一种超声波传播过程可视化装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光测弹性力学领域，具体涉及一种超声波传播过程可视化装置，用于观测固体中超声波传播成像。
【背景技术】
[0002]超声波具有频率高，波长短，方向性好且无辐射伤害的特点，因此超声波无损检测广泛应用在钢铁制造、机械制造、石油化工、铁路运输、电子制造等工作部门。但是，超声波是不可见的，超声波遇到缺陷的散射研宄一般只能通过理论计算。在无损检测工程实际应用中，一般通过超声波换能器得到的回波或者透射波信号来对缺陷做出判断，但是从换能器得到的回波或者透射信号都是局部的，无法提供超声波与固体内部缺陷作用的具体特性。
[0003]通过动态超声波的超声波传播过程可视化装置，可以直接观察到超声波在固体中的传播特性，形象直观的给出超声波与缺陷相互作用的行为特征，对于研宄超声波遇到缺陷产生的散射提供了有益的帮助，是重要的工具。
[0004]超声波传播过程可视化装置有三个特点:一是所测超声波在固体中传播速度快，并且频率很高，因此需要的光源驱动脉宽很窄；二是为了能够实现成像所需光源的亮度足够，要求光源的驱动电流足够大。三是为了实现动态成像，需要所测超声波与光源之间的相对延迟时间在保持一段时间后可以自动改变，即实现两者之间的移位。如超声波在固体中的成像，需要同频率的窄脉宽大电流来驱动光源，以实现光弹性观测的目的。
[0005]动态光弹技术的研宄具有重要意义。目前国内外研宄人员在这方面做了许多工作，并做了相应的研宄。比较典型的有:K.G.Hall采用光弹法研宄了不同角度的超声探头、观察敲击玻璃试件产生压缩波并与计算结果对比，观察压缩波在试件边界反射时的模式转换及与试件表面槽和内部不同形状缺陷的相互作用(见K.G.Hall:Observing ultrasonic wave propagat1n by stroboscopic visualizat1n methods,《Ultrasonics》.1982，20:159-170.)，但其研究只能满足静态光弹观测的要求。C.P.Burger、A.Testa和A.Singh使用动态频闪光弹法观察分析兰姆波与实验样品中浅槽的相互作用，应用到实验样品表面缺陷的检测，并指出可以改进超声检测的定量研宄(见C.P.Burger, A.Testa and A.Singh:Dynamic photoelasticity as an aid in developingnew ultrasonic-test methods，《Experimental Mechanics》，1982，22:147-154.)， 但同样的，该方法只能部分显示超声波在固体中的传播特性。应崇福和张守玉等人对纵波和横波在固体中传播特性、爬波现象、带状裂纹散射、兰姆波及板端散射、脉冲体波和瑞利波在固体尖角的散射等进行了理论分析，并运用动态光弹法和图像处理技术实验研宄(见应崇福、张守玉、王丽生:固体中圆柱形空腔上爬波的光弹法实验研宄，《中国科学》，1981，6，681-686.)。诸国桢和傅德永等人利用动态光弹法原理设计的脉冲声场的显示系统，并应用数字图像处理技术记录分析了超声脉冲子两种玻璃界面的传播和沙中圆柱体对超声脉冲的散射(见诸国祯、卢克安、杨旭辉、傅德永:对记录脉冲声场的光学方法及对沙中埋藏的类圆柱体的散射声场的研宄，《声学学报》，2002, 27(3): 198-202.)，但上述两者的研宄都存在不能实时控制的不足。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种超声波传播过程可视化装置，其目的是克服现有光弹仪只能满足静态光弹观测、只能部分显示超声波在固体中的传播特性或者不能实时控制的问题，实现超声波在固体中传播的成像。
[0007]本发明所提供的一种超声波传播过程可视化装置，包括脉冲发生器、超声波换能器、信号处理器、光弹系统、信号放大电路，其特征在于:
[0008]所述脉冲发生器输出脉冲信号驱动超声波换能器，同时输出与所述脉冲信号同步的方波信号驱动信号处理器；所述超声波换能器将脉冲发生器输出的脉冲信号转换成超声波，垂直入射到所述光弹系统的透明试块中，作为被观测信号；
[0009]所述光弹系统由在光路上自左至右依次设置的LED光源、第一凸透镜、第一偏振片、第一 1/4波片、第二 1/4波片、第二偏振片、第二凸透镜构成，所述第一 1/4波片和第二1/4波片之间的距离足够容纳由光弹性材料制成的透明试块；
[0010]所述LED光源，发出成像光束，输入到所述光弹系统的第一凸透镜中，第一凸透镜将点光源转为平行光，通过第一偏振片输出平面偏振光场，第一 1/4波片将平面偏振光场转为圆偏振光场，施加到透明试块上，第二 1/4波片和第二偏振片用于将圆偏振光场转为平行光，通过第二凸透镜聚焦成像，当超声波换能器产生的超声波作用于透明试块时，能够在第二凸透镜一侧观察到超声波在透明试块中产生的光弹图样；
[0011]所述信号处理器由所述方波信号触发，输出正脉冲信号，送到信号放大电路；所述信号放大电路对正脉冲信号进行幅值放大，驱动所述LED光源。
[0012]所述的超声波传播过程可视化装置，其特征在于:
[0013]所述信号处理器进行下述操作:
[0014](I)设置延时时间参数T = Ous?20us，根据透明试块中超声波波前位置距超声波换能器的距离确定，距离越大，T值越大，设置单次延时间隔总数Ntl为大于500的整数，置单次延时间隔计数参数N = 0，设置单次延时值Tci= 1ns?100ns，置系统输出变量P =0，设置输出信号脉宽计数参数M = 0，设置输出信号脉宽计数值Mtl= I?5 ;
[0015](2)检测到脉冲发生器输出的方波信号的上升沿，延时T后，置P = 1，开始输出正脉冲信号；
[0016](3)将M+1的值赋予M ;
[0017](4)判断是否M = M0,是则进行过程(5)，否则转过程(3);
[0018](5)置P = 0，完成一次正脉冲信号输出；
[0019](6)判断是否N = N0,是则置N = 0，转过程(7)，否则将N+1的值赋予N，转过程
(2)；
[0020](7)判断是否继续工作，是则将T+^的值赋予T，转过程⑵，否则结束。
[0021]本发明的工作过程为:
[0022]所述脉冲发生器在时刻O开始工作，输出频率及幅值可调的脉冲信号，用于驱动所述超声波换能器，超声波换能器将脉冲发生器输出的脉冲信号转换成超声波，输入到置入所述光弹系统的透明试块中，作为被观测信号；同时，脉冲发生器输出与脉冲信号同步的方波信号驱动所述信号处理器，信号处理器在方波信号的驱动下，输出一路与脉冲信号同步的经过延时T的正脉冲信号；该正脉冲信号再经由信号放大电路进行幅值放大，驱动光弹系统中的LED光源；LED光源发出的频闪光依次通过光弹系统中的凸透镜、偏振片和1/4波片后变为圆偏振光场，用该圆偏振光场观测超声波换能器输出的超声波在透明试块中的传播成像。
[0023]与现有技术相比，本发明可以实现超声波激励和LED光源的同步控制，可以实现对LED光源频闪时间、驱动脉宽和幅值的调节，并能够在每次延时保留一段时间后自动改变延时时间，能够定量观测一个周期内超声波的传播。
【附图说明】
[0024]图1为本发明组成示意图；
[0025]图2为光弹系统示意图；
[0026]图3为信号处理器的控制流程框图