声光技术 12讲 光声压电技术

第12讲光声压电技术主要内容背景和发展历史基本模型理论分析和计算实验和结论展望一、背景和发展历史光声压电技术由来已久精确的光声压电理论复杂1996年，基于薄板理论的简化理论出现2008年，双层模型的优化理论背景：发展：材料低弹性性能、热学性能的检测材料结构、缺陷等的检测材料内部应力、晶格结构错位等的检测二、基本模型垂直于中间面的正应力与横截面内的应力相比是非常微小而可以忽略不计。作用在板的平面内的荷重所引起的应力，沿板的厚度均匀分布。变形前位于与板的中间面相垂直的任意直线上所有的点，在板变形后仍位于板的弹性曲面正交的直线上。薄板假设：T是样品内的温度，ω为调制角频率，D=k/(ρC)是热扩散率，k是热导率，ρ是密度，C是比热l是样品厚度三、理论分析和计算有限元仿真简化压电光声1、有限元分析和计算建模与仿真结论分析

实验对照仿真简化模型模型结构实际模型1、探头结构2、机理部分3、使用边界模型简化有限元模型边界条件加载计算结果动画测试结果与有限元仿真结果的对照仿真结果非常成功！——利用有限元方法可以非常好地模拟压电效应引起的振动情况。泊松比和杨氏模量对信号的影响！密度和比热对信号的影响！(b)(a)线性热膨胀系数和热导率对信号的影响！2、简化理论分析和计算温度分布计算热弹效应分析压电计算T是温度分布，D是热扩散系数，f是入射光束的强度调制频率，Q是热源密度。热扩散方程：假设：热扩散方程变成：考虑在同深度面上对温度取平均值：热扩散方程变成：式中温度分布计算：假设样品的半径甚大于激光束半径，热量无法传到样品的边缘，此时在样品的边缘满足：，由此我们可以对方程做进一步简化求解该微分方程，得通解形式为：绝热的边界条件：所以温度场分布为：热弹效应分析薄板理论样品内部：（质点在r方向的位移为u，在z方向的位移为w）（E为杨氏模量，v为泊松比）根据应力和应变有以下关系：（α为线性热扩散系数）应力必须遵循应力平衡方程：因为：将平衡方程对Z在区间[-l/2,l/2]上积分同理，将平衡方程乘以Z再对Z积分得：求解：过程略将应变和在样品区域内取平均，得：压电输出当换能器在整个样品区域内不影响样品的形变，则其压电输出为：所以压电输出为：当光被样品强吸收时：所以得到压电输出信号的表达式为：令：（相位）（振幅）输出信号四、实验和结论实验框图实验系统实物图紫铜的光声信号实验数据和理论拟合曲线(a)振幅×频率-频率关系，(b)相位-频率关系

铝的光声信号实验数据和理论拟合曲线(a)振幅×频率-频率关系，(b)相位-频率关系样品振幅检测所得热扩散率D（

mm2/s）相位检测所得热扩散率D（mm2/s）参考热扩散率D(mm2/s

)紫铜157.6116.3117铝44.6585.7585紫铜、铝的热扩散率表实验条件要求：满足薄板理论满足强吸收

实验材料和照射光波长的相互关系

短波长、高功率能较好满足要求，因此具有较好的实验结果。根据实验设备条件，选择绿光130mW功率氩离子光源。

样品形状满足薄板理论

样品半径应该远大于样品的厚度，一般10倍以上。

压电换能器影响要能忽略

压电换能器厚度控制在0.2mm以内，且其半径与样品一致为好。最佳实验条件：其他样品的测试：Mullite/Al-Cu-Mg复合材料相位-频率关系Mullite/Al-Cu-Mg复合材料基底相位-频率关系基底合金中各成份的参数表样品密度（g/cm3）比热（J/kºC

）热导率（

W/cmºC）质量分数Al2.70.882.3593.85%Cu8.930.394.014%Mg1.740.661.531.85%杂质Fe7.860.460.8350.30%基底参考值60mm2/s基底测量值61.85mm2/s合金测量值53.4mm2/s猪皮肤：猪脂肪(a)

新鲜猪组织;(b)风干组织;(c)特殊制备后的样品.猪肌肉猪心脏猪肝脏猪肾脏样品皮肤脂肪肌肉心脏肝脏肾脏

新鲜密度(g/cm3)1.150.911.081.061.101.07厚度(mm)1.301.341.110.961.120.73热扩散率(mm2/s)6.751.852.851.754.300.95自然风干厚度(mm)0.760.550.600.490.640.49热扩散率(mm2/s)1.150.400.400.400.450.55

经过特殊处理厚度(mm)1.40----1.040.700.900.70热扩散率(mm2/s)1.70----1.050.501.200.60五、展望优点小结：不足之处：

测量重复性极好

测量精度高

无损测量

对测量样品五附加处理需求

对薄样品测量精度降低

对较软材质测量精度降低

需在样品上粘接换能器，不够无损