魏文卿，張媛媛，徐 濤，劉 紅，伍 凡

(1.中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都 610209；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

超低膨脹玻璃具有超低熱膨脹系數(shù)的優(yōu)良特性，成為許多天基、地基光學(xué)系統(tǒng)和激光系統(tǒng)反射鏡的主選基體材料，其熱膨脹系數(shù)的均勻性直接影響到鏡面的加工質(zhì)量和像質(zhì)穩(wěn)定性[1-5]。聲速是評(píng)價(jià)材料的重要物理性能指標(biāo)之一，聲速結(jié)合其他物理量進(jìn)行運(yùn)算，可獲得更多的材料物理性能特征[6-7]。徐彥霖等[8]使用德國(guó) Krautkramer公司的超聲波檢測(cè)儀(USIP 12)及其配套的測(cè)厚模塊(DTM 12)，通過(guò)對(duì)奧氏體不銹鋼聲速的測(cè)量無(wú)損評(píng)價(jià)了材料的晶粒尺寸，聲速測(cè)量精度為0.71 m.s-1。張顏艷等[9]選用MODEL 5072PR作為脈沖發(fā)射源，并結(jié)合高采樣率的示波器同樣對(duì)奧氏體不銹鋼的聲速進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量精度為0.5～3 m.s-1。

這些測(cè)量系統(tǒng)本質(zhì)上是采用脈沖反射法進(jìn)行聲速測(cè)量。它們用高精度千分尺或測(cè)微儀測(cè)量被測(cè)樣品的厚度，由自身的測(cè)厚模塊或者結(jié)合高采樣率的數(shù)字示波器對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行采集并精確地讀取超聲波在樣品內(nèi)部的傳播時(shí)間，從而獲得被測(cè)固體材料的聲速。雖然能取得較高的聲速測(cè)量精度，但系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜且不易集成化[10]。

常用的測(cè)量超低膨脹玻璃熱膨脹系數(shù)的方法有干涉法和光彈性分析法，它們均屬于取樣測(cè)量，具有破壞性且測(cè)量過(guò)程費(fèi)時(shí)。而相關(guān)研究表明，通過(guò)測(cè)量超聲縱波聲速可以間接獲取超低膨脹玻璃的熱膨脹系數(shù)值，從而能夠?qū)崿F(xiàn)熱膨脹系數(shù)的快速、無(wú)損測(cè)量[11-12]。基于此研究現(xiàn)狀，本文根據(jù)超低膨脹玻璃熱膨脹系數(shù)的高精度測(cè)量要求，計(jì)算分析了其聲速測(cè)量的精度要求，基于超聲水浸脈沖反射法搭建了集成化程度較高的高精度聲速測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)制備的玻璃樣品的聲速進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為后續(xù)使用該系統(tǒng)無(wú)損測(cè)量超低膨脹玻璃的熱膨脹系數(shù)奠定了研究基礎(chǔ)。

1 水浸脈沖反射法的聲速測(cè)量原理

脈沖反射法是一種利用超聲脈沖入射到兩種不同介質(zhì)交界面上發(fā)生反射的原理進(jìn)行檢測(cè)的方法。聲波傳播過(guò)程如圖1(a)所示[13]。由超聲探頭發(fā)射脈沖波，當(dāng)超聲波束經(jīng)耦合劑傳播抵達(dá)待測(cè)樣品后，首先于t1時(shí)刻在樣品表面發(fā)生反射，反射后的聲波SF由超聲脈沖收發(fā)裝置收集并以信號(hào)形式記錄。聲波在樣品表面發(fā)生反射的同時(shí)，以折射的方式傳播到樣品內(nèi)部，經(jīng)樣品厚度d的傳播距離后抵達(dá)樣品底部，在底部也發(fā)生聲波反射，在樣品底部被反射的聲波再次經(jīng)樣品厚度的距離，傳播到樣品的表面，其中一部分聲波經(jīng)超聲探頭由超聲脈沖收發(fā)裝置收集并以信號(hào)形式記錄下來(lái)，即為一次底面回波B1；另一部分聲波再次經(jīng)樣品厚度d的傳播距離后抵達(dá)樣品底部，在底部反射后再次經(jīng)樣品厚度的距離，傳播到樣品的表面，由超聲脈沖收發(fā)裝置收集并以信號(hào)形式記錄下來(lái)，即為二次底面回波B2。整個(gè)聲波傳播過(guò)程的時(shí)間示意圖如圖1(b)[13]所示。

圖1(a)中，L為探頭端面至樣品表面的距離，d為樣品的厚度。

將圖 1(b)中樣品的表面反射波SF相對(duì)于時(shí)基“0”點(diǎn)的時(shí)間記為t1，一次底面波B1與表面反射波SF之間的時(shí)間間隔記為?t1，二次底面波B2與一次底面波B1之間的時(shí)間間隔記為?t2，計(jì)算公式分別為

