一種超聲波傳播過程可視化裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光測彈性力學領域，具體涉及一種超聲波傳播過程可視化裝置，用于觀測固體中超聲波傳播成像。
【背景技術】
[0002]超聲波具有頻率高，波長短，方向性好且無輻射傷害的特點，因此超聲波無損檢測廣泛應用在鋼鐵制造、機械制造、石油化工、鐵路運輸、電子制造等工作部門。但是，超聲波是不可見的，超聲波遇到缺陷的散射研宄一般只能通過理論計算。在無損檢測工程實際應用中，一般通過超聲波換能器得到的回波或者透射波信號來對缺陷做出判斷，但是從換能器得到的回波或者透射信號都是局部的，無法提供超聲波與固體內部缺陷作用的具體特性。
[0003]通過動態超聲波的超聲波傳播過程可視化裝置，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，對于研宄超聲波遇到缺陷產生的散射提供了有益的幫助，是重要的工具。
[0004]超聲波傳播過程可視化裝置有三個特點:一是所測超聲波在固體中傳播速度快，并且頻率很高，因此需要的光源驅動脈寬很窄；二是為了能夠實現成像所需光源的亮度足夠，要求光源的驅動電流足夠大。三是為了實現動態成像，需要所測超聲波與光源之間的相對延遲時間在保持一段時間后可以自動改變，即實現兩者之間的移位。如超聲波在固體中的成像，需要同頻率的窄脈寬大電流來驅動光源，以實現光彈性觀測的目的。
[0005]動態光彈技術的研宄具有重要意義。目前國內外研宄人員在這方面做了許多工作，并做了相應的研宄。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生壓縮波并與計算結果對比，觀察壓縮波在試件邊界反射時的模式轉換及與試件表面槽和內部不同形狀缺陷的相互作用(見K.G.Hall:Observing ultrasonic wave propagat1n by stroboscopic visualizat1n methods,《Ultrasonics》.1982，20:159-170.)，但其研究只能滿足靜態光彈觀測的要求。C.P.Burger、A.Testa和A.Singh使用動態頻閃光彈法觀察分析蘭姆波與實驗樣品中淺槽的相互作用，應用到實驗樣品表面缺陷的檢測，并指出可以改進超聲檢測的定量研宄(見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。應崇福和張守玉等人對縱波和橫波在固體中傳播特性、爬波現象、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行了理論分析，并運用動態光彈法和圖像處理技術實驗研宄(見應崇福、張守玉、王麗生:固體中圓柱形空腔上爬波的光彈法實驗研宄，《中國科學》，1981，6，681-686.)。諸國楨和傅德永等人利用動態光彈法原理設計的脈沖聲場的顯示系統，并應用數字圖像處理技術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超聲脈沖的散射(見諸國禎、盧克安、楊旭輝、傅德永:對記錄脈沖聲場的光學方法及對沙中埋藏的類圓柱體的散射聲場的研宄，《聲學學報》，2002, 27(3): 198-202.)，但上述兩者的研宄都存在不能實時控制的不足。
【發明內容】
[0006]本發明提供一種超聲波傳播過程可視化裝置，其目的是克服現有光彈儀只能滿足靜態光彈觀測、只能部分顯示超聲波在固體中的傳播特性或者不能實時控制的問題，實現超聲波在固體中傳播的成像。
[0007]本發明所提供的一種超聲波傳播過程可視化裝置，包括脈沖發生器、超聲波換能器、信號處理器、光彈系統、信號放大電路，其特征在于:
[0008]所述脈沖發生器輸出脈沖信號驅動超聲波換能器，同時輸出與所述脈沖信號同步的方波信號驅動信號處理器；所述超聲波換能器將脈沖發生器輸出的脈沖信號轉換成超聲波，垂直入射到所述光彈系統的透明試塊中，作為被觀測信號；
[0009]所述光彈系統由在光路上自左至右依次設置的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，發出成像光束，輸入到所述光彈系統的第一凸透鏡中，第一凸透鏡將點光源轉為平行光，通過第一偏振片輸出平面偏振光場，第一 1/4波片將平面偏振光場轉為圓偏振光場，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轉為平行光，通過第二凸透鏡聚焦成像，當超聲波換能器產生的超聲波作用于透明試塊時，能夠在第二凸透鏡一側觀察到超聲波在透明試塊中產生的光彈圖樣；
[0011]所述信號處理器由所述方波信號觸發，輸出正脈沖信號，送到信號放大電路；所述信號放大電路對正脈沖信號進行幅值放大，驅動所述LED光源。
[0012]所述的超聲波傳播過程可視化裝置，其特征在于:
[0013]所述信號處理器進行下述操作:
[0014](I)設置延時時間參數T = Ous?20us，根據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，設置單次延時間隔總數Ntl為大于500的整數，置單次延時間隔計數參數N = 0，設置單次延時值Tci= 1ns?100ns，置系統輸出變量P =0，設置輸出信號脈寬計數參數M = 0，設置輸出信號脈寬計數值Mtl= I?5 ;
[0015](2)檢測到脈沖發生器輸出的方波信號的上升沿，延時T后，置P = 1，開始輸出正脈沖信號；
[0016](3)將M+1的值賦予M ;
[0017](4)判斷是否M = M0,是則進行過程(5)，否則轉過程(3);
[0018](5)置P = 0，完成一次正脈沖信號輸出；
[0019](6)判斷是否N = N0,是則置N = 0，轉過程(7)，否則將N+1的值賦予N，轉過程
(2)；
[0020](7)判斷是否繼續工作，是則將T+^的值賦予T，轉過程⑵，否則結束。
[0021]本發明的工作過程為:
[0022]所述脈沖發生器在時刻O開始工作，輸出頻率及幅值可調的脈沖信號，用于驅動所述超聲波換能器，超聲波換能器將脈沖發生器輸出的脈沖信號轉換成超聲波，輸入到置入所述光彈系統的透明試塊中，作為被觀測信號；同時，脈沖發生器輸出與脈沖信號同步的方波信號驅動所述信號處理器，信號處理器在方波信號的驅動下，輸出一路與脈沖信號同步的經過延時T的正脈沖信號；該正脈沖信號再經由信號放大電路進行幅值放大，驅動光彈系統中的LED光源；LED光源發出的頻閃光依次通過光彈系統中的凸透鏡、偏振片和1/4波片后變為圓偏振光場，用該圓偏振光場觀測超聲波換能器輸出的超聲波在透明試塊中的傳播成像。
[0023]與現有技術相比，本發明可以實現超聲波激勵和LED光源的同步控制，可以實現對LED光源頻閃時間、驅動脈寬和幅值的調節，并能夠在每次延時保留一段時間后自動改變延時時間，能夠定量觀測一個周期內超聲波的傳播。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明組成示意圖；
[0025]圖2為光彈系統示意圖；
[0026]圖3為信號處理器的控制流程框圖