（光学专业论文）用于金属表面缺陷检测的激光声表面波的研究.pdf

中文摘要 摘要 本文对用于平板金属材料缺陷检测的激光声表面波进行了研究。主要内容如下： 首先简要介绍了激光超声的发展现状，讨论了热弹机制下激光超声产生机理及声 表面波传播特性，为实验中采用激光线源激发和利用声表面波进行缺陷检测的提供了 理论依据。 建立了双波混合干涉仪检测激光超声的全光实验系统，该系统采用了移动线光源 扫描技术( s l l s ) ，可以研究表面缺陷对激光线源激发远场、近场声表面波的作用机制。 研究了远场和近场声表面波的幅度、频谱等信息。在缺陷远场区域内，随着激发 光源向缺陷靠近，表面波位移信号的波形发生显著的变化，反射表面波逐渐和直接到 达接收点的表面波靠近，利用直达声表面波和反射回波到达时间可以精确计算出缺陷 位置；在缺陷近场区域内，多种声波由于缺陷散射而发生模式转换，并在近场区域发 生叠加，声表面波信号的幅度和频谱特征都有显著的变化。 讨论了缺陷深度对激光声表面波的影响。对实验中不同深度缺陷样品中的声表面 波提取出模态、幅度、频谱等信息；在理论分析的基础上，得到缺陷深度对这些参数 的影响 本文的研究成果将为金属表面缺陷对激光声表面波作用机制的理论提供实验依 据，也为金属表面缺陷无损检测提供有效的检测方法。 关键词：声表面波；缺陷检测；扫描激光线源技术 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e ss u r f a c ec r a c kd e t e c t i o nu s i n gt h es u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ( s a w ) g e n e r a t e db yp u l s e dl a s e ro nm e t a lp l a t e s a tf i r s t ，ab r i e fi n t r o d u c t i o ni nd e v e l o p m e n to fl a s e ru l t r a s o n i ct e c h n i q u ei sg i v e n a t h e o r yo fs a wg e n e r a t e db yp u l s e dl a s e ri nt h e r m o - e l a s t i cm e c h a n i s ma n dt h ep r o p e r t yo f t h ep r o p a g a t i o no fs a wi sd i s c u s s e d ，w h i c hs h o w st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fu s i n gl a s e r l i n es o u r c ea n ds a wi ns u b s e q u e n te x p e r i m e n t t h el a s e ru l t r a s o u n dd e t e c t i o ns y s t e mu s i n gt w o - w a v em i x i n gi n t e r f e r o m e t e ri s b u i l t t h ee x p e r i m e n tu t i l i z i n gt h et e c h n o l o g yo fs c a n n i n gl a s e rl i n es o u r c e ( s l l s ) c a n s t u d yt h ea c t i o nm e c h a n i s mo ft h es u r f a c ed e f e c t so nt h el a s e r - g e n e r a t e ds a w i nf a r - f i e l d a n dn e a r - f i e l d t h ea m p l i t u d ea n d 丘e q u e n c yo ft h es a wa r es t u d i e dw h e nt h el a s e rs o u r c eg e n e r a t e s i nt h ef a r - f i e l