CN107967911B - 一种产生单一超声横波的光学换能器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种产生单一超声横波的光学换能器及方法，包括激光器、多面镜、电机以及相关控制器，激光器用于产生扫描激光，多面镜在电机以及相关控制器的控制下旋转，多面镜将扫描激光反射至物体表面，通过控制多面镜的旋转角速度使扫描激光以一定的扫描速度描速物体，在物体内部产生单一的超声横波波前信号，避免了纵波信号的干扰。

Description

一种产生单一超声横波的光学换能器及方法
技术领域
本发明涉及一种产生单一超声横波的光学换能器及方法。
背景技术
目前，超声波的产生通常采用的电学方法有压电换能器和电磁声换能器(EMAT)产生超声波。有学者使用用换能器给出了不同激励电压下的辐射声场像和实现了固-液界面纵波、横波传播规律的可视化。压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应来发射和接收超声波，其能量转换是在晶片上进行的，它是将机械能与电能相互转换的一种装置。然而，这种装置在检测中有诸多的局限性，如需要耦合介质、接触检测和不适用于小半径样品的检测等，并且压电探头很难激发横波，测量精度不高。EMAT是另一种常见的超声发射接收装置，是靠电磁效应发射和接收超声波，其能量转换是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的，具有非接触性、无需加入声耦合剂，以及重复性好、检测速度高，适合动态、高温检测，很好地克服压电超声的缺点。产生电磁的基本要素是磁场和涡流，接收超声信号的要素是磁场和工件表面的微观粒子的振动。因此，在产生磁场的电磁铁和产生涡流的线圈的不同组合形式下，电磁声换能器可以产生纵波、横波等。实际上，外加磁场的方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定电磁声换能器产生的波模类型。纵波换能器工件内的磁力线平行于工件表面，当线圈内通过高频电流时，将在工件表面感应出涡流，且涡流平面与磁力线平行，在磁场力作用下，涡流上将受一个力的作用。某一时刻方向向上，半个周期后又将受到一个向下的力。质点在交变力的作用下，在作用力方向上将产生一个弹性波。由于振动方向和波的传播方向一致，因而此波为超声纵波。横波换能器改变磁力线的方向，通以交变电流时，受力方向将发生改变，产生一个与作用力方向相互垂直的弹性切变波，称为超声横波。但EMAT也有其局限性。首先EMAT的工作原理决定了它只能用于导电样品或者样品具有导电表面层，其次电磁声换能器中的感应线圈的阻抗随着频率的增大而增大，因此要得到几MHz以上的高频换能器相对比较困难，并且与接触式换能器一样，很难在一些空间受限的结构中使用。
近年来，兴起了一种利用激光激发接收超声信号的全光学方法。激光激发和探测超声可以克服换能器激发探测的绝大部分缺点，虽然要比传统的换能器代价昂贵且使用复杂，激光超声的研究还是受到了越来越多的重视，某些应用研究已经逐渐从实验室走向工业应用，比如航空工业中的聚合物基复合材料检测、钢管厚度在线检测等。一般激光超声技术采用脉冲激发，激光热量被辐照区域的表面迅速吸收，吸收后产生的热量不能及时扩散，在表面附近产生较大的温度梯度，引起介质的局部热膨胀和热应力的产生，进而产生在介质中的传播的多种模态的超声波。图中可以看出激光辐照在样品表面时，能够同时激发沿表面传播的Rayleigh波、沿样品内部传播的纵波和横波。
总之，从传统的换能器激发超声到激光激发超声技术，完成了从电学方法到光学方法的转变，各自拥有独特的优缺点。换能器激发能够实现单一模式的超声波激发，如上述所说的纵波、横波换能器。对于压电型来说，是接触的，需要耦合剂。尽管对于电磁型来说无需耦合，但也要离待测表面很近，检测灵活性受到很大限制。而激光激发超声，能够实现真正意义上的远距离激发接收，能够在恶劣环境下进行的全光学方法。但由于激发过程中，伴随多种模式的超声信号产生，各种波形的超声在材料中传播可能会相互干扰，影响检测效果。
发明内容
本由于脉冲激光激发超声将同时产生多种模态的超声体波，纵波、横波作为超声无损检测领域中常用的探测信号，往往同时产生。要想产生单一的超声信号，利用脉冲激光激发是难以实现。于是本发明提供一种产生单一超声横波的方法，使用大功率的连续激光快速扫描物体，在物体内部产生单一的超声横波波前信号，避免了纵波信号的干扰。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种产生单一超声横波的光学换能器，包括激光器、多面镜、电机以及相关控制器，激光器用于产生扫描激光，多面镜在电机以及相关控制器的控制下旋转，多面镜将扫描激光反射至物体表面。
进一步，通过控制多面镜的旋转角速度ω使扫描激光以一定的扫描速度v描速物体；扫描速度v满足下述公式：
vS<v<vL
公式中，vL为超声纵波在物体中的波速，vS为超声横波在物体中的波速。
进一步，所述激光器为高功率多模光纤激光器。
进一步，所述扫描激光为连续激光。
本发明还提出一种产生单一超声横波的方法，通过旋转多面镜使扫描激光以一定的扫描速度v描速物体；扫描速度v满足下述公式：
vS<v<vL
公式中，vL为超声纵波在物体中的波速，vS为超声横波在物体中的波速。
进一步，所述扫描激光为连续激光。
进一步，包括激光器、多面镜、电机以及相关控制器，激光器用于产生扫描激光，多面镜在电机以及相关控制器的控制下旋转，多面镜将扫描激光反射至物体表面。
进一步，所述激光器为高功率多模光纤激光器。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明使用连续激光快速扫描物体，在物体内部产生单一的超声横波波前信号，避免了纵波信号的干扰。
附图说明
图1是连续激光扫描产生单一超声横波信号的系统示意图。
图2是超声波前的产生示意图。
图3是扫描多面镜的旋转角速度与扫描线速度之间的几何关系示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明产生单一超声横波的光学换能器及方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
如图1所示，通过设定不同的多面镜旋转角速度ω，控制激光在物体表面的扫描线速度v，伴随着扫描过程的进行，产生沿扫描方向传播的单一超声横波波前信号。扫描速度v的大小需要满足一定范围内，该范围由物体中超声体波的传播速度决定。图1中，ω为多面镜旋转的角速度，d为镜面与物体表面的垂直距离、L为物体的扫描长度。从图1中可以看出，沿物体表面的扫描线速度v与ω和d有关。如图2所示，给出了超声波前信号的产生过程，以及波前角θ与扫描速度v、物体内部超声波速vus的几何关系。
取图2中a点为扫描起始点，随着激光的照射，在物体内部产生沿一定方向传播的超声信号，当扫描到b点时，同样方向的超声信号在物体内部传播。此时，a点产生的超声波信号已经传播了一定的距离。随着扫描的进行，连接各扫描点的超声信号，形成一个沿扫描方向传播的波前信号。此时，扫描速度v，超声波速vus，波前角θ满足如下公式：
Figure DEST_PATH_GDA0001212891590000041
从上述公式中可以看出，只有当扫描速度v明显大于超声波速vus时，才会在物体中产生超声波前信号，并且超声波前角θ的大小取决于两者的比值。而对于给定的物体，超声纵波在该物体中的波速vL以及超声横波在该物体中的波速vS都是一定的，并且基本满足vL＞vS。因此，可以通过控制扫描速度v的大小来控制波前信号产生的类型。以铝为例，由铝材料的物理参数可知，vL＝6197.82m/s vS＝3121.95m/s。当扫描速度v控制在vS<v<vL时，材料内部只会产生超声横波波前信号。
本发明正是基于控制连续激光在物体表面的扫描速度v大小来实现的。利用连续激光在物体表面扫描，通过多面镜控制扫描速度的大小在vS<v<vL范围内，产生了单一的横波波前信号，成功分离了纵波信号的干扰，得到了良好的数值模拟结果。
本发明可采用高功率多模光纤激光器产生连续激光，功率多模光纤激光器功率涵盖1kW至10kW，具有电光转换效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、免维护等优点。
本发明可采用多面扫描镜/多面镜实现连续激光在样品表面的快速扫描，LincolnLaser多面扫描镜/多面镜可实现大范围、超高速、高精度与高重复性的激光光束扫描。相比于一般振镜扫描，具有更快的扫描速度(扫描速度比振镜快100倍)，且具有更高的损伤阈值。为了能够达到km/s量级的扫描速度，扫描旋转多面镜的类型选择美国Lincoln Laser公司SOS-SA24C型号，包括多面镜、电机以及相关控制器。旋转多面镜的转速能够达到100-400r/s，完全满足对于扫描速度的要求。
下面以工作距离d分别为1.5m,2m为例，说明旋转多面镜的角速度ω和转速n之间的关系。首先指出的是根据旋转多面镜的特点可知，由图3所示，当扫描镜面旋转θ角，在物体表面将扫描2θ角的范围。几何关系满足：tanθ＝L/2d而
Figure DEST_PATH_GDA0001212891590000042
综合上式满足：
Figure DEST_PATH_GDA0001212891590000043
且vS<v<vL
当d＝1.5m 1005rad/s＜ω＜1994rad/s 160r/s＜n＜317r/s
当d＝2m 765rad/s＜ω＜1518rad/s 122r/s＜n＜242r/s
利用扫描多面镜的快速旋转，实现大功率的连续激光在样品表面的扫描，通过控制多面镜的转速以及样品距离多面镜的距离，来控制扫描速度的大小，当扫描速度控制在vS<v<vL时，样品内部将会产生单一的、沿着扫描方向传播的横波波前信号。

