Page 185 - 《应用声学》2023年第2期

第 42 卷 第 2 期 候满钊等： 超声聚焦探头在固体中辐射声场的动态光弹测量方法 373

头在固体中辐射声场的研究较少。
0 引言
本文在起偏器之后和检偏器之前各添加一个
超声聚焦探头在超声无损检测领域应用广泛， 1/4 波片，组成动态光弹圆偏振光成像系统，结合
常用于金属管材、棒材等工件内部缺陷的检测。无 Senarmont补偿法测量聚焦声场应力引起的偏振光
损探伤过程中，聚焦探头在声束聚焦区域能量集中， 相位差，实现聚焦探头在固体中辐射声场的应力绝
可提高探伤灵敏度和分辨力，其声场特性直接关系 对值测量，给出聚焦特性参数，并采用传统的水浸式
到检测性能的好坏。目前超声探头声场主要通过水 小球反射法和有限元仿真计算验证动态光弹圆偏
浸方式，采用水听器或小球声波反射通过扫查获得， 振光系统定量测量聚焦探头固体声场的可行性。
固体中的聚焦探头声场参数需通过等效计算进行
1 测量原理及方法
间接估计，不但具有一定的误差，而且不够直观与全
面。因此，直接测量聚焦探头在固体中的辐射声场 1.1 光弹法应力测量原理
特性对其工程应用具有指导作用。
当入射光 I 0 通过一个厚度为 d 的各向同性透
动态光弹法可以研究固体内部声波的传播和
明非晶体模型时，在应力作用下会产生双折射效应
衍射现象，是目前唯一能够在实验上给出固体中超
进而改变偏振方向，部分出射光 I out 可以通过检偏
声传播和散射声场直观物理图像的技术手段 [1−3] 。
器被相机接收形成光弹图像 [16] 。由于双折射效应
20世纪70年代，Hall [4] 利用动态光弹法观测了透明
使得入射光在固体内部传播时沿着两个主应力 σ 1 、
固体中的超声，实现了不同传播时刻的动态应力成
σ 2 方向分解成两束偏振光继而产生了相位差 α，相
像。Dally [5] 研究了动态光弹法对断裂和产生的应
位差的表达式为 [17]
力波的传播问题。20世纪 80年代，中国科学院声学
2π 2π
所研制出了动态激光光弹设备，通过实验方法研究 α = cd (σ 1 − σ 2 ) = cd∆σ, (1)
λ λ
了固体中超声波的散射和传播问题 [6−7] 。在基于动 式 (1) 中，c 是样品的应力光学系数，λ 为光源的波
态光弹图像进行超声声场观测时，主要是利用光在 长，∆σ 为主应力差。在光弹测量过程中会产生一
不同应力环境中的双折射效应 [8−9] ，形成不同亮度 个已知的相位差，通过该已知的相位差 α 推算出主
的光场显示，间接反应固体中应力分布的相对值， 应力差 ∆σ 的大小，进而确定主应力大小的绝对值。
在实现超声波应力值的绝对测量方面具有一定的 对于平面纵波，其沿声波传播方向的应力 σ x 表达式
局限性。在动态光弹实验中一般采用相位差补偿的 为 [17]
方法测量声波应力 [10] ，Kurzynowski 等 [11] 提出了 ( ) 2 ( ) 2
c l ∆σ c l λα
Senarmont 补偿器理论测量双折射介质的相位差。 σ x = = , (2)
c s 2 c s 4πcd
安志武等 [12] 通过动态光弹的平面偏振光系统结合
式(2)中，c l 为纵波声速，c s 为横波声速。
Senarmont补偿法定量测量了纵波探头在固体的辐
射声场中某点主应力大小，但只实现了声场中单点 1.2 应力场分布测量方法
的应力定量测量，未能实现对声场应力分布的定量 文献 [13] 中提出在平面偏振光路系统中采用
测量。 Senarmont 补偿法只能实现声场中单点的定量测
近年来很多学者基于光学技术对探头声场进 量，本文在前人的基础上改变动态光弹系统出射光
行测量，如王月兵等 [13] 使用激光测振技术测量聚 路，获得固体中整个区域声场应力绝对值的分布，实
焦探头在液体中声场的分布，获得探头所在焦平面 现由点到面的声场应力定量测量。在用光弹法显示
的声压分布；徐峥等 [14] 提出利用纹影法和荧光法 应力分布时，若只确定应力值的大小而不关注应力
来实现点聚焦探头在液体中的声场可视化并完成 方向时，可采用圆偏振光系统，即在起偏器之后和
对焦点声压的定量测量；金士杰等 [15] 采用光弹图 检偏器之前分别放置一个 1/4 波片，调整波片的快
像灰度值法测量并表征了圆盘型探头的辐射声场 慢轴使其与起偏器和检偏器通光轴的夹角都是45 ，
◦
特征参量。目前超声聚焦探头声场测量的研究主要 如图1所示。此时，穿过样品的光由未加1/4波片之
针对于液体介质，利用动态光弹法定量测量聚焦探 前的线偏振光变为圆偏振光。