為開展光聲光熱技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué),設(shè)計(jì)了材料亞表面結(jié)構(gòu)光熱輻射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用層狀材料在聚焦高斯光束激勵(lì)下產(chǎn)生的三維熱波的理論模型分析了光致熱波的局域性、光熱輻射信號(hào)隨樣品層厚度以及隨背襯物質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。采用碳鋼作為基體材料制作了一個(gè)含孤立橫向盲孔的樣品和一個(gè)含異質(zhì)填充孔并帶表面鍍層的樣品。采用半導(dǎo)體激光器、紅外探測(cè)器等構(gòu)建光熱輻射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過對(duì)樣品進(jìn)行光熱輻射檢測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論預(yù)期的檢測(cè)能力:光熱輻射信號(hào)對(duì)由泵浦光調(diào)制頻率和材料熱學(xué)參數(shù)決定的熱擴(kuò)散長度內(nèi)的材料熱學(xué)結(jié)構(gòu)(材料界面位置、界面兩邊材料的熱學(xué)性質(zhì)等)敏感。

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【部分圖文】：

圖1 層狀材料幾何模型

式中:j為虛數(shù)單位;ω為圓頻率;t為時(shí)間;復(fù)指數(shù)函數(shù)exp(jωt)表示熱源強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。樣品層吸收光能后轉(zhuǎn)化為熱能，并向空氣介質(zhì)和背襯物質(zhì)傳播。自泵浦光開始激勵(lì)起，樣品層和背襯物質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)的溫度均會(huì)經(jīng)歷一個(gè)先振蕩上升，最后達(dá)到穩(wěn)定振蕩的過程。光熱輻射檢測(cè)針對(duì)溫度的穩(wěn)定振蕩階段....

圖2 樣品層的溫度幅值分布

(1)光致熱波傳播的局域性。設(shè)樣品層材料為碳鋼，厚度50mm;背襯物質(zhì)為空氣。設(shè)定泵浦光在樣品表面的光斑半徑為0.5mm，透入樣品層的光功率為1W。鑒于金屬材料對(duì)光的強(qiáng)吸收特性，設(shè)樣品層的光吸收系數(shù)為106m-1來模擬面吸收。在這些參數(shù)設(shè)置下，對(duì)泵浦光的3種調(diào)制頻率10、10....

圖3 樣品層厚度對(duì)表面溫度場(chǎng)的影響

(2)光熱輻射信號(hào)隨樣品層厚度的改變。設(shè)定與上節(jié)相同的樣品層材料和背襯物質(zhì)。固定泵浦光調(diào)制頻率為10Hz，其余泵浦光參數(shù)與上節(jié)相同。以熱擴(kuò)散長度為參考，取樣品層厚度分別為0.1、0.3、0.6、1.2和1.8mm計(jì)算樣品層的溫度場(chǎng)分布。樣品表面從光斑中心開始的徑向溫度幅值和相....

圖4 背襯物質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)對(duì)表面溫度場(chǎng)的影響

由圖4可知，在樣品層材料厚度遠(yuǎn)小于其熱擴(kuò)散長度情況下，背襯材料的熱學(xué)性質(zhì)對(duì)樣品表面的溫度幅值和相位都有明顯影響。對(duì)每一種背襯物質(zhì)，隨觀測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離泵浦光斑中心，溫度幅值迅速衰減;在光斑半徑范圍內(nèi)，溫度相位基本不變。對(duì)不同背襯物質(zhì)，熱傳導(dǎo)率越大，溫度幅值越小，溫度相位的絕對(duì)值也越小。3....

本文編號(hào)：4024217