一種超聲波傳播過(guò)程可視化裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光測(cè)彈性力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲波傳播過(guò)程可視化裝置，用于觀測(cè)固體中超聲波傳播成像。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波具有頻率高，波長(zhǎng)短，方向性好且無(wú)輻射傷害的特點(diǎn)，因此超聲波無(wú)損檢測(cè)廣泛應(yīng)用在鋼鐵制造、機(jī)械制造、石油化工、鐵路運(yùn)輸、電子制造等工作部門(mén)。但是，超聲波是不可見(jiàn)的，超聲波遇到缺陷的散射研宄一般只能通過(guò)理論計(jì)算。在無(wú)損檢測(cè)工程實(shí)際應(yīng)用中，一般通過(guò)超聲波換能器得到的回波或者透射波信號(hào)來(lái)對(duì)缺陷做出判斷，但是從換能器得到的回波或者透射信號(hào)都是局部的，無(wú)法提供超聲波與固體內(nèi)部缺陷作用的具體特性。
[0003]通過(guò)動(dòng)態(tài)超聲波的超聲波傳播過(guò)程可視化裝置，可以直接觀察到超聲波在固體中的傳播特性，形象直觀的給出超聲波與缺陷相互作用的行為特征，對(duì)于研宄超聲波遇到缺陷產(chǎn)生的散射提供了有益的幫助，是重要的工具。
[0004]超聲波傳播過(guò)程可視化裝置有三個(gè)特點(diǎn):一是所測(cè)超聲波在固體中傳播速度快，并且頻率很高，因此需要的光源驅(qū)動(dòng)脈寬很窄；二是為了能夠?qū)崿F(xiàn)成像所需光源的亮度足夠，要求光源的驅(qū)動(dòng)電流足夠大。三是為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)成像，需要所測(cè)超聲波與光源之間的相對(duì)延遲時(shí)間在保持一段時(shí)間后可以自動(dòng)改變，即實(shí)現(xiàn)兩者之間的移位。如超聲波在固體中的成像，需要同頻率的窄脈寬大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)光源，以實(shí)現(xiàn)光彈性觀測(cè)的目的。
[0005]動(dòng)態(tài)光彈技術(shù)的研宄具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外研宄人員在這方面做了許多工作，并做了相應(yīng)的研宄。比較典型的有:K.G.Hall采用光彈法研宄了不同角度的超聲探頭、觀察敲擊玻璃試件產(chǎn)生壓縮波并與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，觀察壓縮波在試件邊界反射時(shí)的模式轉(zhuǎn)換及與試件表面槽和內(nèi)部不同形狀缺陷的相互作用(見(jiàn)K.G.Hall:Observing ultrasonic wave propagat1n by stroboscopic visualizat1n methods,《Ultrasonics》.1982，20:159-170.)，但其研究只能滿(mǎn)足靜態(tài)光彈觀測(cè)的要求。C.P.Burger、A.Testa和A.Singh使用動(dòng)態(tài)頻閃光彈法觀察分析蘭姆波與實(shí)驗(yàn)樣品中淺槽的相互作用，應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)樣品表面缺陷的檢測(cè)，并指出可以改進(jìn)超聲檢測(cè)的定量研宄(見(jiàn)C.P.Burger, A.Testa and A.Singh:Dynamic photoelasticity as an aid in developingnew ultrasonic-test methods，《Experimental Mechanics》，1982，22:147-154.)， 但同樣的，該方法只能部分顯示超聲波在固體中的傳播特性。應(yīng)崇福和張守玉等人對(duì)縱波和橫波在固體中傳播特性、爬波現(xiàn)象、帶狀裂紋散射、蘭姆波及板端散射、脈沖體波和瑞利波在固體尖角的散射等進(jìn)行了理論分析，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)光彈法和圖像處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)研宄(見(jiàn)應(yīng)崇福、張守玉、王麗生:固體中圓柱形空腔上爬波的光彈法實(shí)驗(yàn)研宄，《中國(guó)科學(xué)》，1981，6，681-686.)。諸國(guó)楨和傅德永等人利用動(dòng)態(tài)光彈法原理設(shè)計(jì)的脈沖聲場(chǎng)的顯示系統(tǒng)，并應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)記錄分析了超聲脈沖子兩種玻璃界面的傳播和沙中圓柱體對(duì)超聲脈沖的散射(見(jiàn)諸國(guó)禎、盧克安、楊旭輝、傅德永:對(duì)記錄脈沖聲場(chǎng)的光學(xué)方法及對(duì)沙中埋藏的類(lèi)圓柱體的散射聲場(chǎng)的研宄，《聲學(xué)學(xué)報(bào)》，2002, 27(3): 198-202.)，但上述兩者的研宄都存在不能實(shí)時(shí)控制的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種超聲波傳播過(guò)程可視化裝置，其目的是克服現(xiàn)有光彈儀只能滿(mǎn)足靜態(tài)光彈觀測(cè)、只能部分顯示超聲波在固體中的傳播特性或者不能實(shí)時(shí)控制的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)超聲波在固體中傳播的成像。
