多通道动态光弹成像系统的研制

　　声波是一种无法直接观察到的应力波。人们研究声波时，通常用传声器、超声换能器等进行测量。在研究材料中超声波的传播及散射时，只能在材料表面接收声波，得到局部的信息。声波在材料内部的行为及其变化过程则只能理论推演，而不能直接观测[1]。随着现代无损检测技术的快速发展和检测要求的不断提高，多通道超声波探伤和相控阵等多阵元超声波检测技术越来越多地应用到工程实践中，声波在材料中的传播过程也随之越来越复杂。为了让人们更直观地观察这些复杂声场，笔者研制了多通道动态光弹成像系统。此系统可以为无损检测工作者，特别是利用多阵元超声聚焦声波来检测材料缺陷的科技工作者，提供超声波在固体中传播的可视化图像。系统可以模拟相控阵声束扫查的工作过程，为研究相控阵声场提供可视化的实验依据。

　　1　动态光弹技术

　　各向同性透明固体在应力作用下会表现出如同晶体一样的双折射效应。根据Maxwell的应力-光折射定律，利用偏振光干涉法，可以观察到透明固体内的应力分布，这就是通常的光弹应力分析。发展到目前，最有效而常用的声波显示方法就是光弹法。

　　光弹法一般用来显示透明固体中静态应力的分布，但声波是运动着的应力区，因此不能采用通常的静态光弹技术。在光学玻璃中，纵波声速约为5　900m/s，横波声速为3　600m/s左右，为获得声波的图像，必须对高速运动的声波进行瞬时采样。拍摄瞬时物体的图像一般有两种方法，即高速照相和使用频闪光源。两项措施之一配合光弹方法，来观察和记录超声波运动图像的技术称为“动态光弹技术”。高速照相方法曝光时间要求很短，需用几十万次每秒的高速照相机，高灵敏度感光胶片及极精密的同步曝光系统。即使这样，耗费了大量底片也只能抓拍到声传播过程中的某一短暂瞬间。再加上高速照相的方法不便于当时察看，也给研究工作带来了—些困难。由于上述这些原因，近几年人们倾向于在光源上想办法[1]。笔者研制的多通道动态光弹系统采用高亮度LED作为频闪光源，并且要求光脉冲时间宽度大大小于声波的周期，达到了瞬时曝光的目的，是一种简单有效的成像途径。

　　2　多通道动态光弹成像系统的实现

　　2.1　系统设计方案

　　系统由硬件和软件组成，总体设计框架如图1所示。光源S为高亮度LED，激发它的电脉冲宽度为20ns，光源发出的光脉冲3dB带宽为50ns，有较好的同步性能。凸透镜L1和L2焦距为316mm(有效口径 ≈120 mm)，凹透镜L3焦距为-400mm(有效口径=46mm)。CCD选用的型号为WV-CP230，灵敏度F0.75时为0.6Lux。