由式(2)和式(3)可得：

圖1 超聲水浸脈沖反射法測(cè)量原理示意圖Fig.1 Principle diagram of ultrasonic water immersion pulse reflection test

由式(4)可知，通過(guò)讀取超聲回波信號(hào)圖上的?t1或者?t2，并結(jié)合千分尺或游標(biāo)卡尺測(cè)得的樣品厚度d即可計(jì)算得到待測(cè)樣品的縱波聲速c試件，實(shí)現(xiàn)超聲水浸脈沖法固體材料聲速的測(cè)量。

2 超聲水浸檢測(cè)系統(tǒng)的搭建

根據(jù)超低膨脹玻璃熱膨脹系數(shù)的高精度測(cè)量要求，聲速的測(cè)量精度至少為?c=0.4 m.s-1，并以此計(jì)算分析確定了超聲信號(hào)的時(shí)間測(cè)量精度。已知待測(cè)超低膨脹玻璃試樣的厚度d≈20 mm，厚度測(cè)量選用的高精度千分尺的測(cè)量精度?d=1 μm，超低膨脹玻璃產(chǎn)品報(bào)告中提供的聲速c=5 746 m.s-1，將這些數(shù)據(jù)代入聲速測(cè)量系統(tǒng)誤差合成式(5)，計(jì)算得出了超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度?t=0.33 ns，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡的采樣率至少為2.5 GHz。

據(jù)此，本文設(shè)計(jì)并搭建了如圖2所示的超聲水浸法高精度聲速測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)由超聲脈沖收發(fā)裝置、超聲水浸檢測(cè)單元和超聲信號(hào)采集單元三個(gè)模塊組成。其中：超聲脈沖收發(fā)裝置包括超聲脈沖收發(fā)儀和水浸探頭；超聲水浸檢測(cè)單元根據(jù)被測(cè)樣品的尺寸采用了全水浸式耦合，全浸式耦合的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 3所示；超聲信號(hào)采集單元采用LabVIEW軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集與波形顯示程序主要包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三個(gè)模塊，能夠滿足超聲信號(hào)的采集、顯示和數(shù)據(jù)讀取要求，該單元的硬件選用了最高采樣率為 2.5 GHz的數(shù)據(jù)采集卡，滿足對(duì)超聲信號(hào)采樣率的要求。

圖2 超聲水浸聲速測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic water immersion sound velocity measurement system

圖3 全水浸式耦合裝置Fig.3 Full immersion coupling device

該系統(tǒng)測(cè)量固體材料內(nèi)部聲速的原理是：由超聲脈沖收發(fā)儀連接水浸超聲探頭對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行檢測(cè)，借助高精度的數(shù)據(jù)采集卡采集接收到的超聲回波信號(hào)，并通過(guò)軟件讀取待測(cè)試樣的表面反射波與一次底面波或一次底面波與二次底面波之間的時(shí)間間隔，根據(jù)測(cè)得的試樣厚度反算出試樣內(nèi)部的聲速，從而完成對(duì)固體材料聲速的測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文以某批進(jìn)口的超低膨脹玻璃材料為待測(cè)樣品，對(duì)樣品的表面和底面進(jìn)行了必要的打磨，使得樣品的兩個(gè)端面平坦且平行，以獲得良好的聲波反射效果。打磨后的樣品厚度約為20 mm。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)制備的5個(gè)超低膨脹玻璃樣品進(jìn)行了聲速測(cè)量。根據(jù)待測(cè)樣品的厚度和直徑大小，實(shí)驗(yàn)選擇了美國(guó)奧林巴斯公司生產(chǎn)的頻率為 10 MHz、晶片直徑為6 mm的水浸聚焦探頭進(jìn)行樣品的聲速測(cè)量。系統(tǒng)工作過(guò)程中，由美國(guó)奧林巴斯公司生產(chǎn)的尖脈沖激勵(lì)型的超聲脈沖收發(fā)儀發(fā)出窄脈沖信號(hào)，通過(guò)水浸聚焦探頭在水和待測(cè)樣品中傳播，最后由德國(guó)Spectrum的型號(hào)為M4i.2220-x8的數(shù)據(jù)采集卡采集超聲回波信號(hào)，采集過(guò)程中通過(guò)軟件設(shè)置采樣率為 2.5 GHz。測(cè)量時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)探頭端部與待測(cè)樣品表面的垂直距離(水距)，并根據(jù)軟件采集到的回波信號(hào)的強(qiáng)弱最終確定了合適的水距。實(shí)驗(yàn)中由超聲脈沖收發(fā)儀連續(xù)發(fā)出尖脈沖型的超聲信號(hào)，經(jīng)水和待測(cè)樣品傳播后，由軟件采集到的一個(gè)發(fā)收周期內(nèi)的 1#樣品的包含完整的樣品表面反射波與一次底面波(回波信號(hào) I)、樣品一次底面波與二次底面波(回波信號(hào) II)的超聲反射回波信號(hào)分別如圖4和圖5所示。