da n dn e a r - f i e l do fc r a c k s i nf a r - f i e l do fd e f e c t s ，w h e nl a s e rg e t sd o s et ot h e s u r f a c ed e f e c t s ，t h ee x i s t e n c eo fs u r f a c ed e f e c t sr e s u l t si nt h a tr e f l e c t e ds a wg r a d u a l l yg e t s c l o s et ot h ed i r e c t l ya r r i v i n gs a w t h ep o s i t i o no ft h ed e f e c tc a nb ec a l c u l a t e db yt h e a r r i v a lt i m eo ft h ed i r e c ta r r i v a ls a wa n dt h er e f l e c t e ds a w i nn e a r - f i e l do fd e f e c t s ，a l l k i n do fs u r f a c ew a v em o d e so v e r l a pf o rt h em o d ec o n v e r s i o nc a u s e db yt h ed e f e c t s c a t t e r i n g t h ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo ft h es a wv a r yo b v i o u s l ya st h el a s e rl i n es o u r c e s c a n so v e rt h ed e f e c t s t h ei n f l u e n c eo ft h ed e f e c td e p t ht os a wi sa n a l y z e d t oe x t r a c tp a r a m e t e r sa b o u t m o d e ，a m p l i t u d e ，f r e q u e n ys p e c t r u mo fs i g n a l so f d i f f e r e n td e f e c td e p t h s t h er e s e a r c hr e s u l t sw i l lo f f e rt h ee x p e d m e n t a lf o u n d a t i o na n dd e t e c t i o nm e t h o df o r t h en o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o no ft h es u r f a c e - b r e a k i n gd e f e c t so nm e t a lb yl a s e rg e n e r a t e d s a w t e c h n o l o g y k e yw o r d ：s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s ；c r a c kd e t e c t i o n ；s c a n n i n gl a s e r l i n es o u r c e t e c h n i q u e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：团立 枷6 年月8e l 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 谚8 年占月碣e l 硕士论文 用于金属表面缺陷检测的激光声表面波的研究 1 引言 1 1 研究背景及意义 随着我国科学和工业技术的迅速发展，工业现代化进程日新月异，高温、高压、 高速度和高负荷，无疑成为现代化工业的重要标志。但它的实现是建立在材料( 或构 件) 高质量的基础之上的，为确保这种优异的质量，还必须采用不破坏产品原来的形 状、不改变使用性能的检测方法，对产品进行百分之百的检测，以确保产品的安全可 靠性，这种技术就是无损检测技术。 