Claims (6)

1.一种产生单一超声横波的光学换能器，其特征在于，包括激光器、多面镜、电机以及相关控制器，激光器用于产生扫描激光，多面镜在电机以及相关控制器的控制下旋转，多面镜将扫描激光反射至物体表面；
通过控制多面镜的旋转角速度ω使扫描激光以一定的扫描速度v描速物体；扫描速度v满足下述公式：
vS<v<vL
公式中，vL为超声纵波在物体中的波速，vS为超声横波在物体中的波速。
2.如权利要求1所述产生单一超声横波的光学换能器，其特征在于，所述激光器为高功率多模光纤激光器。
3.如权利要求1所述产生单一超声横波的光学换能器，其特征在于，所述扫描激光为连续激光。
4.一种产生单一超声横波的方法，其特征在于，通过旋转多面镜使扫描激光以一定的扫描速度v描速物体；扫描速度v满足下述公式：
vS<v<vL
公式中，vL为超声纵波在物体中的波速，vS为超声横波在物体中的波速；
包括激光器、多面镜、电机以及相关控制器，激光器用于产生扫描激光，多面镜在电机以及相关控制器的控制下旋转，多面镜将扫描激光反射至物体表面。
5.如权利要求4所述产生单一超声横波的方法 ，其特征在于，所述扫描激光为连续激光。
6.如权利要求5所述产生单一超声横波的方法 ，其特征在于，所述激光器为高功率多模光纤激光器。
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