激光超声检测材料内部气孔缺陷的模拟研究(3)
时间:2018-04-24 20:59 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
自1962年，White[8]提出了脉冲激光在固体中激发声波，Askaryan提出了脉冲激光在液体中激发声波，激光超声的研究开始走向蓬勃发展。1976年Bondarenko等人第一次将超声激光技术应用于材料实验，采用调Q红宝石激发激光，用来检测两层抛光的不锈钢板钳在一起后的缺陷。对于激光激发超声的两种机制，Scruby、Dewhurst等人用面内正交力偶模型解释了热弹机制激发超声，用垂直力模型解释了融蚀机制激发超声。前人的这些研究为激光超声的应用奠定了良好的实验和理论基础[9]。 近年来的激光超声检损研究，我们引入了一个新的数值方法----有限元法[10]。有限元法是一种求解偏微分方程的数值解的重要方法，有限元法可以统筹物理参数随温度变化的差异，能灵活正确处理波的传播问题，无论是在各向同性还是各向异性等复杂材料中。 科学是理论和实验的结合，理论是实验的基础，实验过程又作为完善理论的重要依据，理论和实验相辅相成，共同推进科学技术的发展。激光激发超声的实验研究建立在激光激发机制的原理之上，具体到实验过程中，我们需要考虑得主要是光源的选择和光束的调制问题。 目前常规使用的可以激发超声的激光主要有：二氧化碳激光器、染料激光器、氮激光器和Nd:YAG激光器等。在众多的激光器中，考虑到Nd:YAG激光器的功率比较大，所以现阶段来说使用最为广泛。 在使用连续激光器还是脉冲激光器方面，我们考虑到激光激发超声是在瞬间完成的，所以通常选用瞬时功率较大的脉冲激光器，在调制光束时，脉冲激光器的功率损失也会比较小。我们常用脉宽10ns的Nd:YAG激光器作为我们的激光激发装置[11]，让激光透过不同的透镜可以得到不同的光源，球面透镜将激光汇聚成电源，柱面透镜将激光汇集成线源。 1.2.2激光超声检测技术的发展进程 激光超声是指在激光作用下，材料内部由于不同机制激发的超声波，与常规的超声波在固体中的传播特性类似。早期的激光超声研究，我们首选了压电换能器接受激光超声，该种换能器的特点是灵敏度高且易于操作[12-14]。超声压电换能器的材料主要是压电单晶和压电多晶，压电单晶可以追溯到1880年，Jacques和Pierre两兄弟证实了有些单晶沿某些方向受压时，就会在单晶的表面产生电荷。然后在短短的一年之内，Lippmann预测了逆压电效应，随后由Curie兄弟用实验得到了验证。我们最常见的单晶材料是石英单晶，近年来新型的单晶材料代表是铌酸锂单晶。 至于压电多晶材料，当在高温下施加外电场时可以排顺材料内部的电畴，从而使原本平均压电效应为零的多晶材料在一定温度范围内表现出压电性。依据这一原理广泛使用的多晶材料就是我们常用的压电陶瓷，相对于单晶材料来说，压电陶瓷的压电性更强，生产工艺和加工方式也更多，最具代表性的压电陶瓷是PZT。除了压电陶瓷，有些高分子材料也属于压电多晶材料，当经过某些特殊极化处理之后，也可以呈现压电性，相对于传统的压电陶瓷而言，高分子材料有许多特殊的电化学性质，最有代表的高分子压电材料是PVDF[15]。 无论是压电单晶还是压电多晶（包括压电陶瓷和高分子新材料）都在不断地进行优化，但是归根到底，压电换能器始终属于接触式的接受超声信号方式。为了确保换能器的灵敏度和可靠性，在使用过程中需要添加超声耦合剂，一方面，液体耦合剂会对被检测材料产生影响，另一方面，当温度较高时液体耦合剂会汽化，导致检测效果达不到预期的那样。接触式超声检测装置的这些局限性促使我们探索一种更加完善的检测方式，非接触式超声检测装置应运而生[16,17]。无论是空气耦合超声技术，还是电磁超声技术都得到了十分广泛的运用，尤其是激光超声技术，在激光超声检测发展的历程中写下了举足轻重。由最初的连续激光技术发展到如今的脉冲激光技术，脉冲激光超声检测已经发展成为了非接触式激光超声检测种最为有效的手段[18]。 (责任编辑：qin) |