Page 37 - 无损检测2022年第八期

黄婷婷,等:
光热调制的基础温度对光声非线性声信号特性的影响

)。
信号( 2ω 1 和 2 ω 2 ) 和混频信号( 一阶旁瓣 ω 1±ω 2
当应变较大时, 应力应变关系中不忽略高阶项, 则可
, ,…, ω 1±iω 2 i=2 ,
(
得高阶旁瓣 ω 1±2ω 2 ω 1±3ω 2
3 , 4 ,…)。
这种高频和低频声波的位移场相互作用产生的
非线性超声现象, 可称为非线性调幅现象 [ 21 ] , 通常
用调制指数来描述高频信号受到低频信号调制的程
度, 即混频信号( 或称旁瓣) 的幅值与调制后的高频
信号( 或称主频) 幅值之比称为调制指数, 即
( )/ ( 11 )
M = A + 1 +A - 1 A 0
旁瓣 信号幅 图 2 光声非线性混频试验系统组成
式中: M 为 调制指数; A +1 为 ω 1 +ω 2
为主频信号 束光经声光调制器强度低频调制后作为泵浦源, 而
值; A -1 为 ω 1-ω 2 旁瓣信号幅值; A 0
幅值。 透射的一束光经声光调制器强度高频调制后作为激
因此, 裂纹的张开与闭合引起非线性超声调制 发源, 分别通过光阑, 经凸透镜聚焦于样品上。函数
现象, 可以利用非线性超声的这一特点实现对微裂 发生器用来改变泵浦源和激发源的调制频率, 加速
纹的检测。 度计用来接收样品中的声波加速度信号并送入锁相
放大器, 最终由计算机读取频谱数据。所选用样品
2 光声非线性混频试验原理
为尺寸为 108 mm×50 mm×2 mm ( 长 × 宽 × 厚)
笔者基于光声非线性混频技术, 研究激发源和 的黑玻璃, 一道通过热冲击方法获得的裂纹贯穿样
泵浦源的基础温度部分对于非线性混频信 号的影 品上下表面。
响, 在试验上利用全光学的方法激发探测信号, 用一
3 结果和讨论
束高频( ) 幅度调制的连续光作为激发源, 以产生
fH
声波, 并且用一束低频( ) 幅度调制的连续光作为 3.1 高频激发源的基础温度对非线性混频现象的
fL
泵浦源激励裂纹周期性运动, 将激发源与泵浦源共 影响
点聚焦在玻璃样品的裂纹上, 激发源、 泵浦源共点检 文献[ 19 ] 中已探讨了相关试验参数对于光声非
测原理如图 1 所示。如果样品的检测区域中不存在 线性现象的影响, 因此不再赘述, 试验所用泵浦频率
缺陷, 则激发源和泵浦源产生的两列声波的声场满 fL=5 Hz 、 激 发 频 率 fH =19.8kHz 、 泵 浦 功 率

足线性叠加原理。如果样品的检测区域中存 在缺 P L=40mW 。为了研究幅度调制的激光源的基础

陷, 当激发源产生的声波透过裂纹时, 裂纹的周期性 温度对非线性混频现象的影响, 首先讨论幅度调制
开合会对透射声波产生幅度调制, 产生明显的非线 的激光辐照下材料的温度场变化情况, 利用有限元
性调幅现 象, 即 两 列 声 波 相 互 作 用 产 生 混 频 信 号 方法研究幅度调制的连续激光辐照下, 黑玻璃材料
)。通过该方法探测混频信号可实现对
( m fH±n fL 中的三维热传导情况, 计算得到调制频率为5Hz时
裂纹的检测。 的连续激光辐照下温度场随时间变化曲线如图 3 所
光声非线性混频试验系统组成如图 2 所示, 由 示。其中, 无论是泵浦源还是激发源, 都是采用幅度
最大输出功率为 5 W 的半导体激光器输出波长为

532nm 的 连 续 光, 通 过 半 波 片 和 偏 振 分 光 棱 镜
( PBS ) 分成两束强度可调的光束, 从 PBS 反射的一

图 3 调制频率为 5Hz时, 连续激光辐照下温度场
图 1 激发源、 泵浦源共点检测原理示意 随时间变化曲线

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2022 年 第 44 卷 第 8 期
无损检测