Page 187 - 《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 375

绝对应力场分布测量方法操作步骤可简单总 相对延时，一路触发超声发射箱，另外一路触发激光
结如下： 器，将超声波 “冻结” 在设定的传播距离处，再通过
(1) 利用动态光弹圆偏振光路得到声场中每个 相机进行拍摄，从而实现超声波在固体中的传播过
′
点的最大出射光强值I out 。 程的观测 [9] 。电动旋转镜架采用步进电机控制，分
(2) 通过平面偏振光路结合 Senarmont 补偿法 辨率为0.01 ,绝对定位精度可达0.02 。成像系统中
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◦
确定入射光强值I 0 。 光弹图像的像素点数为1280 × 1024，每个像素点用
(3) 根据公式 (4) 可计算得到声场区域所有点 8 位二进制表示，有256个灰度级。本实验中图像像
的绝对应力值，形成声场应力的最大绝对值分布图。 素点距离的标定是通过探头的实际尺寸在光弹图
像中的所占的像素点数，图像的分辨率为0.08 mm。
2 实验及结果分析
试件选用经过精退火的K9光学玻璃作为样品，
2.1 实验平台及条件 长、宽均为120 mm，厚度为 30 mm，材料参数 [17] 如
动态激光光弹系统主要构件包括光学隔振防 表1所示。
抖平台、激光器、电动旋转镜架、起偏器、检偏器、试
2.2 实验结果分析
件、1/4波片、工业相机、显示器、超声发射箱和同步
延时系统等，如图 3 所示。激光器采用多层毛玻璃 实验采用自制的 10 MHz 点聚焦探头作为测试
进行匀化光束处理，光源发射单色绿光，绿光的波长 对象，探头晶片直径为 6 mm，声透镜曲率半径为
λ 为 532 nm。凸透镜将漫射光斑进行会聚，调节光 14 mm，材料为环氧树脂，声速为 2450 m/s，实验中
阑通光孔径，限制会聚光束，使其通光孔成为近似点 超声激励电压 400 V。聚焦探头通过医用耦合剂与
光源，可消除部分杂散光的影响。调节起偏器和检 K9 玻璃试块顶端耦合，向下发射超声脉冲纵波，在
偏器的偏振轴使其正交垂直来改变入射光场的偏 样品中形成瞬态声场。通过动态光弹圆偏振光系统
振状态实现暗场成像，并分别调节两个 1/4 波片的 以 0.01 µs 的采样间隔抓取探头辐射的瞬态声场图
快慢轴，使其快慢轴与检偏器的偏振轴成 45 ，实现 像，连续采集500帧瞬态声场图像。选取8帧瞬态声
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圆偏振光系统成像。实验中超声探头激励产生的纵 场图像如图 4 所示，可以直观地观察探头辐射声场
波由试件顶端向下传播。同步延时系统可调节两路 汇聚、聚焦以及扩散全过程。

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图 3 动态光弹系统的实验平台
Fig. 3 Experimental platform of dynamic photoelastic system

表 1 材料参数
Table 1 Material parameter

材料 弹性模量/GPa 泊松比 密度 /(kg·m −3 ) 纵波声速/(m·s −1 ) 横波声速/(m·s −1 ) 应力光学系数 c/Pa −1
K9 玻璃 79.2 0.211 2520 5980 3621 2.7 × 10 −12