透明固体内部声场。本发明既可得到瞬时的声场状态，亦可得到连续的声场动态变化，提供了更为精确、全面的透明流体和透明固体内部声场信息，可观测声场在液固界面的传播特性，应用于声学方法探测液固界面波进而研究材料特性方面的研究和教学。

Description

同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置和方法
技术领域
本发明属于超声技术领域，具体涉及一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置和方法。
背景技术
声场的成像和测量广泛应用于超声检测和超声医疗，包括超声检测方法研究过程中，需要知道超声入射液固界面后，随着时间的变化，流体和固体中声场的变化情况，所以得到同一时刻流体和固体中声波的分布及其随时间的变化先得尤为重要。
传统的测量方法都具有一定的局限性，常见的测量方法有：
(1)水听器法：适用于各种流体中声场的测量。但该方法属于侵入式测量方法，由于水听器要预先校准；水听器的引入使原来的声场发生变化，此法测量误差较大，尤其是高频声场的定量测量，且测量声压分布时效率较低；
(2)基于辐射力天平测量的方法：连续声波垂直入射于反射靶，测量靶上接收到的声辐射力，计算声功率。该方法只能测量平面活塞换能器和圆孔径球面聚焦超声换能器向流体中辐射连续声波的声功率，不能用于声场成像。
(3)量热法测量声功率：超声对高吸收物质作用后产生的热量引起温度升高，测量温升，经校准和计算，得到流体中的声功率，不能用于声场成像。
(4)自易法和互易法：对于互易的电声换能器，其接收灵敏度和发送响应之比为一常数，即为互易常数，分别测量若干对发射换能器-接收换能器排列对的换能器转移阻抗，应用互易常数可计算得到换能器的发送响应。进而理论计算出流体中的声场强度，不能观测声场。
(5)Michelson干涉条纹法：声场引起媒质折射率的变化进而影响Michelson干涉条纹的变化，通过分析干涉条纹的变化，计算声压；或者通过Michelson干涉仪测量声辐射面的振幅估算换能器辐射声压。但是该方法只适合于流体中50KHz以下低频超声场的测量，0.3MHz以上的高频声场的定量测量比较困难。
(6)光弹法：利用透明固体中的光弹效应观测透明固体中的声场及其动态变化，但不能同时观测到透明流体中的声场，不能同时得到某一时刻流体和固体中的声场分布图。
(7)Schlieren法：利用透明流体中的压光效应观测透明流体中的声场及其动态变化，但不能同时观测到透明固体中的声场，不能同时得到某一时刻流体和固体中的声场分布图。
在进行超声无损检测中，沿液固界面传播的超声波携带了流体和固体的材料特性、液固界面结构特性及固体靠近界面部分存在缺陷等信息，研究液固界面声波的传播特性，探索通过界面波获取流体和固体材料特性信息对生产具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种能够同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置和方法。
为实现上述目的之一提供，本发明采用了以下技术方案：
一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置，包括透明流体与透明固体，及对流体与固体产生声场的换能器；在流体与固体之前依次放置有中心与该两相界面平齐的激光器、发射透镜、准直透镜、起偏器、第一1/4波片；在流体与固体之后放置有中心与该两相界面平齐的分光镜；所述分光镜将携带透明流体和透明固体内部声场信息的光分成两束，一束依次通过会聚透镜、空间滤波器、成像透镜后到达流体声场成像图像传感器，用于观测流体中的声场；另一束依次通过第二1/4波片和检偏器后到达固体声场成像图像传感器，得到固体中声场的像；
所述固体声场成像图像传感器与流体声场成像图像传感器的信号输出端均与控制电脑通信连接，所述控制电脑与信号发生器、激励信号放大器顺次通信连接，所述激励信号放大器与换能器通信连接以激励换能器发射声波。
优选的，当透明流体为液体时，所述透明流体置于以透明固体为底，竖直的玻璃面为壁的槽内。从而最大程度上的减少在光路上引入反射透射面。
优选的，所述换能器辐射的声波方向与激光器的光传播方向垂直。
优选的，所述分光镜通过反射镜将其中一束光束入射到第二1/4波片和检偏器上。
优选的，所述空间滤波器位于会聚透镜焦点处。
优选的，所述检偏器与起偏器偏振方向垂直。
