一種超聲波場的光學全息測量方法與流程
2023-05-11 15:39:41 2
本發明屬於光學全息成像技術領域，具體涉及一種超聲波場的光學全息測量方法。
背景技術：
在傳統聲場測量中，常採用高靈敏度水聽器對液體中的聲場進行測量，而且水聽器的尺寸一般只能達到1mm左右，測量的空間分辨力受到影響。而對於固體中的聲場，只能對透明介質中採用光彈法進行測量，而對於其他非透明介質，因為固體中不方便安置傳感器，所以非透明固體介質中的聲場測量一直是一個重大的技術難題。為了解決這一難題，MihailovI.G.曾提出利用電動力學的方法對固體表面的聲場進行測量，該方法將樣品置於磁場中，在樣品表面塗上一層窄而薄的金屬帶作為接收器，通過測量金屬帶兩端的電勢差進而得到固體中的聲場，該方法靈敏度低，需要均勻的磁場，而且所測量的聲場是金屬帶的平均聲壓，測量空間解析度差。雷射測振儀利用都卜勒效應，可以對物體表面的振動進行測量，測量頻率能夠達到MHz，位移解析度能達到nm級，但是空間解析度受到雷射的光斑大小的限制。而對於高頻聲場，頻率高達幾十MHz，因此亟需高頻高空間解析度的固體表面聲場測量方法。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種結構簡單、設計合理、實現方便、靈敏度高、測量精度高、測量效率高、頻帶寬、空間解析度高、實用性強、使用效果好、便於推廣使用的超聲波場的光學全息測量系統。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種超聲波場的光學全息測量系統，包括光全息光路，其特徵在於：還包括計算機、用於放置固體樣品的壓電晶片和用於驅動壓電晶片振動的功率放大器，所述計算機上接有同步控制器和與同步控制器連接的數字相機，所述同步控制器上接有波形發生器和脈衝雷射器，所述功率放大器與波形發生器的輸出端連接，所述壓電晶片與功率放大器的輸出端連接；所述光全息光路包括物光光路、參考光光路和第一分束鏡，所述物光光路包括依次設置且與脈衝雷射器設置在同一水平線上的擴束鏡、第二分束鏡和第一反射鏡，所述參考光光路包括設置在第二分束鏡下方的第三分束鏡和設置在第三分束鏡下方的第二反射鏡，所述第一分束鏡設置在第一反射鏡的下方且與第三分束鏡設置在同一水平線上，所述壓電晶片設置在第一分束鏡的正下方，所述數字相機設置在第一分束鏡的旁側，所述脈衝雷射器設置在擴束鏡的旁側。上述的一種超聲波場的光學全息測量系統，其特徵在於：所述功率放大器的型號為HSA4101。上述的一種超聲波場的光學全息測量系統，其特徵在於：所述數字相機為CCD數字相機。上述的一種超聲波場的光學全息測量系統，其特徵在於：所述CCD數字相機的型號為PCO1600。上述的一種超聲波場的光學全息測量系統，其特徵在於：所述波形發生器的型號為AFG2021-SC。上述的一種超聲波場的光學全息測量系統，其特徵在於：所述脈衝雷射器為納秒雷射器。上述的一種超聲波場的光學全息測量系統，其特徵在於：所述脈衝雷射器的型號為Nimma-400。本發明還公開了一種方法步驟簡單、實現方便、測量精度高、測量效率高、空間解析度高、實用性強，使用效果好的超聲波場的光學全息測量方法，其特徵在於該方法包括以下步驟：步驟一、將固體樣品放置在壓電晶片上；步驟二、在計算機上設置同步控制器控制數字相機的第一同步延時時間t1、同步控制器控制脈衝雷射器的第二同步延時時間t2和數字相機的曝光時間t3，計算機將數字相機的曝光時間t3傳輸給數字相機；其中，t1等於從壓電晶片振動產生超聲波到超聲波傳輸到固體樣品表面的時間t且h為固體樣品的厚度，v為超聲波在固體樣品中傳輸的速度；t2比t1大15ns～30ns；t3的取值為500ns～1000ns；步驟三、計算機通過同步控制器給波形發生器發送一個觸發信號，波形發生器接收到觸發信號後產生6～8個周期的正弦信號並輸出給功率放大器，功率放大器對其接收到的正弦信號進行放大後輸出給壓電晶片，驅動壓電晶片振動，產生超聲波；同步控制器延時時間t1後控制數字相機啟動，同步控制器延時時間t2後給脈衝雷射器發送一個觸發信號，脈衝雷射器接收到觸發信號後產生一個脈衝雷射照射在擴束鏡上；所述脈衝雷射的脈寬不大於8ns；步驟四、擴束鏡對脈衝雷射器產生的脈衝雷射進行擴束後照射在第二分束鏡上；步驟五、第二分束鏡將脈衝雷射分離為一個物光光束和一個參考光光束；步驟六、物光光束經過第一反射鏡反射後，再穿過第一分束鏡照射在固體樣品的表面上，創建物光波前；步驟七、參考光光束穿過第三分束鏡照射在第二反射鏡上，經過第二反射鏡反射後，再穿過第三分束鏡到達第一分束鏡；步驟八、經固體樣品反射回來的物光波前到達第一分束鏡，並經過第一分束鏡將物光波前與參考光光束疊加在一起，在數字相機的感光元件表面產生幹涉，形成一幅全息圖H(x,y)；其中，x為全息圖的橫軸坐標，y為全息圖的縱軸坐標；步驟九、數字相機記錄全息圖H(x,y)，並將記錄的全息圖數據傳輸給計算機；步驟十、計算機存儲其接收到的全息圖數據，並調用聲場重構模塊，從全息圖數據中重構得到超聲波聲場。上述的方法，其特徵在於：步驟九中，所述數字相機為CCD數字相機，所述數字相機通過USB線與計算機連接，所述數字相機將記錄的全息圖數據通過USB線傳輸給計算機。上述的方法，其特徵在於：步驟十中計算機調用聲場重構模塊，從全息圖數據中重構得到超聲波聲場的具體過程為：步驟1001、計算機根據公式計算得到重構平面的復幅值Uz(x,y)，其中，k為脈衝雷射的波數且k＝2π/λ，λ為脈衝雷射的波長，Z0為重構平面到數字相機的感光元件所在平面的距離且D0為數字相機的感光元件的寬度，pix為數字相機的感光元件的像素間的距離，i為虛數，fftshift表示將零頻率分量調整到數組中心的快速傅利葉變換，fft2表示快速二維傅利葉變換；步驟1002、計算機根據公式I(x,y)＝|Uz(x,y)|2計算得到超聲波的幅值場I(x,y)；步驟1003、計算機根據公式計算得到超聲波的相位場ψ(x,y)；其中，Im(Uz(x,y))為Uz(x,y)的虛部，Re(Uz(x,y))為Uz(x,y)的實部；步驟1004、計算機根據公式P(x,y)＝I(x,y)sin(ψ(x,y))計算得到超聲波聲場P(x,y)。本發明與現有技術相比具有以下優點：1、本發明超聲波場的光學全息測量系統的結構簡單，設計合理，實現方便。2、本發明超聲波場的光學全息測量方法的方法步驟簡單，設計合理，實現方便。3、本發明利用數字雷射全息的辦法對固體表面的聲場進行動態測量，...