圖4 1#樣品的表面反射波和一次底面反射波的波形圖Fig.4 Signal waveform containing the surface echo signal and first echo signal reflected from the bottom for sample 1#

圖5 1#樣品的一次和二次底面反射波的波形圖Fig.5 Signal waveform containing the first and the second echo signals reflected from the bottom of sample 1#

由圖4可見(jiàn)，通過(guò)樣品的表面反射波難以清晰準(zhǔn)確地讀取表面反射波的接收時(shí)刻。這主要是因?yàn)楸疚乃x的聚焦探頭的構(gòu)成中存在吸聲材料，這導(dǎo)致脈沖發(fā)生器發(fā)出的規(guī)則的尖脈沖信號(hào)出現(xiàn)了一定的失真，造成樣品的表面波不是規(guī)則清晰的脈沖信號(hào)，從而在實(shí)驗(yàn)中難以清晰準(zhǔn)確地讀取表面反射波的接收時(shí)刻，只能通過(guò)盡可能放大波形來(lái)讀取，因此樣品一次底面波與表面反射波之間的時(shí)間間隔?t1的獲取會(huì)存在一定的偏差。但能夠從圖5中的樣品的超聲反射回波信號(hào)清晰準(zhǔn)確地讀取樣品的一次底面波與二次底面波之間的時(shí)間間隔?t2，這兩個(gè)時(shí)間間隔都表示樣品內(nèi)部的超聲波傳播時(shí)間，基于此，實(shí)驗(yàn)中選用了圖5所示的超聲反射回波信號(hào)來(lái)獲取待測(cè)樣品內(nèi)部的超聲波傳播時(shí)間。

通過(guò)讀取圖5中樣品的一次底面波谷值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t'和二次底面波谷值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t''，計(jì)算得出樣品的一次底面波與二次底面波之間的時(shí)間間隔?t2=6.9 181 μs。被測(cè)樣品的厚度由精度 1 μm、量程0～25 mm的千分尺測(cè)量得到，為了減小隨機(jī)誤差的影響，實(shí)驗(yàn)中對(duì)同一個(gè)樣品進(jìn)行了三次厚度測(cè)量，取三次測(cè)量的平均值作為被測(cè)樣品的厚度，由此得到 1#樣品的厚度d=19.903 mm。將時(shí)間間隔?t2=6.9 181 μs和樣品厚度d=19.903 mm代入式(4)可得 1#樣品內(nèi)部的超聲波傳播速率c=5 753.9 m.s-1。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作，最終獲取了5個(gè)超低膨脹玻璃樣品的聲速測(cè)量結(jié)果，如表1所示。

由表1可知：被測(cè)的5個(gè)玻璃樣品的聲速與產(chǎn)品報(bào)告中提供的聲速差別不大，最大的差別約為10 m.s-1，對(duì)應(yīng)到熱膨脹系數(shù)的差別約為25×10-9K-1，滿足室溫下超低膨脹玻璃的熱膨脹系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍[(0±30)×10-9K-1]；同時(shí)發(fā)現(xiàn)每個(gè)樣品的測(cè)量聲速各不相同，這是由于樣品內(nèi)部組分比例差異導(dǎo)致其彈性模量不同造成的，并且測(cè)量系統(tǒng)可識(shí)別的最小聲速差別為 0.2 m.s-1，滿足計(jì)算分析的聲速測(cè)量精度要求，這為后期利用超低膨脹玻璃的聲速高精度地測(cè)量其熱膨脹系數(shù)奠定了研究基礎(chǔ)。

表1 超低膨脹玻璃樣品的聲速測(cè)量結(jié)果Table 1 Sound velocity measurement results of ultra-low expansion glass samples

4 結(jié) 論

本文根據(jù)超低膨脹玻璃熱膨脹系數(shù)的高精度測(cè)量要求，計(jì)算分析出了聲速測(cè)量精度，并據(jù)此搭建了超聲水浸聲速測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用全水浸的耦合方式，結(jié)合選用的高精度數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集與波形顯示軟件來(lái)獲取待測(cè)樣品的超聲回波信號(hào)，適合于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)且便于集成化。

采用搭建的超聲水浸聲速測(cè)量系統(tǒng)對(duì)制備的超低膨脹玻璃樣品的聲速進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明該系統(tǒng)測(cè)得的超低膨脹玻璃樣品的聲速滿足其標(biāo)準(zhǔn)范圍，且能夠檢測(cè)出不同樣品的聲速差別，可識(shí)別的最小聲速差別為 0.2 m.s-1，能夠滿足后續(xù)超低膨脹玻璃熱膨脹系數(shù)的高精度測(cè)量要求，同時(shí)該系統(tǒng)也能夠有效地用于其他固體材料內(nèi)部聲速的高精度測(cè)量。