声光技术 02讲 光声技术基础知识

光声技术基础知识第02讲(3学时)发展简史、概况（Bell发现声光现象、激光超声发展）激光超声的基本物理过程热膨胀机制及约束增强超声检测传感器激光激发和检测超声实验方法理论解释－热弹效应，脉冲激光在板中热弹激发理论，激光泵浦声表面波的种类，声表面波色散曲线激光超声成像系统及应用，以及发展趋势超声红外成象方法主要内容1880年A.G.Bell发现固体光声效应。发展简史、概况光声光光声效应＝光热效应＋热声效应激光超声发展简史、概况1963年：R.M.White观察到固体在激光、微波和电子束的照射

下激发超声波，并提出一维的热弹理论。

A.Askaryanetal.观察到液体在激光脉冲照射下气

化而激发超声的效应提出一维理论模型。 1976年：

A.N.Bondarenkoetal.首先将激光超声技术

应用于材料测试（人工缺陷）。1986年：

J.P.Monchalin建成Fabry-Perot干涉仪实

现对粗糙表面的钢板进行激光超声测试。固体材料在周期性强度调制的光束照射下，出现的几种光声光热效应：样品强度调制激发光束红外热辐射间接产生声波空气折射率梯度变化温度升高表面振动位移和热弹形变表面温度升高样品折射率梯度变化直接产生声波气体tII0调制激光与物质相互作用激光超声的基本物理过程激光激发超声机制（非接触式）

1.激光激发超声的机制2.改进激发效率激光在固体表面激发的声源激光脉冲激光脉冲激光脉冲油膜金属表面声源声源声源约束层热膨胀应力热膨胀应力热膨胀应力动量转化应力热膨胀应力热膨胀应力热膨胀应力热膨胀机制及约束增强超声检测（非接触式）

电磁声换能器EMAT静电电容换能器ESAT

空气超声换能器

激光探针换能器（激光干涉仪或各种光检测振动技术）EMATESAT空气超声换能器电磁声换能器(EMAT)MM阻抗匹配宽带脉冲放大器数字示波器计算机材料EMAT脉冲激光磁场运动方向磁铁线圈BBEMATEMAT光电二极管样品宽带放大器示波器电磁声换能器(EMAT)检测激光超声静电电容换能器(ESAT)ESAT为具有大带宽的位移敏感器，适用于作标准测试元件及脉冲超声换能器或接收器。一般不适用于生产上的在线检测。位移感应电荷q,电势VA板面积—间隙弹性波q＝－VAd/2至电荷放大器位移感应电荷q,电势VA板面积—间隙弹性波q＝－VAd/2空气换能器根据PZT－5H的机械阻抗Z=35.2106Kg/m2s空气阻抗Z0=0.0004106Kg/m2s空气PZT的透声系数约为2.410-5理想情况要求匹配层阻抗Zm=0.018Kg/m2sPZT匹配层输出至前置放大器a.光探测系统 非干涉型－测量光偏转 干涉型－测量光程差b.通用的光探测系统 迈克尔逊干涉仪 外差干涉仪c.精密测量(微弱信号提取)

F－P干涉仪超声的光检测迈克尔逊干涉仪激光器光电接收滤波片表面位移样品反射镜探测光参考光激光激发和检测超声实验方法

Nd:YAG脉冲激光器氦氖激光器样品光电管触发信号计算机示波器PZT激光干涉仪位置传感器(i)在忽略热扩散的情况下，Wellman(1980)提出一维理论： 应力振幅 体积改变

超声振幅正比于激光能量

(ii)考虑热扩散，Scrubyetal.,（1990）提出

F-吸收功率密度，a-束半径，C－热传导，k－热扩散，p(t)-激光脉冲形状理论解释－热弹效应40801202.010.08.06.04.0t=20nst=40nst=80nsT=200ns深度(m)温度激光束：高斯分布功率密度＝13mw/cm2脉冲间隔：24ns铝板理解频率与透射深度的相互关系！脉冲激光在板中热弹激发理论对各向同性弹性材料具有体积为

，且表面积为

S,则:*边界条件为表面力密度,应力张量，*初始条件为位移矢量外加体力源密度，(1a)(1b)(1c)(1d)激光+h0-h板材*热弹方程为样品激发光检测光5-5123t(s)LR位移Uz瑞利波tUz兰姆波s0a0激光泵浦声表面波的种类声表面波色散曲线实验数据和理论拟合Ni-Ni3Al/Si多层膜0.0051.01.52.02.53.03.43.63.84.04.24.44.64.85.0khSAWvelocity(km/s)Ni3Al/Si单层膜0.751.001.251.503.753.803.853.903.954.00khSurfacewavevelocity(km/s)measuredcurvecalculatedcurvemeasuredcurvecalculatedcurveYoung’smodulus:284GPadensity=7650kg/m3Young’smodulus:369GPadensity=7380kg/m3thickness:39m激光超声成像系统及应用激光超声是一种优良的大规模检测手段！激光超声技术发展趋势成像科学与技术

——发展光声热波与其他成象技术或显微成象技术结合形成

新的混合式成象技术。发展反演理论与实验验证。超快现象研究

——快速化学、生物和物理反应研究。

——超高频声子（千兆赫－兆兆赫频率范围）效应。生物医学技术

——生物组织的生理或病理的光声效应研究。

——生物溶液或大分子的光声效应研究。应用开发

——工业应用（主要是无损检测与评价）。

——环境监测（空气污染和水污染）。

——材料定征（特性和参量测试）。激光超声的特点优点：非接触式，可远离物体遥控激发和检测超声可在任何物质（气、液、固）中激发声波在固体中