CN109579971A - 一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统，包括：激光多普勒测振仪、超声系统、偏振系统和反射板。一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的方法，包括步骤：激光多普勒测振仪产生单束非偏振激光；利用超声系统使透明材料内部产生声场；非偏振激光依次穿过偏振系统和透明材料后到达反射板；反射板反射激光后使其沿原路返回；激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量；对测量结果进行理论分析和计算，进而得到所述透明材料内部声场的超声应力。基于激光多普勒效应的固体内部声场测量方法，较为简便地直接测量固体内部微弱的超声声场。

Description

一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统及方法
技术领域
本发明涉及固体中超声声场成像领域，尤其涉及一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统及方法。
背景技术
固体中超声声场的定量测量对于研究超声在固体中的传播和散射规律，开发超声无损检测新技术具有重要意义。过去动态光弹法是直接观测固体内部超声散射的唯一方法，中科院声学所从上世纪80年代开始研制的动态光弹观测设备，其灵敏度和稳定性已经达到国际先进水平，可以直观地观测超声的传播和散射图像。
动态光弹系统有一些固有的局限性。因为光弹法不仅可以对固体中的超声波进行成像，还会对材料内部的静应力成像。为了能够更好地观测超声波的图像，在材料制备时需要尽可能地消除材料本身的静应力，这就对材料的选取和加工工艺提出了很高的要求，也因此动态光弹法无法观测压强小于静应力的超声信号。
另外，在利用动态光弹法进行声压强度值的测量时，需要进行较为繁琐的操作[1,2]。
[1]安志武,廉国选,毛捷等.基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法，发明专利，201310566400.4
[2]安志武,胡中韬,廉国选等.基于动态光弹性系统的应力测量方法，发明专利，201610051619.4
发明内容
本发明的目的在于基于激光多普勒效应的固体内部声场测量方法，较为简便地直接测量固体内部微弱的超声声场。
为达到上述目的，第一方面，一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统，包括：激光多普勒测振仪、超声系统、偏振系统和反射板。
优选地，激光多普勒测振仪发射单束非偏振激光；其中，仪器内部通过分光镜使激光源发出的激光形成两束相干光，一束为参考光，另一束为物光即非偏振激光从仪器内射出。
优选地，超声系统包括：超声发射系统和超声换能器。
优选地，偏振系统包括空置和设置旋转偏振片两种状态。
第二方面，一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的方法，包括下列步骤：
激光多普勒测振仪产生单束非偏振激光，并将偏振系统空置；
利用超声系统使透明材料内部产生声场；
非偏振激光穿过透明材料后到达反射板；
反射板反射激光后使其沿原路返回；
激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量；
对测量结果进行理论分析和计算，进而得到透明材料内部声场的超声应力。
优选地，激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量的方法，包括：反射的激光与激光多普勒测振仪内的参考光发生干涉并产生干涉条纹，计算干涉条纹的多普勒频移的大小。
优选地，对测量结果进行理论分析和计算，进而得到透明材料内部声场的超声应力包括：从测量结果得到纵波的声场。
第三方面，一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的方法，包括下列步骤：
激光多普勒测振仪产生单束非偏振激光，并将偏振系统设置旋转偏振片；
利用超声系统使透明材料内部产生声场；
非偏振激光依次穿过旋转偏振片和透明材料后到达反射板；
反射板反射激光后使其沿原路返回；
激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量；
对测量结果进行理论分析和计算，进而得到透明材料内部声场的超声应力。
优选地，激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量的方法，包括：反射的激光与激光多普勒测振仪内的参考光发生干涉并产生干涉条纹，计算干涉条纹的多普勒频移的大小。
优选地，对测量结果进行理论分析和计算，进而得到透明材料内部声场的超声应力包括：其中，从测量结果得到纵波的声场，进而得到透明材料沿两个应力主轴的第一应力光学系数和第二应力光学系数，以及声波应力分量；从测量结果得到质点振动方向垂直于激光传播方向的横波SV波的声场，进而得到声波应力分量。
本发明的优点在于：以声波在透明固体中传播时会产生激光多普勒效应为基础，设计了一套光学系统以观测固体中超声的传播和散射过程，并辅以计算机控制测量和采集数据。该系统具有灵敏度高、操作简单、不受静态应力干扰、且可以分离不同种类的弹性波等特点，即使对于残余应力很强的透明固体内的微弱信号也可以测量。
附图说明
为了更清楚说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统示意图；
图2为激光多普勒测振仪内部光路图；