[0007]本發(fā)明所提供的一種超聲波傳播過(guò)程可視化裝置，包括脈沖發(fā)生器、超聲波換能器、信號(hào)處理器、光彈系統(tǒng)、信號(hào)放大電路，其特征在于:
[0008]所述脈沖發(fā)生器輸出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，同時(shí)輸出與所述脈沖信號(hào)同步的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理器；所述超聲波換能器將脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，垂直入射到所述光彈系統(tǒng)的透明試塊中，作為被觀測(cè)信號(hào)；
[0009]所述光彈系統(tǒng)由在光路上自左至右依次設(shè)置的LED光源、第一凸透鏡、第一偏振片、第一 1/4波片、第二 1/4波片、第二偏振片、第二凸透鏡構(gòu)成，所述第一 1/4波片和第二1/4波片之間的距離足夠容納由光彈性材料制成的透明試塊；
[0010]所述LED光源，發(fā)出成像光束，輸入到所述光彈系統(tǒng)的第一凸透鏡中，第一凸透鏡將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)為平行光，通過(guò)第一偏振片輸出平面偏振光場(chǎng)，第一 1/4波片將平面偏振光場(chǎng)轉(zhuǎn)為圓偏振光場(chǎng)，施加到透明試塊上，第二 1/4波片和第二偏振片用于將圓偏振光場(chǎng)轉(zhuǎn)為平行光，通過(guò)第二凸透鏡聚焦成像，當(dāng)超聲波換能器產(chǎn)生的超聲波作用于透明試塊時(shí)，能夠在第二凸透鏡一側(cè)觀察到超聲波在透明試塊中產(chǎn)生的光彈圖樣；
[0011]所述信號(hào)處理器由所述方波信號(hào)觸發(fā)，輸出正脈沖信號(hào)，送到信號(hào)放大電路；所述信號(hào)放大電路對(duì)正脈沖信號(hào)進(jìn)行幅值放大，驅(qū)動(dòng)所述LED光源。
[0012]所述的超聲波傳播過(guò)程可視化裝置，其特征在于:
[0013]所述信號(hào)處理器進(jìn)行下述操作:
[0014](I)設(shè)置延時(shí)時(shí)間參數(shù)T = Ous?20us，根據(jù)透明試塊中超聲波波前位置距超聲波換能器的距離確定，距離越大，T值越大，設(shè)置單次延時(shí)間隔總數(shù)Ntl為大于500的整數(shù)，置單次延時(shí)間隔計(jì)數(shù)參數(shù)N = 0，設(shè)置單次延時(shí)值Tci= 1ns?100ns，置系統(tǒng)輸出變量P =0，設(shè)置輸出信號(hào)脈寬計(jì)數(shù)參數(shù)M = 0，設(shè)置輸出信號(hào)脈寬計(jì)數(shù)值Mtl= I?5 ;
[0015](2)檢測(cè)到脈沖發(fā)生器輸出的方波信號(hào)的上升沿，延時(shí)T后，置P = 1，開(kāi)始輸出正脈沖信號(hào)；
[0016](3)將M+1的值賦予M ;
[0017](4)判斷是否M = M0,是則進(jìn)行過(guò)程(5)，否則轉(zhuǎn)過(guò)程(3);
[0018](5)置P = 0，完成一次正脈沖信號(hào)輸出；
[0019](6)判斷是否N = N0,是則置N = 0，轉(zhuǎn)過(guò)程(7)，否則將N+1的值賦予N，轉(zhuǎn)過(guò)程
(2)；
[0020](7)判斷是否繼續(xù)工作，是則將T+^的值賦予T，轉(zhuǎn)過(guò)程⑵，否則結(jié)束。
[0021]本發(fā)明的工作過(guò)程為:
[0022]所述脈沖發(fā)生器在時(shí)刻O(píng)開(kāi)始工作，輸出頻率及幅值可調(diào)的脈沖信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)所述超聲波換能器，超聲波換能器將脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，輸入到置入所述光彈系統(tǒng)的透明試塊中，作為被觀測(cè)信號(hào)；同時(shí)，脈沖發(fā)生器輸出與脈沖信號(hào)同步的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述信號(hào)處理器，信號(hào)處理器在方波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，輸出一路與脈沖信號(hào)同步的經(jīng)過(guò)延時(shí)T的正脈沖信號(hào)；該正脈沖信號(hào)再經(jīng)由信號(hào)放大電路進(jìn)行幅值放大，驅(qū)動(dòng)光彈系統(tǒng)中的LED光源；LED光源發(fā)出的頻閃光依次通過(guò)光彈系統(tǒng)中的凸透鏡、偏振片和1/4波片后變?yōu)閳A偏振光場(chǎng)，用該圓偏振光場(chǎng)觀測(cè)超聲波換能器輸出的超聲波在透明試塊中的傳播成像。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)超聲波激勵(lì)和LED光源的同步控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED光源頻閃時(shí)間、驅(qū)動(dòng)脈寬和幅值的調(diào)節(jié)，并能夠在每次延時(shí)保留一段時(shí)間后自動(dòng)改變延時(shí)時(shí)間，能夠定量觀測(cè)一個(gè)周期內(nèi)超聲波的傳播。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明組成示意圖；
[0025]圖2為光彈系統(tǒng)示意圖；
[0026]圖3為信號(hào)處理器的控制流程框圖