范振中，畢　超

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

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陣列式超聲無(wú)損檢測(cè)中的多通道光彈成像研究

范振中，畢超

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

摘要:為了使相控陣和陣列式探傷中聲路可見(jiàn)，研究人員能更直觀地觀察聲場(chǎng)，利用超聲波本質(zhì)的應(yīng)力波屬性，及偏振光干涉原理，研制了多通道動(dòng)態(tài)光彈成像系統(tǒng). 通過(guò)控制各通道超聲波的發(fā)射延遲時(shí)間，在光學(xué)試件中激發(fā)各種聚焦聲場(chǎng)，模擬相控陣聚焦聲場(chǎng)的聲束掃查過(guò)程，通過(guò)CCD拍攝固體中聲波的傳播圖像，在時(shí)序電路下形成動(dòng)態(tài)視頻圖像并對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行采集存儲(chǔ).

關(guān)鍵詞:應(yīng)力波； 聲場(chǎng)； 多通道動(dòng)態(tài)光彈； 無(wú)損檢測(cè)； 超聲波檢測(cè)

0引言

動(dòng)態(tài)光彈成像技術(shù)能夠直接觀察與被測(cè)工件聲學(xué)特性相似的光學(xué)玻璃試件中的超聲場(chǎng)傳播過(guò)程，被認(rèn)為是超聲場(chǎng)研究的一把利器. 隨著相控陣和陣列式探傷等檢測(cè)新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，先前的單通道動(dòng)態(tài)光彈成像系統(tǒng)已不能滿足對(duì)復(fù)雜聲場(chǎng)分析的需要.

為了更好地研究陣列式探頭聲場(chǎng)傳播特性，本文開(kāi)發(fā)了多通道動(dòng)態(tài)光彈成像系統(tǒng)，用以研究陣列式探頭聲場(chǎng)分布，使陣列式探頭產(chǎn)生的聲場(chǎng)直觀可見(jiàn).

1光彈成像理論基礎(chǔ)

光彈應(yīng)力分析的是指利用偏振光干涉原理觀察透明光學(xué)玻璃上的應(yīng)力，它以應(yīng)力-光折射理論作為基礎(chǔ)，可表示為

(1)

式中： {Ni}i=1,2,3為介質(zhì)中某點(diǎn)折射率橢球的主分量； {σi}i=1,2,3為某點(diǎn)的3個(gè)應(yīng)力橢球主分量，折射率橢球主分量與應(yīng)力橢球主分量對(duì)應(yīng)的方向相同.

如圖1 所示，假設(shè)光敏材料M厚度為d并承受兩向壓力，由于雙折射效應(yīng)，當(dāng)偏振光EP垂直入射到光敏材料時(shí)，EP在M上的任意一點(diǎn)(以O(shè)點(diǎn)為例)將分解為相互垂直的兩束偏振光E1，E2.

兩束偏振光E1,E2產(chǎn)生的光程差為

(2)

此光程差引起的相位差為

(3)

式中：λ為入射光波長(zhǎng);d為模型厚度;σ1,σ2為主應(yīng)力，光彈法就是利用相位差α，使兩束偏振光相干涉，進(jìn)而根據(jù)干涉強(qiáng)弱來(lái)研究光學(xué)試件中的應(yīng)力波.

圖2 為正交圓偏振儀原理圖，光波經(jīng)起偏振片P后再經(jīng)過(guò)如圖所示的Q1,Q2(λ/4玻片)，即變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓偏振光，再進(jìn)入檢偏振器A. 進(jìn)入模型之后檢偏片的振動(dòng)分量為

(4)

圖1　光彈顯示原理Fig.1　Principle of photoelastic imaging

圖2　正交圓偏振儀原理Fig.2　Principle of the orthogonal circular polarization instrument

光波在檢偏振片Ox方向上的出射分量為

(5)

式中：β′=β+ωt. 通過(guò)檢偏振器之后的光強(qiáng)為

(6)

2光彈成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1光路及硬件結(jié)構(gòu)

圖3 為系統(tǒng)光路及硬件結(jié)構(gòu).

光學(xué)系統(tǒng)中的光源采用LED光源，亮度極高，可滿足系統(tǒng)曝光需要，LED由延時(shí)控制器控制光源通斷時(shí)間； 圖3 中的L1為準(zhǔn)直光束透鏡，焦距為320mm； P為起偏振片； S為光學(xué)試件，選用與普通鋼聲速相近的K9光學(xué)玻璃制成； A為檢偏振片； L2為成像透鏡； L3為擴(kuò)束凹透鏡；CCD選用的型號(hào)為WAT902，用以拍攝光彈試驗(yàn)圖像，相應(yīng)軟件可將數(shù)字圖像信號(hào)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中； T為陣列式換能器. 圖4 為成像系統(tǒng)實(shí)物圖.

