固体激光超声测量实验.doc

固体激光超声测量实验一 实验目的1、 掌握固体激光超声测量原理；2、 了解PVDF膜的测量原理3、 用固体激光超声检测被测材料。二 实验原理1 超声的定义：人耳能听到的声音的频率范围是16Hz 20 kHz，频率低于16 Hz的称为次声波，在 Hz范围内的是超声波，更高的是特超声波。超声波的特点是波长短、沿直线传播（在许多场合可应用几何声学关系进行分析研究）、指向性好，能在固体中传播，并能进行波型转换。超声波检测的优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时知道检测结果（实时检测），能实现自动化检测和实现永久性记录，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等等。2 激光是如何产生超声的。 产生机理分两种情况:热弹机理和烧蚀机制热弹机制，当照射到试样表面的激光能量不足以使样品表面熔化时，试样内超声脉冲主要是由于试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生的。照射到不透明试样表面的脉冲激光，其能量部分被浅表层吸收。部分被反射。吸收了光能的浅表部分，由于温度上升而发生局部热膨胀以致发生局部应变。在没产生消融时，由于吸收了激光的能量，在金属的表面立刻因热膨胀产生热弹压力，当表面为自由状态时，就会向周围辐射出纵波和横波。由于入射光波是脉冲的，该形变也是周期性的。周期形变在周围介质中激发了超声波。激光脉冲的时间宽度一般很窄，如10ns级，超声的频宽有几十兆赫。烧蚀机制：如果激光能量足以使照射材料的表面熔化时，材料的汽化产生一冲量作用于表面，产生一个法向作用力，激发出幅值较大的超声波，但这种方法损坏了材料。具体的解释是当入射激光使金属熔化时，形成了等离子体。在入射激光脉冲的上升时间内，熔化和等离子体的产生都是非常快的。然而一旦建立，该等离子体要超过1才能消散。这个延长的时间内，等离子体继续向金属表面供热，使他保持高温。此时的热弹压力与由熔化产生的反冲力相比，要小的多。.【Appl.phys.lett.38,677(1981)】。下图是用宽频的电容式探测器检测到的波形。3 纵波和横波的传输及和模式转换固体的分子和原子存在确定的稳定性的结构，因此，固体为介质的波和气体、液体存在着一定的不同。这个不同就在于给固体施加一个动量的作用，在沿施加动量的方向上，存在纵波的传递，在垂直于施加动量的方向，存在横波的传递。给固体任何一个动量的作用，都会存在着两种波。分别为：（1）纵波（Longitudional Wave，简称L波，又称作压缩波、疏密波），纵波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向相同。（2）横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或剪切波），横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直，纵波比横波传的快。设平面声波在一个大介质里传播，遇到第二个大介质，假设这两个介质的界面也是平面。如果这两个介质都是流体，这时声波在界面的反射和折射与光波的一般情况类似。如果这两个介质都是，或其中一个是固体，则可能会出现纵波和横波的相互转换（模式转换），使反射和折射的情况更为复杂。4 在测量精度要求不高时，直接在示波器上确定声脉冲通过厚度t时所需的时间是最简便和有效的方法。一般情况下有两种方法。一种是以激光脉冲为声脉冲激发的起点，直接测量直达声脉冲的声时t0，简称为直达波法。另一种是测量直达声脉冲与第一次反射脉冲之间的声时t2l，简称为反射回波法。两种直读声时法可适用于不同性能的媒质，并各有优劣之处。对于直达波法，它直观，简单，不必去识别与直达脉冲相应的反射回波脉冲。特别是对于较厚的，或衰减较大的试样由于难以正确识别和精确测定第一次反射回波的位置，直达波法则是唯一可靠的方法。当然，对于能清晰获得第一次反射回波的试样，由于反射回波法消除了耦合层的影响，又可以用尽可能高的采样频率来记录波形，因而具有较高的检测精度。三 实验装置据本实验室的条件，激光超声激励及检测系统如图所示。脉冲激光器分束镜示波器光电管计算机透镜光阑样品PVDF图1 激光超声系统示意图该激光器为Nd：YAG倍频脉冲激光器，其输出波长为0.532微米，一级放大时的输出能量,分束镜将一部分光送入光电管，其产生的电信号可作为示波器的扫描触发信号,以捕捉PVDF膜检测到的超声脉冲,示波器记录下的信号还可输入到计算机进行数据处理。三 实验内容实验中主要是测定不同厚度及不同材质下激光的超声声速，并与标准数据进行比较。具体步骤如下：在本实验中，需要打开激光器的一级和二级放大控制源，请注意人身和仪器安全。1 激光器的开启和光路调节1）旋转一级控制源的启动钥匙到ON位，按下SIMMER、FLASH,输出频率为1（次/秒），记录下此时表头显示的电压值，代表氙灯上加的高压值。调整平台上的光学器件，首先保证输出激光能直接照射到样品探头，然后再光路中插入透镜，使激光聚焦在样品表面。最后在透镜和激光出口间放置分束器，分出一部分光入射到光电管中。调节到位后，旋转磁性钟表座的旋纽，让仪器锁在平台上。2）按下一级控制源的调Q红色按钮，记录下表头显示的调Q电压值，此时观测输出激光时，带上实验室提供的护目镜。3）打开光电管背后的开关，调整示波器，使之出现激光的输出波形，测量并记录其半高宽。4）旋转二级控制源的启动钥匙到ON位，按下SIMMER、FLASH,输出频率为1（次/秒），精确调整激光的聚焦，此时示波器上应出现具有明显周期的超声脉冲波形。4 ）激光超声脉冲的测量用示波器探测不同情况下的超声脉冲波形，计算出相应的声速值，并对结果进行分析。请按与开启相反的顺序关闭仪器。记录下此时的能量值。注意事项：（1）为了保护你的眼睛，请佩戴实验室提供的护目镜。戴上后，在实验室行走时要注意脚下的安全。（2）开启二级放大控制单元后，