无损检测以不损害被检测对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象， 对各种工程材料、零部件、结构件进行有效地检验和测试，借以评价它们的连续性、 完整性、安全可靠性及某些物理性能。包括探测材料或构件中是否有缺陷，并对缺陷 的形状、大小、方位、取向、分布和内含物等情况进行判断；还能提供组织分布、应 力状态以及某些机械和物理量等信息。无损检测技术的应用范围十分广泛，已在机械 制造、石油化工、造船、汽车、航空航天和核能等工业中被普遍采用。无损检测工序 在材料和产品的静态和动态检测以及质量管理中，已成为一个不可缺少的重要环节。 无损检测人员已发展为一支庞大的生力军，并享有“工业卫士 的美誉【。 1 9 7 3 年美国国家宇航局( n a s a ) ，提出了无损检测有7 0 种方法，归纳6 大类和 两个辅助分类，并对每一种方法说明其工作原理、检测对象、适用范围、制约条件以 及参考文献。无损检测方法虽然很多，适用于各种不同场合，但是最常用的还是射线 检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测这5 种常规方法。 可见超声检测技术是一种重要的无损检测技术，由于它的穿透能力强，对材料和 人体无损害，使用方便等特点，广泛地应用于现代工业领域和高科技产业之中，诸如 材料工业、机械工业、石油化工、水文地质和宇航、能源等领域。超声检测就是利用 超声波来对材料和工件进行检验和测量。在检验方面，典型的应用是超声探伤以及材 料和工件的物理性能与力学性能检验。在测量方面，介质的许多非声学特性和某些状 态参量，例如液位、流量等都可用超声方法来测定。当然超声波在工业中的应用还更 广泛，例如超声加工和处理技术等也发展很快，它们是利用超声的能量来改变物质的 特性和状态的技术，如超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚和催化等【2 】。 传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通常还应 使用各种超声耦合剂，这种方法的最大优点是检测灵敏度高，设备简单、便宜，因而 使用得最广泛。然而当温度升高时，大多数耦合剂将汽化，失去粘性并产生化学变化， 从而使得超声检测变得十分困难日前绝大多数耦合剂的使用温度都在1 0 0 1 2 以下，常 用的超声换能介质p z t 其工作温度一般不能高于3 0 0 c ，即使换成其它高温材料，工 】 1 引言硕士论文 作温度也很难超过7 0 0 c 3 1 。对于像钢铁制造这样的行业，工作温度常在1 0 0 0 以上， 因此传统的超声检测法无法实现在线检测采用电磁声换能器( e m a t ) 并配上适当的 冷却系统，可以实现高温下的非接触式检测。但是这种系统中电磁传感头与被测件间 的工作距离只有数毫米，且检测信号的强弱受这一距离变化的影响很大，所以当用于 实际的工业生产现场时也存在很多困难。工业c t 技术作为一种无损检侧手段具有很 多优点，美国i d m 公司曾采用工业c t 技术实现对每秒数米延伸速度的热轧钢管作 在线检测、监控。但是该系统目前十分昂贵、复杂被测件的最大允许尺寸也往往受 到一定限制，因而还难于实现一般的工业使用。采用一定的空间结构光，利用c c d 摄像机对摄取的工件图像进行处理，可对一些三维尺寸在线检测，该法已被证明经济 方便且有效，缺点是摄像法无法测量像管子壁厚这样的一些量，也无法检测工件的各 种缺陷。 而激光超声技术能较好的解决这些问题。激光超声技术是现代激光技术( 包括超 快速激光) 与高速或超快速及微弱讯号检测技术相结合而迅速发展起的 4 1 。与传统的 压电换能器相比，激光超声技术具有一系列显著的优势，激光超声检测技术的突出优 点是：( 1 ) e i 了于超声信号既可通过激光激励产生，又可通过光学方法检测，因此能实 现完全不接触地产生和接收超声波，便于在高温、强震及恶劣条件下实现无损检测， 而且对样品形状的限制也减d ；( 2 ) f l q 于激光超声的激发和检测都是在瞬间完成的，能 够实现快速实时检测；( 3 ) f l j 于激光超声能够激励出声表面波，因此对表面及亚表面 的微裂纹很敏感，精度很高；( 4 ) 该现象在各种类型的材料中均是存在的，包括各种 金属、非金属材料，因此该技术的适用面很广；( 5 ) 随着半导体集成电路微细加工技 术的成熟和机械超精密) j n - r _ 技术的开发，光学器件的微型化已成为可能，基于激光超 声原理的检测系统易于小型化【5 】。 