一种光弹性实验中超声波应力定量测量方法

摘要

本发明涉及一种光弹性实验中超声波应力定量测量方法，该方法包括以下步骤：利用动态光弹性成像系统获取超声纵波靠近样品表面处的光弹图像；利用激光测振仪测量样品的振动速度；以及利用计算机读取光弹图像中的灰度值；调节动态光弹性成像系统的超声波强度，重复上述步骤以获取样品多个振动速度和多个光弹图像的灰度值；根据样品的多个振动速度的平方与多个光弹图像的灰度值绘制灰度值-振速平方曲线；读取光弹图像中任一点图像灰度值Bx，通过灰度值-振速平方曲线，确定相应的振动速度Ax，可计算得出光弹图像中该点的超声波应力值。本发明提供的超声波应力定量测量方法，可快速精确定量测量光弹性实验中超声波的应力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光弹性实验中应力测量方法，特别是涉及一种光弹性实 验中超声波应力定量测量方法。

背景技术

光弹性实验是以暂时双折射现象为物理基础来研究弹性力学问题的一种 实验应力分析方法。近年来，光弹性实验在汽车制造、航天工业以及土木工 程等领域得到了广泛应用。光弹性实验能够直接观察超声波的传播和散射， 所以也应用到了固体超声波散射问题的研究中。

目前光弹性实验中应力测量的方法主要有：拉伸试件补偿法、石英楔块 补偿法、检偏镜补偿法和光度计补偿法。

拉伸试件补偿法，该方法的拉力试件与被测点的主应力方向平行，并使 拉力试件与被测点重叠投影在成像屏幕上，给拉力试件加力，直至测点在屏 幕变黑为止，再读取拉力值，从而获得条纹值。但是，相对于光弹实验中施 加的其他类型的外力，超声波的应力较小，在加力使测点变黑的过程中易受 自身系统的衍射光以及环境光污染干扰，难以精确定量。此外，该方法操作 繁琐，需要多次成像以确定测点是否变黑。

石英楔块法是采用两块直角三角形石英楔块调节光程差，直至测点在屏 幕变黑为止，再读取拉力值，从而获得条纹值。与拉伸试件补偿法类似，也 面临难以精确定量和多次成像的问题。

检偏镜补偿法操作较复杂，不够简便。而对于光度计补偿法，则面临难 以准确调整偏正片的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中光弹性实验中超声波应力测量法方法在 测量速度、精确度以及操作便利性方面存在的缺陷，提供一种光弹性实验中 超声波应力测量方法，以快速精确测量光弹性实验中的超声波应力。

为实现上述目的，本发明提供了一种光弹性实验中超声波应力定量测量 方法，该方法应用于由动态光弹性成像系统和激光测振仪构成的应力测量系 统中，该方法包括以下步骤：

利用动态光弹法成像系统获取超声纵波靠近样品表面处的光弹图像；利 用激光测振仪测量样品的振动速度；以及利用计算机读取光弹图像中的灰度 值。通过调节动态光弹性成像系统的超声波强度，以获取样品表面处的多个 光弹图像；并利用激光测振仪测量获取样品的多个振动速度；以及利用计算 机读取多个光弹图像的灰度值。根据样品的多个振动速度的平方与多个光弹 图像的灰度值绘制灰度值-振速平方曲线。

读取光弹图像中任一点图像灰度值B_x，通过灰度值-振速平方曲线，确定 相应的振动速度A_x。根据该振动速度A_x，计算该任一点的超声波应力值，具 体为：通过公式σ_1x＝(λ+2μ)A_x/c_l(其中λ、μ为样品材料的拉梅系数，c_l为材 料的纵波声速)，计算得出该任一点沿超声波传播方向的超声波主应力值； 以及通过公式σ_2x＝λA_x/c_l，计算得出该任一点垂直于超声波传播方向的超声波 主应力值。

优选地，上述样品表面处的光弹图像为距离样品表面4mm处的光弹图 像。

优选地，上述振动速度为样品底部最大振动速度。

优选地，上述灰度值为测振仪测点所对应的光弹图像的最大灰度值。

优选地，上述样品为K9玻璃制品。

本发明提供的光弹性实验中超声波应力定量测量方法绘制了灰度值-振 速平方对应曲线，根据光弹图像上任一点的灰度值，通过灰度值-振速平方 对应曲线得出该点的振动速度，然后，根据通过公式σ_1x＝(λ+2μ)A_x/c_l和 σ_2x＝λA_x/c_l计算出该点的超声波应力值，具有快速、精确和操作便利的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的动态光弹性成像系统示意图；

图2为本发明实施例提供的激光测振仪原理图；

图3本发明实施例提供的灰度值-振速平方对应曲线。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

绘制灰度值-振速平方对应曲线。

1、选用K9玻璃制成的样品。

2、利用图1所示的动态光弹性成像系统获取超声纵波距离样品表面4mm 处的光弹图像。

3、利用图2所示的激光测振仪测量样品底部最大振动速度A₁。

4、利用计算机读取测振仪测点所对应的光弹图像的最大灰度值B₁。

5、调节动态光弹性成像系统超声波强度，重复步骤2-4，可随机设定 重复次数，本实施例重复次数为12次，获得样品底部最大振动速度A₂、 A₃…A₁₂和振仪测点所对应的光弹图像的最大灰度值B₂、B₃…B₁₂，并计算振 速A的平方，所得数据如表1所示。

表1

振速A的平方 0.4624 0.8464 1.1664 1.5376 2.1904 2.56 2.6896 3.5344 6.1504 6.9696 9.9856 16 灰度值B 14.0079 15.5635 16.3333 25.7024 24.119 35.9524 27.6627 35.873 73.5476 67.246 112.0881 118.6333

6、振动速度A₁-A₁₂的平方与灰度值B₁-B₁₂线性拟合，得到图3所示的 灰度值-振速平方对应曲线。

利用灰度值-振速平方曲线计算得出光弹图像中任一点的超声波应力值。

1、利用计算机读取光弹图像中任一点图像灰度值，在本实施例中，该任 一点的灰度值为30.

2、通过图3所示的灰度值-振速平方曲线获得灰度值30相应的振动速度 平方2.25cm²/s²，则振速为0.015m/s。

3、通过公式σ_1x＝(λ+2μ)A/c_l＝2.241×10⁵Pa(其中λ、μ为样品材料的拉梅 系数，c_l为材料的纵波声速，K9玻璃样品的λ＝2.2825×10¹⁰、μ＝3.308×10¹⁰、 c_l＝5957m/s)，即可得到该点沿超声波传播方向的主应力值；通过公式 σ_2x＝λA/c_l＝5.747×10⁴Pa，即可得到该点垂直于超声波传播方向的超声波主应 力值。

本实施例提供的光弹性实验中超声波应力定量测量方法首先绘制了灰度 值-振速平方对应曲线，其次，读取光弹图像上任一点的灰度值，通过灰度 值-振速平方对应曲线得出该点的振动速度，再次，根据通过公式 σ_1x＝(λ+2μ)A_x/c_l和σ_2x＝λA_x/c_l计算出该点的超声波应力值，具有快速、精确和 操作便利的优点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。