[发明专利]一种产生单一超声横波的光学换能器及方法

说明书

本发明提出一种产生单一超声横波的光学换能器及方法，包括激光器、多面镜、电机以及相关控制器，激光器用于产生扫描激光，多面镜在电机以及相关控制器的控制下旋转，多面镜将扫描激光反射至物体表面，通过控制多面镜的旋转角速度使扫描激光以一定的扫描速度描速物体，在物体内部产生单一的超声横波波前信号，避免了纵波信号的干扰。

技术领域

本发明涉及一种产生单一超声横波的光学换能器及方法。

背景技术

目前，超声波的产生通常采用的电学方法有压电换能器和电磁声换能器(EMAT)产生超声波。有学者使用用换能器给出了不同激励电压下的辐射声场像和实现了固-液界面纵波、横波传播规律的可视化。压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应来发射和接收超声波，其能量转换是在晶片上进行的，它是将机械能与电能相互转换的一种装置。然而，这种装置在检测中有诸多的局限性，如需要耦合介质、接触检测和不适用于小半径样品的检测等，并且压电探头很难激发横波，测量精度不高。EMAT是另一种常见的超声发射接收装置，是靠电磁效应发射和接收超声波，其能量转换是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的，具有非接触性、无需加入声耦合剂，以及重复性好、检测速度高，适合动态、高温检测，很好地克服压电超声的缺点。产生电磁的基本要素是磁场和涡流，接收超声信号的要素是磁场和工件表面的微观粒子的振动。因此，在产生磁场的电磁铁和产生涡流的线圈的不同组合形式下，电磁声换能器可以产生纵波、横波等。实际上，外加磁场的方向、线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定电磁声换能器产生的波模类型。纵波换能器工件内的磁力线平行于工件表面，当线圈内通过高频电流时，将在工件表面感应出涡流，且涡流平面与磁力线平行，在磁场力作用下，涡流上将受一个力的作用。某一时刻方向向上，半个周期后又将受到一个向下的力。质点在交变力的作用下，在作用力方向上将产生一个弹性波。由于振动方向和波的传播方向一致，因而此波为超声纵波。横波换能器改变磁力线的方向，通以交变电流时，受力方向将发生改变，产生一个与作用力方向相互垂直的弹性切变波，称为超声横波。但EMAT也有其局限性。首先EMAT的工作原理决定了它只能用于导电样品或者样品具有导电表面层，其次电磁声换能器中的感应线圈的阻抗随着频率的增大而增大，因此要得到几MHz以上的高频换能器相对比较困难，并且与接触式换能器一样，很难在一些空间受限的结构中使用。

近年来，兴起了一种利用激光激发接收超声信号的全光学方法。激光激发和探测超声可以克服换能器激发探测的绝大部分缺点，虽然要比传统的换能器代价昂贵且使用复杂，激光超声的研究还是受到了越来越多的重视，某些应用研究已经逐渐从实验室走向工业应用，比如航空工业中的聚合物基复合材料检测、钢管厚度在线检测等。一般激光超声技术采用脉冲激发，激光热量被辐照区域的表面迅速吸收，吸收后产生的热量不能及时扩散，在表面附近产生较大的温度梯度，引起介质的局部热膨胀和热应力的产生，进而产生在介质中的传播的多种模态的超声波。图中可以看出激光辐照在样品表面时，能够同时激发沿表面传播的Rayleigh波、沿样品内部传播的纵波和横波。

总之，从传统的换能器激发超声到激光激发超声技术，完成了从电学方法到光学方法的转变，各自拥有独特的优缺点。换能器激发能够实现单一模式的超声波激发，如上述所说的纵波、横波换能器。对于压电型来说，是接触的，需要耦合剂。尽管对于电磁型来说无需耦合，但也要离待测表面很近，检测灵活性受到很大限制。而激光激发超声，能够实现真正意义上的远距离激发接收，能够在恶劣环境下进行的全光学方法。但由于激发过程中，伴随多种模式的超声信号产生，各种波形的超声在材料中传播可能会相互干扰，影响检测效果。

发明内容

本由于脉冲激光激发超声将同时产生多种模态的超声体波，纵波、横波作为超声无损检测领域中常用的探测信号，往往同时产生。要想产生单一的超声信号，利用脉冲激光激发是难以实现。于是本发明提供一种产生单一超声横波的方法，使用大功率的连续激光快速扫描物体，在物体内部产生单一的超声横波波前信号，避免了纵波信号的干扰。