其中用激光超声技术激发出的声表面波由于对表面和亚表面微小裂纹的高度敏 感性，非常适宜微裂纹的检测。通过开发研制可以检测微米级微裂纹的非接触式的测 量仪器，可以用于飞机的引擎、机翼和电站的主轴等主要零部件以及为核设施中的关 键零部件的早期失效所产生的微裂纹的实时检测提供有效的检验手段。这不仅可以避 免恶性事故的发生，而且还可以避免对贵重零部件按设计寿命进行的不必要的更换， 以达到延长使用寿命和预见使用寿命的目的。作为实验仪器，不仅可以提供在微加工 前对微结构( 如硅片等) 进行检测的手段，提高加工成品的合格率，而且还可以用于 微动疲劳的研究。通过研究微裂纹的扩展规律，可以极大地推动机械设计中疲劳设计 理论和安全系数法设计理论的发展，具有很大的实用价值。 激光微裂纹检测技术是微米纳米测试技术的一个重要方面，将为微结构和微小 零件的理论分析提供有力的手段，特别是对与物质表面和亚表面的物理化学特性的研 究将起到推动作甩。例如：研究不同物质对同样的激光超声系统的频谱响应，将有助 2 硕士论文 用于金属表面缺陷检测的激光声表面波的研究 于了解物质的光吸收、光热转换、热传导、热膨胀、波传导等特性。 因此以激光超声表面波为代表的用于微小缺陷检测的激光技术的研究，是目前国 际学术界的一个研究热点，日益成为超声工程和无损检测领域的一个重要内容，其理 论和实验研究都需要进一步研究媚。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 激光超声技术的发展及研究现状 1 9 6 3 年w h i t e 8 】论证了用脉冲激光束在固体激发出声波的方法。接着r a m s d e n 9 和 s t e g m a n 1 0 观察到强激光在固体中产生的爆炸波称( l s d 波) 和大气中产生的燃烧波 称( l s c 波) 。实际上这两者均是激波，由介质破裂引起的，都会随时间和距离增加 而衰变为声波。自此以后激光激发应力脉冲( 声脉冲) 的研究就不断的发展起来，在三 种媒介中的激发研究均有很大进展。 在1 9 6 2 、1 9 6 3 年，w m t e 【l l j 演示了固体靶材由于吸收激光、微波、电子束等辐射 脉冲而产生弹性波的实验，也提出了由瞬态表面热化而产生弹性波的一维理论。不久 又演示了用红宝石激光器激发，用梳状换能器接收声表面波的实验追溯起来，这就是 激光超声技术的开始。 从此激光超声为材料的无损评估提供了一种非接触、精确测量材料声速和衰减的 新技术。它尤其适合用于常规压电检测技术难以检测的薄膜、复合材料以及材料的高 温特性等的研究。 对于各向同性的材料，利用激光超声技术测量材料的纵波和表面波声速，就可得 到材料相应的弹性常数。j t l l 9 9 9 年c m f l a n n e r y 掣1 2 】对于氧化硅、碳化硅、三氧化二 铝和二氧化等陶瓷材料，利用激光超声测定它们的杨氏模量和泊松比，精度可达1 。 用l a m b 波技术可对薄膜材料进行无损评估。m r s c a n l o n t l 3 】( 1 9 9 4 ) 研究了爿州厶a 金属纳米陶瓷复合膜的弹性模量呈现混合型规律；k v d e r o s t y n e t l 4 】( 1 9 9 9 ) 研究了沉 积的c v d 金刚石膜的刚度与沉积工艺条件的关系等。 由于激光的扫描速度比机械式快许多，因此利用激光超声系统很容易实现快速超 声扫描成像。如j b h o y e s 和q s h a n l l 5 】( 1 9 9 1 ) 等利用激光超声对铝板中的人工缺 陷进行了检测，得到了令人满意的缺陷图象。 德国的k e c k 【1 6 】( 1 9 8 7 ) 等利用准分子激光作为超声波的激发源，利用n d ：y a g 激光 接收，在热轧无缝钢管( 管长5 5 - - - 1 2 m ，温度1 2 3 0 ( 2 ，延伸速度2 m s ) 生产线上成功地 进行了管坯壁厚均匀性的在线检测。 随着超短脉冲激光超声技术进展迅速已实现了对几十至几百i l m 的薄膜，以1 1 0 r i m 的空间分辨率的微结构和参量检测；激光激发板中l a m b 波和应用的研究已用在高温 3 1 引言硕士论文 1 2 0 0 c 的检测和层析现象。