图3(a)为90°偏振方向的折射率随时间变化曲线；
图3(b)为0°偏振方向的折射率随时间变化曲线；
图4(a)为纵波入射时的超声传播图像；
图4(b)为纵波受到缺陷散射时的超声传播图像；
图4(c)为纵波受到缺陷散射后的超声传播图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1为本发明实施例的一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统示意图。如图1所示，1为激光多普勒测振仪、2为超声系统、3为偏振系统、4为反射板、5为透明材料、6为光路。
优选地，激光多普勒测振仪1发射单束非偏振激光，具体地，激光多普勒测振仪1内部光路图如图2所示，11为激光源、121为第一棱镜、122为第二棱镜、123为第三棱镜、124为第四棱镜、131为第一反光镜、132为第二反光镜、14为光电探测器；其中，仪器内部通过第一棱镜121使激光源发出的激光形成两束相干光，一束为参考光，另一束为物光即非偏振激光从仪器内射出。
优选地，超声系统2包括：超声发射系统和超声换能器。
优选地，偏振系统3包括空置和设置旋转偏振片两种状态。
利用上述系统进行定量测量的方法中涉及到在纵波的应力测量和横波的应力测量中的计算公式，下面就相应的公式理论推导进行相关说明。为了方便计算，设图1中激光的传播方向为z轴，超声系统发出的弹性波的传播方向为y轴。不同的弹性波在空间中任意一点对应不同的应变张量，这里的弹性波包括纵波，横波等。通过广义胡克定律可以得到应变与应力的对应关系：
σ＝cε
其中，σ是应力张量，是一个3×3的对称矩阵，包含6个独立的元素(σi,i＝1～6)，其中对角线上的元素(σi,i＝1～3)为正应力，非对角线上的元素(σi,i＝4～6)为剪切应力；ε是应变张量；c是劲度张量或弹性张量，是透明材料的固有属性。当透明材料具有各向同性时，c可以用拉密系数λ和μ表示为：
通过正交矩阵R将应力张量σ对角化：
diag(σ1,σ2,σ3)＝RTσR
从物理意义上说，对角化应力张量σ的过程是通过正交矩阵R旋转坐标轴使得剪切应力为0的过程。对角化后的应力张量σ只剩下3个正应力，将3个正应力σ1,σ2,σ3作为主应力。
用三个互相垂直的主折射率n1,n2,n3来完全描述透明板材料中某一点的折射率。具有各向同性的透明材料具有暂时双折射效应，它描述了主应力与透明材料主折射率之间的关系：
其中，n1为第一主折射率、n2为第二主折射率、n3为第三主折射率、n0为初始折射率、A为第一应力光学系数、B为第二应力光学系数。具体地，n1,n2,n3相互垂直。
通常材料提供商会给出该透明材料的材料应力光学系数C。C与A、B的关系是C＝|A-B|。
通过测量折射率在主应力方向的变化，根据理论可以得到弹性波的压强，即固体中的声压。
对于发出纵波的超声换能器，质点振动方向与传播方向(y轴)一致，则纵波引起某一点的应变为：
由广义胡克定律得：
由暂时双折射效应得：
由此在测得n1、n2后可得：
对于发出横波的超声换能器，对于质点振动方向垂直于激光传播方向的横波SV波，则引起某一点的应变为：
由广义胡克定律得：
为了得到应力主轴上的应力大小，我们将应力张量σ对角化，为此我们选择合适的旋转正交矩阵R：
R即表示原坐标系绕着激光传播方向(z轴)旋转45°。旋转后的新坐标系下，主应力(σ1,σ2,σ3)为：
diag(σ1,σ2,σ3)＝RTσR＝diag(μεxy,-μεxy,0)
由暂时双折射效应得：
由此在测得n1、n2后可得：
实施例一
采用上述装置，其中，超声换能器为中心频率1MHz的纵波超声换能器，偏振系统3设置可旋转的树脂偏振片，透明材料5为光学K9玻璃，其材料应力光学系数C＝2.7×10-12/Pa。
采用内置分析软件的计算机对激光多普勒测振仪1、超声系统2和树脂偏振片进行控制及信号采集。激光多普勒测振仪1产生单束非偏振激光。
超声换能器周期性地发出脉冲纵波使透明材料内部产生声场。
非偏振激光依次穿过旋转偏振片和透明材料后到达反射板。
具体地，通过旋转偏振片使非偏振激光改变了偏振方向形成偏振激光。
反射板反射激光后使其沿原路返回；
激光多普勒测振仪1接收反射的激光完成单点测量。
优选地，反射的激光与激光多普勒测振仪1内的参考光发生干涉并产生干涉条纹，计算干涉条纹的多普勒频移的大小。
具体地，在计算机上实时显示激光多普勒测振仪1在某偏振方向上的测量结果。如图3(a)所示，偏振方向为90°时，折射率随时间变化，得到最大的折射率极值即第一主折射率n1；如图3(b)所示，偏振方向为0°时，折射率随时间变化，得到最小的折射率极值即第二主折射率n2。此时，n1、n2的两个偏振方向即为两个主应力方向。
对测量结果进行理论分析和计算，进而得到透明材料内部声场的超声应力。
具体地，在超声换能器发出纵波时，通过：
其中，n0、λ、μ、C已知，测量得到n1-n0＝3.61×10-7,n2-n0＝2.50×10-7，计算得到纵波的应力σ＝8.66×104Pa、第一应力光学系数A＝3.61×10-12/Pa和第二应力光学系数B＝0.91×10-12/Pa。
在超声换能器发出横波时，通过：
其中，n0已知，测量得到n1-n0＝-(n2-n0)＝1.34×10-7，计算得到SV波的应力σ＝3.62×104Pa。
实施例二
采用上述装置，其中，超声换能器为中心频率1MHz的纵波超声换能器，偏振系统3空置，透明材料5为具有一带状缺陷的光学K9玻璃，其材料应力光学系数C＝2.7×10-12/Pa。
采用内置分析软件的计算机对激光多普勒测振仪1和超声系统2进行控制及信号采集。
激光多普勒测振仪1产生单束非偏振激光。
超声换能器周期性地发出脉冲纵波使透明材料内部产生声场。
非偏振激光穿过透明材料后到达反射板。
