Page 39 - 无损检测2022年第八期
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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

   辐照处的裂纹宽度发生改变, 而裂纹宽度的变化大                           现出截然不同的非线性特性               [ 22-23 ] 。当输入进 裂 纹
   小, 是由温度场决定的。原本在传统混频声非线性                           声波能量和裂纹本身非线性同时改变时, 裂纹的接
   中仅泵浦源用来调制裂纹宽度和接触状态, 但采用                           触状态也会改变, 从而使得旁瓣幅值并不会随着激
   激光源作为激发声波的激励源时, 激励源产生的热                           发功率的增大而单调变化, 不同接触状态下裂纹非线
   作用改变了裂纹的宽度, 可以把这部分影响称为基                           性特性的差异将使得旁瓣幅值的变化趋势极其复杂。
   础温度的影响。由图 3 的理论计算结果可以看出,                          3.2  基于基础温度的微裂纹判定
   强度调制的连续光辐照材料后引起的材料内温度的                               试验样品的裂纹是受热冲击形成的真实裂纹,
                                    部分会对裂纹           其结构复杂, 不同位置处的裂纹宽度也不同。为进
   变化可以分为两部分, 基础温度 T min
   加热, 提供基础位移, 改变裂纹的状态, 而温度振荡                        一步研究不同裂纹宽度下强度调制的激光源的基础
                  会调制裂纹进行周期性地开合运                     温度部分对光声非线性混频现象的影响, 沿裂纹生
   部分 T max-T min
   动  [ 24 ] 。在进行光声非线性混频试验时, 增加泵浦源                   长方向随机选取了另外一个裂纹位置, 用同样的装
   功率不仅会使温度振荡部分增大( 即增大泵浦源调                           置进行了光声非线性混频试验。参数与上一节相

   制裂纹开合的能力), 基础温度也会相应增大( 即为                         同, 当泵浦功率为 40 mW , 逐 渐 增 大 激 发 功 率 ( 从

   裂纹提供更大的基础位移)。这两部分的改变都会                            20mW 到 160mW , 步长为 10 mW )。但是在激发

   对非线性现象产生很大的影响, 这种影响会在旁瓣                           功率增大到 160 mW 时, 非线性现象并未消失, 说
   幅值上体现出来。                                          明不同的裂纹宽度对非线性信号会产生影响。将上
       因此, 图 6 中调制指数呈现不同的变化趋势是                       节的裂纹位置定为裂纹 A , 本节的裂纹位置定为裂

   因为增大了泵浦功率后, 基础温度增大, 改变了裂纹                         纹 B , 继续增大激发功率到 200mW 进行试验, 得到
   的接触状态。裂纹一般包含张开、 呼吸、 闭合三个状                         主频幅值随激发功率的变化如图 7 所示。
   态, 而在呼吸状态下调制指数最大               [ 19 ] 。随着基础温           对比图 7 ( a ) 与图 7 ( c ) 中主频幅值随激发功率
   度的增大, 裂纹的宽度减小, 使得在泵浦源 的调制                         变化的趋势, 发现裂纹均是由张开状态( 主频幅值随
   下, 裂纹的张开状态会消失, 调制指数的变化趋势也                         激发功率增大几乎不变) 逐渐向呼吸状态( 主频幅值

   由 40 、 60mW 时的先增大再减小变为 80mW 时的                    随激发功率增大而迅速增大) 转变, 图 7 ( a ) 中裂纹

   直接减小。这种变化也会在图 5 中反映出来, 当固                         A 由张开转变为开合状态对应的阈值激发功率为

   定泵浦功率, 改变激发功率时, 随着激发功 率的增                         80mW , 而图 7 ( c ) 中裂纹 B 对应为 100 mW , 表明
   大, 图 5 ( a ) 中非线性旁瓣幅值先增大后减小, 这是                   裂纹 B 缝宽更大。
   裂纹接触状态变化所导致的, 因为呼吸状态下的非                                当主频幅值迅速增大, 即裂纹由闭合状态向开
   线性强于张开状态下的, 所以激发源使裂纹由张开                           合转变时, 旁瓣幅值也会相应变化。观察图 7 ( d ),
   变为呼吸时, 旁瓣幅值增大的趋势不变, 但是当增大                         一阶旁瓣的幅值随着激发功率的增大 ( P H =20~

   激发源功率产生的基础温度使得裂纹闭合后, 闭合                           100mW ), 开始几乎观察不到变化, 而当激发功率

   状态下的非线性远小于呼吸状态的, 这时激发功率                           增大到 100mW ( 裂纹运动状态改变的阈值激发功
   增长带来的声波幅值增长无法抵消非线性减弱对旁                            率时) 左右时, 旁瓣幅值先陡然增大, 随后出现非单
   瓣幅值减小的影响, 由此旁瓣幅值就会出现减小的                           调的变化趋势, 对应的频谱图如图 8 所示。
   趋势。在图 5 ( c ) 中由于裂纹已经不存在张开状态,                          继续增大激发功率, 一阶旁瓣幅值表现出非单

   只存在不完整的呼吸状态与闭合状态, 此时随着激                           调的变 化 趋 势。 即 当 激 发 功 率 为 100~160 mW
   发功率的增大, 裂纹很快会趋于闭合, 因此旁瓣幅值                         时, 一阶旁瓣幅值先增大后减小, 继续增大激发功率

   会在短暂增大后趋于稳定。                                      ( P H=170~200mW ) 后, 一阶旁瓣幅值增大而后又
       所以实际情况中, 由于光声非线性中增大激发                         再次减小。
   源的功率在增大了声波( 即主频) 幅值的同时, 也必                             根据 主 频 与 旁 瓣 幅 值 计 算 调 制 指 数 [ 见 式
   定会产生更大的基础温度, 给裂纹增加了基础位移,                          ( 11 )], 得到调制指数随激发功率变化曲线如图 9 所
   减小裂纹宽度使得透过的声波能量也随之增大。                             示, 可以看出, 调制指数的变化表明了裂纹接触状态
       改变激发源功率时, 激发源所包含的基础温度                         的改变。与图 6 ( a ) 相比, 调制指数出现峰值对应的

   部分改变了裂纹状态, 裂纹在不同接触状态下会表                           激发 功 率P H   由 图 6 ( a ) 中 的 50mW ( 裂 纹A ) 增 加


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                                                                                      无损检测
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