圖3　系統(tǒng)光路及硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Optical system and hardware structure

圖4　試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.4　Real imaging system

圖5　光彈系統(tǒng)延時(shí)控制器原理圖Fig.5　Schematic of time delay controller

硬件單元中的延時(shí)控制模塊是此系統(tǒng)有別于其他單通道光彈系統(tǒng)的核心部件單元，原理如圖5 所示，延時(shí)控制模塊以89S52單片機(jī)為中央控制器，系統(tǒng)工作時(shí)，在軟件指定焦點(diǎn)及掃查路徑后，單片機(jī)從上位機(jī)接收各通道的預(yù)計(jì)延時(shí)時(shí)間，分配地址由電路譯碼后對(duì)應(yīng)各個(gè)晶片； 時(shí)鐘電路用于對(duì)相應(yīng)通道輸送N個(gè)周期的延時(shí)數(shù)據(jù)； 單片機(jī)的程序調(diào)試及下載是由USB連接方式與上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)的.

2.2系統(tǒng)軟件及工作流程

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件包括系統(tǒng)控制、 圖像撲捉、 圖像數(shù)據(jù)測(cè)量、 圖像數(shù)據(jù)采集等功能. 系統(tǒng)工作時(shí)，操作者指定光彈系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置，上位機(jī)根據(jù)指定的參數(shù)計(jì)算各個(gè)聲學(xué)通道的發(fā)射時(shí)間，延時(shí)時(shí)間通過(guò)接口發(fā)送到單片機(jī)89S52，單片機(jī)計(jì)算光路的延時(shí)時(shí)間及聲波通道的激發(fā)時(shí)間，在特定時(shí)刻激發(fā)協(xié)調(diào)工作的聲波通道及光路.

3試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中聲源采用多個(gè)矩形晶片作為發(fā)射聲源，晶片的寬度3 mm、 長(zhǎng)度33 mm，主頻為2 MHz. 晶片排列如圖6 所示，晶片相互平行排列，間距2 mm. 晶片長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于晶片寬度，以使輻射聲場(chǎng)可近似看作柱面波形式. 在光彈系統(tǒng)下各個(gè)晶片輻射的聲場(chǎng)被適當(dāng)延時(shí)，在相同的聲波振幅激勵(lì)之下，即可產(chǎn)生作者希望得到的超聲聚焦聲場(chǎng).

玻璃樣品試塊尺寸為90 mm×25 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)，試塊中的縱波聲速為5 900 m/s，與常用鋼鐵的聲速近似. 玻璃樣品與晶片的放置方式如圖7所示，晶片產(chǎn)生縱波的入射方向垂直于光學(xué)玻璃上表面.

圖6　晶片排列方式Fig.6　Chips alignment

圖7　晶片在光學(xué)試件位置圖Fig.7　Chips on the optics specimen

3.2聲場(chǎng)圖像分析

圖8～圖11為本實(shí)驗(yàn)光彈系統(tǒng)下使用4塊矩形晶片在不同時(shí)刻的聲場(chǎng)截圖，其中拍攝時(shí)間T1

圖8　T1時(shí)刻聲場(chǎng)截圖Fig.8　Ultrasonic field shots at T1

圖9　T2時(shí)刻聲場(chǎng)截圖Fig.9　Ultrasonic field shots at T2

圖10　T3時(shí)刻聲場(chǎng)截圖Fig.10　Ultrasonic field shots at T3

圖11　T4時(shí)刻聲場(chǎng)截圖Fig.11　Ultrasonic field shots at T4

圖12 為單晶片輻射聲場(chǎng)遇有機(jī)玻璃與空氣界面后的反射，圖13 為聚焦聲場(chǎng)遇有機(jī)玻璃與空氣界面后的反射. 可見(jiàn)由聚焦聲場(chǎng)反射波形成的條紋明暗顯著，說(shuō)明聚焦聲場(chǎng)聲壓及聲強(qiáng)更大，所以在實(shí)際檢測(cè)中，陣列式探頭產(chǎn)生的聚焦聲場(chǎng)更有利于發(fā)現(xiàn)小缺陷，有更高的靈敏度.

圖12　界面反射——單晶片聲場(chǎng)Fig.12　Interface echo-single chip ultrasonic field

圖13　界面反射——聚焦聲場(chǎng)Fig.13　Interface echo-focused ultrasonic field

4結(jié)論

本文所述多通道光彈系統(tǒng)根據(jù)光彈性成像原理開(kāi)發(fā)，通過(guò)精確控制各通道的超聲波發(fā)射延遲時(shí)間，能夠在光學(xué)試件中激發(fā)出多種聲場(chǎng)，本光彈系統(tǒng)能夠激勵(lì)方向可調(diào)的超聲聚焦聲場(chǎng)，光學(xué)試件中的聲速等聲學(xué)性能與常用鋼接近，故可用于研究聲波在鋼中等不透明材料中的超聲波聲場(chǎng)傳播，為超聲無(wú)損檢測(cè)提供試驗(yàn)依據(jù)，并可研究及驗(yàn)證聲學(xué)理論，具有十分重要的科研意義.