反射板反射激光后使其沿原路返回。
激光多普勒测振仪1接收反射的激光完成单点测量。
优选地，反射的激光与激光多普勒测振仪1内的参考光发生干涉并产生干涉条纹，计算干涉条纹的多普勒频移的大小。
具体地，实验过程中激光多普勒测振仪单次测量可以得到空间中的一点上的应力大小随时间的变化，通过计算机控制激光多普勒测振仪1内的第一反光镜131和第二反光镜132预设需要扫描的二维区域，对二维区域逐点进行扫描即可得到该二维区域中声场的传播和散射过程。此例对6cm×6cm的二维区域扫描了41×41个点，对每个点通过实施例一中的方法计算得到应力随时间的变化，并整合在一起形成应力场随时间变化的视频图像。最终的结果截取了三个时刻作为参考，如图4所示。图像中的黑线为一带状缺陷，纵波在此缺陷处受到了散射，图4(a)是纵波入射时的超声传播图像、图4(b)是纵波受到缺陷散射时的超声传播图像、图4(c)是纵波受到缺陷散射后的超声传播图像。
本发明提供了一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统及方法，以声波在透明固体中传播时会产生激光多普勒效应为基础，设计了一套光学系统以观测固体中超声的传播和散射过程，并辅以计算机控制测量和采集数据。该系统具有灵敏度高、操作简单、不受静态应力干扰、且可以分离不同种类的弹性波等特点，即使对于残余应力很强的透明固体内的微弱信号也可以测量。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的系统，其特征在于，包括：激光多普勒测振仪、超声系统、偏振系统和反射板；其中，激光多普勒测振仪产生单束非偏振激光；
当偏振系统空置时；
利用超声系统使透明材料内部产生声场；所述非偏振激光穿过所述透明材料后到达反射板；所述反射板反射激光后使其沿原路返回；
所述激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量；
对测量结果进行理论分析和计算，进而得到所述透明材料内部声场的超声应力；或，
当偏振系统设置旋转偏振片时；
利用超声系统使透明材料内部产生声场；
所述非偏振激光依次穿过所述旋转偏振片和所述透明材料后到达反射板；
所述反射板反射激光后使其沿原路返回；
所述激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量；
对测量结果进行理论分析和计算，进而得到所述透明材料内部声场的超声应力。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光多普勒测振仪发射单束非偏振激光；其中，仪器内部通过分光镜使激光源发出的激光形成两束相干光，一束为参考光，另一束为物光即所述非偏振激光从仪器内射出。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声系统包括：超声发射系统和超声换能器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振系统包括空置和设置旋转偏振片两种状态。
5.一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的方法，应用于如权利要求1-4所述的系统，其特征在于，包括下列步骤：
激光多普勒测振仪产生单束非偏振激光，并将偏振系统空置；
利用超声系统使透明材料内部产生声场；
所述非偏振激光穿过所述透明材料后到达反射板；
所述反射板反射激光后使其沿原路返回；
所述激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量；
对测量结果进行理论分析和计算，进而得到所述透明材料内部声场的超声应力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量的方法，包括：
所述反射的激光与激光多普勒测振仪内的参考光发生干涉并产生干涉条纹，计算所述干涉条纹的多普勒频移的大小。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对测量结果进行理论分析和计算，进而得到所述透明材料内部声场的超声应力包括：
从测量结果得到纵波的声场。
8.一种利用激光多普勒效应进行超声定量测量的方法，应用于如权利要求1-4所述的系统，其特征在于，包括下列步骤：
激光多普勒测振仪产生单束非偏振激光，并将偏振系统设置旋转偏振片；
利用超声系统使透明材料内部产生声场；
所述非偏振激光依次穿过所述旋转偏振片和所述透明材料后到达反射板；
所述反射板反射激光后使其沿原路返回；
所述激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量；
对测量结果进行理论分析和计算，进而得到所述透明材料内部声场的超声应力。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光多普勒测振仪接收反射的激光完成单点测量的方法，包括：
所述反射的激光与激光多普勒测振仪内的参考光发生干涉并产生干涉条纹，计算所述干涉条纹的多普勒频移的大小。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对测量结果进行理论分析和计算，进而得到所述透明材料内部声场的超声应力包括：
从测量结果得到纵波的声场，进而得到所述透明材料沿两个应力主轴的第一应力光学系数和第二应力光学系数，以及声波应力分量；
从测量结果得到质点振动方向垂直于激光传播方向的横波SV波的声场，进而得到声波应力分量。
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