另外激光超声技术还用于材料内部和表面的应力状态及分 布、缺陷定位及成像等方面。随着激光技术的发展，p s 和f s 激光超声技术以及在生 物、医学领域的应用研究、与扫描探针显微镜结合，开展纳米尺度上材料性质及近场 传播特性的研究等，也会不断的深入【1 7 】。 激光超声技术应用相平行的研究是激光超声的激发机制、模式和方法等。1 9 7 9 年l e d b e t t e r 掣墙j 最先检测到一次激发同时产生的纵，横波和声表面波s a w 。只是激 光的e - - o 3 1 j ，检测样品时有损。值得一提的是1 9 8 0 ，1 9 8 2 年s c r u b y 等【1 9 】人对激光 在金属中产生超声波形做了定量的测量，并用面内正交力偶模型解释了融蚀条件下的 激发现象，为激光超声的应用技术打下了基础。1 9 8 4 年r o s e t ：2 0 】运用表面点源表象， 求得在热弹条件下，聚焦激光束在金属表面激发超声波的解析表达式，奠定了热弹条 件下激发弹性波的实验和理论基础。张淑仪等【2 1 1 ( 1 9 9 5 ) 用物理学的观点解释了热弹机 制下激光超声模型的正确性，并基于经典热弹性方程，采用本征函数扩展法研究了轴 对称激光源在不同厚度板材中激发的超声波；d r o y e r 【冽( 2 0 0 0 ) 用解析方法研究了激 光线源热弹产生的近场和远场声表面波；a z e n e r 等【2 3 1 ( 2 0 0 3 ) 数值模拟了声表面波 与缺陷的相互作用，在缺陷深度接近声表面波波长情况下，讨论了经过缺陷反射后声 表面波的反射系数，为表面缺陷检测提供理论基础。在对激光超声的理论模型和数值 模拟中，利用了有限差分法【2 4 】、有限元法【2 5 彩】与边界元法【3 0 】等多种方法来计算激光 超声。这些数值方法的主要优势在于很容易处理复杂的几何形状以及存在缺陷的的材 料的超声，而且能够考虑材料参数随温度变化的实际情况得到全场数值解，其中的有 限元方法对激光超声的传播研究是近年来迅速发展的数值模拟技术，它不仅能对复杂 媒质和结构中的声场分布作模拟，而且也能对结构上某一点上的位移波形给出比较精 确的描述。 1 2 2 激光超声技术检测缺陷的研究进展 激光超声的激发和接收方法与电超声截然不同，但当超声波形成之后在固体中 的传播及其与缺陷相互作用的原理是完全一样的，也正是由于激光超声的激发与接收 不须耦合剂和水浸法，且可遥发遥接，人们都试图在原有电超声起作用的基础上使用 激光超声，使检测能扩展至电超声方法无法应用的场合。因而在激光超声检测固体的 缺陷时，除了早期或特别情形使用压电换能器接收外，都用非接触法接收。目前的检 测方法一般有：缺陷共振法，反射系数法，飞行时间法和脉冲反射法。 缺陷共振法是利用声波通过有缺陷和没缺陷时的振幅谱的比较来识别缺陷的尺 度，采用脉冲激光声谱仪来实现。反射系数法是利用来自缺陷的反射系数谱来估算缺 陷的大小。飞行时间法也就是波传递到达时间法，与用反射波振幅来判断缺陷方法不 同，它是把缺陷的顶尖作为超声的衍射源，从测量这些衍射波的到达时间，并将到达 4 硕士论文用于金属表面缺陷检测的激光声表面波的研究 时间与来自固定点( 如背壁) 回波到达时间相比较来判断缺陷顶尖的位置。脉冲反射法 目前用得比较广泛，由于超声波在均匀物质中的传播过程都是匀速的，所以来自缺陷 或边界的反射脉冲信号距起始脉冲的时间与检测点距缺陷或边界的距离是成正比的。 在声波传播过程中，当遇到较小缺陷时，接收端会接收到振幅较小的反射波，当遇到 缺陷深度远大于表面波波长时，反射波达到最大值。 弹性表面波( 简称表面波，s a w ) 的概念是由英国物理学家r a y l e i g h 在1 8 8 5 年提 出，它是由媒质的弹性形变诱发材料内部的应力应变所产生。由于材料表面的应力自 由，声表面波的振幅强度随距离表面的深度增加而迅速衰减。在弹性体材料中，纵波 和横波相互独立分别以不同的速度传播，而表面波是纵波和横波的在材料表面相互耦 合的结果。声表面波具有激发效率高，衰减小和易于检测等优点，便于用来对缺陷 进行检测和定位1 3 1 。3 3 1 ，而且声表面波在遇到表面缺陷或近表面缺陷时，部分的声表面 波会在缺陷处被反射，并沿着物体的表面返回，而这些返回的信号中携带了缺陷的信 息，这样对于微小缺陷的检测提供了方便。利用声表面波的频谱、相位以及透射於反 射系数的关系能定量地描述声表面在表面缺陷区域发生的散射过程瞰d 丌。 