优选的，所述固体声场成像图像传感器与流体声场成像图像传感器同时曝光且曝光时间相同，对得到的两张照片进行拼接形成该曝光时刻流体和固体内的声场。
本发明的目的之二是提供一种上述光学装置同时观测透明流体和透明固体内部声场的方法，包括如下步骤：
S1、根据所述光学装置调整光路，使透明流体与透明固体的两相界面与激光器、发射透镜、准直透镜、起偏器、第一1/4波片、分光镜在同一光路上；所述分光镜将携带透明流体和透明固体内部声场信息的光分成两束；
S2、其中一束光依次通过会聚透镜、空间滤波器、成像透镜后到达流体声场成像图像传感器，用于观测流体中的声场；
S3、另一束光依次通过第二1/4波片和检偏器后到达固体声场成像图像传感器，得到固体中声场的像；所述检偏器与起偏器偏振方向垂直；
S4、通过控制电脑控制激励信号发生器发出激励信号，经激励信号放大器放大后激励换能器发射声波，调节固体声场成像图像传感器、流体声场成像图像传感器曝光起始时刻与激励信号发射时刻的时间差，得到不同时刻流体和固体内部声场的图像；
S5、将得到的相同时刻曝光的流体和固体中声场的图像采用后处理拼接的方法拼接成一幅图像，得到某时刻流体和固体中声场的图像；
S6、将不同时刻流体和固体中声场的图像拼接，形成动画，可以观测声波在两相界面的动态传播特性。
优选的，在步骤S2中：
S20、调节空间滤波器至会聚透镜焦点处，并调节空间滤波器使其挡掉原始光路在空间滤波器所在平面形成的圆斑；
S21、根据放大倍数需求调节成像透镜的焦距并调节成像透镜与空间滤波器之间的距离以及成像透镜与流体声场成像图像传感器之间的距离。
本发明的有益效果在于：
1)本发明利用流体中声场引起光的传播方向改变，通过空间滤波技术挡掉传播方向未改变的光，得到流体中声场的像，另一方面，利用固体中声场改变光的偏振方向，通过检偏后得到携带固体中声场信息的光，进行成像，观测固体中的声场，从而实现某一时刻，固体和流体中声场的成像，使得本发明能够同时分别观测透明流体和透明固体内部声场，并且，透明固体中的声场和透明流体中的声场同时非侵入式成像，不会对透明流体和透明固体内部声场产生干扰，获得的声场图像更为精准。
2)本发明既可得到瞬时的声场状态，亦可得到连续的声场动态变化，提供了更为精确、全面的透明流体和透明固体内部声场信息。
3)本发明能够获得透明流体和透明固体两相界面的声场图像，为两相界面声波传播特性的研究提供了可靠保障，同时对探索通过界面波获取流体和固体材料特性信息具有重要指导意义。
附图说明
图1为本发明的装置及方法的示意图。
图2为本发明透明流体与透明固体的示意图。
图中标注符号的含义如下：
001换能器；002激光器；003发射透镜；004准直透镜；005起偏器；006第一1/4玻片；007透明流体；008声波；009透明固体；010槽；011分光镜；012反射镜；013第二1/4玻片；014检偏器；015固体声场成像图像传感器；016会聚透镜；017空间滤波器；018成像透镜；019流体声场成像图像传感器；020控制电脑；021信号发生器；022激励信号放大器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置
当透明流体为液体时，如图1所示，包括透明流体007与透明固体009，为了最大程度上的减少在光路上引入反射透射面，如图2所示，透明流体007置于以透明固体009整体为底、竖直的玻璃面为壁而形成的槽010内，对槽010内介质产生声场的换能器001；在槽010前依次放置有中心与两相界面平齐的激光器002、发射透镜003、准直透镜004、起偏器005、第一1/4波片006，在槽后放置有中心与两相界面平齐的分光镜011；所述分光镜011将携带透明流体和透明固体内部声场信息的光分成两束光，一束依次通过会聚透镜016、空间滤波器017、成像透镜018后到达流体声场成像图像传感器019，用于观测流体中的声场；另一束依次通过第二1/4波片013和检偏器014后到达固体声场成像图像传感器015，得到固体中声场的像；
流体中的声场不会影响固体中声场的成像，固体中声场不会影响流体中声场的成像：固体改变光的传播方向非常微弱，可以忽略，所以通过空间滤波后得到流体中声场的像，当声压在线性范围内时，像的相对亮度和声场的强度一一对应；而流体中声波对光偏振方向的改变可以忽略，所以通过检偏器后得到固体中声场的像，当声压在线性范围内时，像的相对亮度和声场的强度一一对应；
