聲光技術(shù) 02講 光聲技術(shù)基礎(chǔ)知識

光聲技術(shù)基礎(chǔ)知識第02講(3學(xué)時)發(fā)展簡史、概況（Bell發(fā)現(xiàn)聲光現(xiàn)象、激光超聲發(fā)展）激光超聲的基本物理過程熱膨脹機(jī)制及約束增強(qiáng)超聲檢測傳感器激光激發(fā)和檢測超聲實(shí)驗(yàn)方法理論解釋－熱彈效應(yīng)，脈沖激光在板中熱彈激發(fā)理論，激光泵浦聲表面波的種類，聲表面波色散曲線激光超聲成像系統(tǒng)及應(yīng)用，以及發(fā)展趨勢超聲紅外成象方法主要內(nèi)容1880年A.G.Bell發(fā)現(xiàn)固體光聲效應(yīng)。發(fā)展簡史、概況光聲光光聲效應(yīng)＝光熱效應(yīng)＋熱聲效應(yīng)激光超聲發(fā)展簡史、概況1963年：R.M.White觀察到固體在激光、微波和電子束的照射

下激發(fā)超聲波，并提出一維的熱彈理論。

A.Askaryanetal.觀察到液體在激光脈沖照射下氣

化而激發(fā)超聲的效應(yīng)提出一維理論模型。 1976年：

A.N.Bondarenkoetal.首先將激光超聲技術(shù)

應(yīng)用于材料測試（人工缺陷）。1986年：

J.P.Monchalin建成Fabry-Perot干涉儀實(shí)

現(xiàn)對粗糙表面的鋼板進(jìn)行激光超聲測試。固體材料在周期性強(qiáng)度調(diào)制的光束照射下，出現(xiàn)的幾種光聲光熱效應(yīng)：樣品強(qiáng)度調(diào)制激發(fā)光束紅外熱輻射間接產(chǎn)生聲波空氣折射率梯度變化溫度升高表面振動位移和熱彈形變表面溫度升高樣品折射率梯度變化直接產(chǎn)生聲波氣體tII0調(diào)制激光與物質(zhì)相互作用激光超聲的基本物理過程激光激發(fā)超聲機(jī)制（非接觸式）

1.激光激發(fā)超聲的機(jī)制2.改進(jìn)激發(fā)效率激光在固體表面激發(fā)的聲源激光脈沖激光脈沖激光脈沖油膜金屬表面聲源聲源聲源約束層熱膨脹應(yīng)力熱膨脹應(yīng)力熱膨脹應(yīng)力動量轉(zhuǎn)化應(yīng)力熱膨脹應(yīng)力熱膨脹應(yīng)力熱膨脹應(yīng)力熱膨脹機(jī)制及約束增強(qiáng)超聲檢測（非接觸式）

電磁聲換能器EMAT靜電電容換能器ESAT

空氣超聲換能器

激光探針換能器（激光干涉儀或各種光檢測振動技術(shù)）EMATESAT空氣超聲換能器電磁聲換能器(EMAT)MM阻抗匹配寬帶脈沖放大器數(shù)字示波器計算機(jī)材料EMAT脈沖激光磁場運(yùn)動方向磁鐵線圈BBEMATEMAT光電二極管樣品寬帶放大器示波器電磁聲換能器(EMAT)檢測激光超聲靜電電容換能器(ESAT)ESAT為具有大帶寬的位移敏感器，適用于作標(biāo)準(zhǔn)測試元件及脈沖超聲換能器或接收器。一般不適用于生產(chǎn)上的在線檢測。位移感應(yīng)電荷q,電勢VA板面積—間隙彈性波q＝－VAd/2至電荷放大器位移感應(yīng)電荷q,電勢VA板面積—間隙彈性波q＝－VAd/2空氣換能器根據(jù)PZT－5H的機(jī)械阻抗Z=35.2106Kg/m2s空氣阻抗Z0=0.0004106Kg/m2s空氣PZT的透聲系數(shù)約為2.410-5理想情況要求匹配層阻抗Zm=0.018Kg/m2sPZT匹配層輸出至前置放大器a.光探測系統(tǒng) 非干涉型－測量光偏轉(zhuǎn) 干涉型－測量光程差b.通用的光探測系統(tǒng) 邁克爾遜干涉儀 外差干涉儀c.精密測量(微弱信號提取)

F－P干涉儀超聲的光檢測邁克爾遜干涉儀激光器光電接收濾波片表面位移樣品反射鏡探測光參考光激光激發(fā)和檢測超聲實(shí)驗(yàn)方法

Nd:YAG脈沖激光器氦氖激光器樣品光電管觸發(fā)信號計算機(jī)示波器PZT激光干涉儀位置傳感器(i)在忽略熱擴(kuò)散的情況下，Wellman(1980)提出一維理論： 應(yīng)力振幅 體積改變

超聲振幅正比于激光能量

(ii)考慮熱擴(kuò)散，Scrubyetal.,（1990）提出

F-吸收功率密度，a-束半徑，C－熱傳導(dǎo)，k－熱擴(kuò)散，p(t)-激光脈沖形狀理論解釋－熱彈效應(yīng)40801202.010.08.06.04.0t=20nst=40nst=80nsT=200ns深度(m)溫度激光束：高斯分布功率密度＝13mw/cm2脈沖間隔：24ns鋁板理解頻率與透射深度的相互關(guān)系！脈沖激光在板中熱彈激發(fā)理論對各向同性彈性材料具有體積為

，且表面積為

S,則:*邊界條件為表面力密度,應(yīng)力張量，*初始條件為位移矢量外加體力源密度，(1a)(1b)(1c)(1d)激光+h0-h板材*熱彈方程為樣品激發(fā)光檢測光5-5123t(s)LR位移Uz瑞利波tUz蘭姆波s0a0激光泵浦聲表面波的種類聲表面波色散曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論擬合Ni-Ni3Al/Si多層膜0.0051.01.52.02.53.03.43.63.84.04.24.44.64.85.0khSAWvelocity(km/s)Ni3Al/Si單層膜0.751.001.251.503.753.803.853.903.954.00khSurfacewavevelocity(km/s)measuredcurvecalculatedcurvemeasuredcurvecalculatedcurveYoung’smodulus:284GPadensity=7650kg/m3Young’smodulus:369GPadensity=7380kg/m3thickness:39m激光超聲成像系統(tǒng)及應(yīng)用激光超聲是一種優(yōu)良的大規(guī)模檢測手段！激光超聲技術(shù)發(fā)展趨勢成像科學(xué)與技術(shù)

——發(fā)展光聲熱波與其他成象技術(shù)或顯微成象技術(shù)結(jié)合形成

新的混合式成象技術(shù)。發(fā)展反演理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。超快現(xiàn)象研究

——快速化學(xué)、生物和物理反應(yīng)研究。

——超高頻聲子（千兆赫－兆兆赫頻率范圍）效應(yīng)。生物醫(yī)學(xué)技術(shù)

——生物組織的生理或病理的光聲效應(yīng)研究。

——生物溶液或大分子的光聲效應(yīng)研究。應(yīng)用開發(fā)

——工業(yè)應(yīng)用（主要是無損檢測與評價）。

——環(huán)境監(jiān)測（空氣污染和水污染）。

——材料定征（特性和參量測試）。激光超聲的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：非接觸式，可遠(yuǎn)離物體遙控激發(fā)和檢測超聲可在任何物質(zhì)（氣、液、固）中激發(fā)聲波在固體中