參考文獻(xiàn)：

[1]應(yīng)崇幅，張守玉. 超聲在固體中的散射[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

[2]連紅運(yùn)，李建. 光彈法研究固體圓柱橫截面上的脈沖聲場(chǎng)[J ]. 聲學(xué)技術(shù)，2008，27(2)： 221-224.

Lian Hongyun, Li Jian. A study of pulse sound fields in solid of cylindrical cross section by dynamic photoelasticity[J]. Technical Aoustics, 2008, 27(2): 221-224. (in Chinese)

[3]張偉志，王軍. 超聲波檢測(cè)計(jì)算機(jī)模擬和仿真的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J ]. 應(yīng)用聲學(xué)，2003, 22(3)： 39-44.

Zhang Weizhi, Wang Jun. A survey of the simulation and its application in ultrasonic testing[J]. Applied Acoustics, 2003, 22(3): 39-44. (in Chinese)

[4]Macovski A. Ultrasonic imaging using arrays[J]. Proceedings of IEEE,1979, 67(4): 484-495.

[5]Lawrence Azar, Shi-Chang Wooh. Experimental characterization of untrasonic phased arrays for the nondestructive evaluation of concrete structures[J]. Materials Evaluation, 1999, 57(2)： 134-140.

[6]霍彥明，李國(guó)偉，陳亞珠. 超聲陣列換能器設(shè)計(jì)及聲場(chǎng)模擬[J ]. 聲學(xué)技術(shù)，1999，18(4)： 168-172.

Huo Yanming，Li Guowei，Chen Yazhu. Design of ultrasound phased-array in focused ultrasound and the simulation of its acoustic field[J]. Tecnhical Aoustics，1999，18(4)： 168-172. (in Chinese)

[7]梁以德，吳國(guó)榮. 含裂紋彈性結(jié)構(gòu)對(duì)聲散射作用研究[J ]. 固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25(1)： 11-15.

Liang Yide，Wu Guorong. Analysis on acoustical scattering by cracked elastic structures[J]. Acta Mechanica Solid Sinica，2004，25(1)： 11-15. (in Chinese)

[8]李樹(shù)榜，李書(shū)光，劉學(xué)峰. 裂紋超聲散射的有限元模擬[J ]. 無(wú)損檢測(cè)，2007，29(1)： 27-55.

Li Shubang，Li Shuguang，Liu Xuefeng. Finite element modeling of ultrasonic wave scattering on cracks[J]. Nondestructive Testing，2007，29(1)： 27-55. (in Chinese)

[9]魏運(yùn)飛，盧超. 薄板腐蝕缺陷蘭姆波成像檢測(cè)的有限元模擬[J ]. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，24(3)： 261-264.

Wei Yunfei, Lu Chao. Finite element modeling of corrosion image detection using lamb wave in thin plate[J]. Journal of Test and Measurement Technology，2010，24(3)： 261-264. (in Chinese)

[10]Hohl T，Datta S K. Axially symmetric pulse propagation in semi-infinite hollow cylinders[J]. AIAA Journal，1992，30(2)： 1624-1627.

Study on Multi-Channel Photoelastic Imaging in Array Type Ultrasonic Nondestructive Testing

FAN Zhenzhong, BI Chao

(China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract:In order to make the ultrasonic propagation path become visible in ultrasonic phased array and Ultrasonic array testing technology, researchers can observe the acoustic field directly , using the properties of the ultrasonic as a stress wave, according to the theory of polarized light interference, a multi-channel dynamic photoelastic imaging system is developed successfully. The system can generate many kinds of focusing ultrasonic fields in optical specimen by controlling the ultrasonic transmission delay time of each equipment channel, and the system has the ability to simulate the acoustic field's focusing process of the ultrasonic phased array. The image was shot by CCD camera reflects the propagation process of the acoustic field in the specimen, and the dynamic video is formed under control of the timing circuit, and the system has the ability to save the captured image in the computer.

Key words:stress wave； sound field； multi-channel dynamic photoelasticitity； NDT； ultrasonic testing

中圖分類號(hào):TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.02.005

作者簡(jiǎn)介：范振中(1982-)，男，助理研究員，碩士，主要從事鐵路行業(yè)產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)研究.

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所基金資助項(xiàng)目(2015JHS05)

收稿日期:2015-09-27

文章編號(hào):1671-7449(2016)02-0120-05