具体的，关于分光镜011分成的两束光，透明固体中的声场和透明流体中的声场同时非侵入式成像：流体中的声场引起平行光的传播方向发生改变，光通过会聚透镜016聚焦在会聚透镜016后焦面，没有携带声场信息的光会聚于焦点处，通过设置光阑挡掉该部分光，让其余光通过，并由后续透镜系统进行声场成像；固体中的声场改变光的偏振方向，将检偏器014与起偏器005偏振方向设为垂直，携带固体中声场信息的光通过分光镜011以及反射镜012后，经第二1/4波片013和检偏器014进行成像，而没有携带固体中声场信息的光经过第二1/4波片013后通不过检偏器014，也无法被固体声场成像图像传感器015成像。
所述固体声场成像图像传感器015与流体声场成像图像传感器019的信号输出端均与控制电脑通信连接，所述控制电脑020与信号发生器021、激励信号放大器022顺次通信连接，所述激励信号放大器022与换能器001通信连接以激励换能器发射声波008。
调整声波在透明流体与透明固体间界面的入射面，使换能器辐射的声波008方向与光传播方向垂直，以便更好的观测声波008在两相界面的传播特性。
考虑光学平台尺寸，所述分光镜011通过设置反射镜012将其中一束光束入射到第二1/4波片013和检偏器014上。
所述空间滤波器017位于会聚透镜016焦点处，以通过空间滤波技术完全挡掉传播方向未改变的光，不会对透明流体内部声场产生干扰，从而得到的流体中声场图像更为精准。
固体声场成像图像传感器015与流体声场成像图像传感器019同时曝光且曝光时间相同，对得到的两张照片进行拼接形成该曝光时刻流体和固体内的声场。
当透明流体为气体时，不需要设置槽010，其余结构相同。
一种利用上述光学装置同时观测透明流体和透明固体内部声场的方法
包括如下步骤：
S1、如图1所示，根据所述光学装置调整光路，使得激光器002发出的激光垂直穿过槽010，槽010中可盛满透明固体与水或者其它透明流体(应当说明的是，如果透明流体为气体时，则不需要该槽)；使槽中的两相界面与激光器002、发射透镜003、准直透镜004、起偏器005、第一1/4波片006、分光镜011在同一光路上；所述分光镜011将携带透明流体和透明固体内部声场信息的光分成两束；
S2、其中一束光依次通过会聚透镜016、空间滤波器017、成像透镜018后到达流体声场成像图像传感器019，用于观测流体中的声场；
S3、另一束光依次通过第二1/4波片013和检偏器014后到达固体声场成像图像传感器015，得到固体中声场的图像，传输到电脑进行保存和后续处理；所述检偏器014与起偏器005偏振方向垂直；
S4、通过控制电脑020控制激励信号发生器021发出激励信号，经激励信号放大器022放大后激励换能器001发射声波008，调整激励电压，使得可以清晰的观察到声场及其变化；调节固体声场成像图像传感器015、流体声场成像图像传感器019曝光起始时刻与激励信号发射时刻的时间差，改变换能器激励和图像传感器曝光时刻可以得到声场在不同时刻的分布图像，一般要求图像传感器的曝光时间远小于声波周期，以观察到“冻结”在流体和固体中的声场，从而得到不同时刻流体和固体内部声场的图像，传输到电脑进行保存和后续处理；
S5、将得到的相同时刻曝光的流体和固体中声场的图像采用后处理拼接的方法拼接成一幅图像，得到某时刻流体和固体中声场的图像，传输到电脑进行保存和后续处理；
S6、将不同时刻流体和固体中声场的图像拼接，形成动画，可以观测声波在两相界面的动态传播特性。
其中，在步骤S2中：
S20、调节空间滤波器017至会聚透镜016焦点(焦距为f2)处，并调节空间滤波器使其挡掉原始光路即没有声场时在空间滤波器017所在平面形成的圆斑；
S21、根据放大倍数需求调节成像透镜018的焦距f3并调节成像透镜018与空间滤波器017之间的距离以及成像透镜018与流体声场成像图像传感器019之间的距离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置，包括透明流体(007)与透明固体(009)，及对流体与固体产生声场的换能器(001)；其特征在于：在流体与固体之前依次放置有中心与该两相界面平齐的激光器(002)、发射透镜(003)、准直透镜(004)、起偏器(005)、第一1/4波片(006)；在流体与固体之后放置有中心与该两相界面平齐的分光镜(011)；所述分光镜(011)将携带透明流体和透明固体内部声场信息的光分成两束，一束依次通过会聚透镜(016)、空间滤波器(017)、成像透镜(018)后到达流体声场成像图像传感器(019)，用于观测流体中的声场；另一束依次通过第二1/4波片(013)和检偏器(014)后到达固体声场成像图像传感器(015)，得到固体中声场的像；
所述固体声场成像图像传感器(015)与流体声场成像图像传感器(019)的信号输出端均与控制电脑通信连接，所述控制电脑(020)与信号发生器(021)、激励信号放大器(022)顺次通信连接，所述激励信号放大器(022)与换能器(001)通信连接以激励换能器发射声波(008)。
2.根据权利要求1所述的一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置，其特征在于：当透明流体为液体时，所述透明流体(007)置于以透明固体(009)为底、竖直的玻璃面为壁的槽(010)内。
3.根据权利要求1所述的一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置，其特征在于：所述换能器(001)辐射的声波(008)方向与激光器(002)的光传播方向垂直。
4.根据权利要求1所述的一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置，其特征在于：所述分光镜(011)通过反射镜(012)将其中一束光束入射到第二1/4波片(013)和检偏器(014)上。
5.根据权利要求1所述的一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置，其特征在于：所述空间滤波器(017)位于会聚透镜(016)焦点处。
6.根据权利要求1所述的一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置，其特征在于：所述检偏器(014)与起偏器(005)偏振方向垂直。
7.根据权利要求1所述的一种同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置，其特征在于：所述固体声场成像图像传感器(015)与流体声场成像图像传感器(019)同时曝光且曝光时间相同，对得到的两张照片进行拼接形成该曝光时刻流体和固体内的声场。
8.一种利用权利要求1至7任一项所述光学装置同时观测透明流体和透明固体内部声场的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、根据所述光学装置调整光路，使透明流体(007)与透明固体(009)的两相界面与激光器(002)、发射透镜(003)、准直透镜(004)、起偏器(005)、第一1/4波片(006)、分光镜(011)在同一光路上；所述分光镜(011)将携带透明流体和透明固体内部声场信息的光分成两束；
S2、其中一束光依次通过会聚透镜(016)、空间滤波器(017)、成像透镜(018)后到达流体声场成像图像传感器(019)，用于观测流体中的声场；
S3、另一束光依次通过第二1/4波片(013)和检偏器(014)后到达固体声场成像图像传感器(015)，得到固体中声场的像；所述检偏器(014)与起偏器(005)偏振方向垂直；
S4、通过控制电脑(020)控制激励信号发生器(021)发出激励信号，经激励信号放大器(022)放大后激励换能器(001)发射声波(008)，调节固体声场成像图像传感器(015)、流体声场成像图像传感器(019)曝光起始时刻与激励信号发射时刻的时间差，得到不同时刻流体和固体内部声场的图像；
S5、将得到的相同时刻曝光的流体和固体中声场的图像采用后处理拼接的方法拼接成一幅图像，得到某时刻流体和固体中声场的图像；
S6、将不同时刻流体和固体中声场的图像拼接，形成动画，可以观测声波在两相界面的动态传播特性。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于在步骤S2中：
S20、调节空间滤波器(017)至会聚透镜(016)焦点处，并调节空间滤波器(017)，使其挡掉原始光路在空间滤波器(017)所在平面形成的圆斑；
S21、根据放大倍数需求调节成像透镜(018)的焦距并调节成像透镜(018)与空间滤波器(017)之间的距离以及成像透镜(018)与流体声场成像图像传感器(019)之间的距离。
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