v i k t o r o v t 3 剐( 1 9 6 7 ) 研究了声表面波和l a m b 波的理论和应用，提出了通过计算声表 面的反射系数和透射系数来判定凹痕深度。t i t t m a n n 3 9 】( 1 9 7 8 ) 等用声表面波测定了 微小缺陷的尺寸。d o m a r k a s t 4 0 l ( 1 9 7 8 ) 等用表面缺陷处形成的反射回波的散射角及 反射系数来判定缺陷的大小。在1 9 8 0 年前后，a c h e n b a c h 【4 1 郴】等人研究了声表面波在 表面缺陷处发生的衍射及散射时在样品表面产生的位移信号。p o r t z 等洲( 1 9 8 1 ) 研究 了在平面边缘处的声表面波反射情况。v a r u nj e o t i 【4 5 】( 1 9 9 2 ) 等人研究了在矩形缺陷 处声表面波发生模式转化的问题。c l o r e r m e c 等t 蛔( 2 0 0 2 ) 采用无损检测的激光超声技 术对圆柱体表面的缺陷进行了检测。w e i m i ng a o 和c h r i s tg l o r i e u x 等m 1 ( 2 0 0 2 ) 等利用 激光线源激发出的声表面波经过圆管中的缺陷时散射波的模态检测圆管表面缺陷。 f r a n c e s c o 等( 2 0 0 5 ) 网利用激光声表面波检测铁轨上的微小缺陷。k e n d e r i a n 等1 4 9 1 ( 2 0 0 5 ) 利用声表面波对火车轮上的微小缺陷进行检测g u a n 等【5 川( 2 0 0 6 ) 采用平面应变的有 限元模型数值模拟了热弹机制下线型脉冲激光辐照金属铝板表面激发高频声表面波， 及声表面波经过表面矩形凹痕时发生反射的过程。x j i a n 等【5 1 1 ( 2 0 0 6 ) 采用有限元模型 模拟了数值模拟表面波经过凹槽时反射和透射的过程，并且利用反射波和透射波波峰 到达缺陷的时间不同，而计算出缺陷深度。y o u i c h im a t s u d a 等【5 2 1 ( 2 0 0 6 ) 利用声表面 波到达接收器时间对缺陷偏转角度进行计算。a n d r 6m o u r a 和p e t e rh e s s 等【5 3 1 ( 2 0 0 8 ) 利用激光超声探测硅材料上的微小缺陷。 为了提高对缺陷的检测能力，早在1 9 7 7 年，g u f f e l d t 蚓等开始研究当激光源在缺 陷表面移动时，另一侧的接收点接收到的位移信号的变化。到了2 0 0 0 年，k r o m i n e ”1 等人提出了扫描激光源技术( s c a n n i n gl a s e rs o u r c et e c h n o l o g y , s l s ) 接着k r o m i n e ， s 1 引言硕士论文 a c h e n b a c h ，y o u n g h o o ns o h na n ds f i d h a rk r i s h n a s w a m y 等人【5 6 - 5 9 】利用该技术开展了 一系列的研究。这项技术把接收器放在固定在远场区域，而激发源向缺陷处扫描并越 过缺陷继续扫描，见图1 2 1 。当激发源辐照于材料表面的缺陷区域时，由于缺陷的 存在在材料中产生的超声力源分布会发生显著的变化，进而导致在样品表面接收点得 图1 2 1 利用移动激光源扫描技术检测超声实验装置图 到的表面波信号有一定变化。特别是当激光源在缺陷边沿附近时，声表面波振幅会显 著的提高。当激发点到缺陷的近场区域时，由于激光热弹机制激发声波，涉及材料吸 收激光能量而形成瞬态温度场，以及由此瞬态温度场作为力源激发瞬态超声波场和应 力场，因而不仅会对表面波模式的传播产生影响，而且也会对近场声表面波的激发产 生影响，而且在近场区域激光激发是多种声波模式也会叠加在一起。因此对于近场区 域还有待进一步研究。 1 3 本文的主要研究工作 在查阅了国内外有关激光超声领域的研究概况和发展之后，特别是激光超声在探 测缺陷的文献资料的基础上，结合激光超声在工业应用中的优良特性及其在无损检测 领域中的广泛应用和广阔前景，确定本文主要研究工作为：本文对用于检测平板金属 材料缺陷的声表面波进行了研究。 1 首先介绍了声表面波的定义和基本性质；以及利用激光线源在热弹机制下激发 声表面波的模型；并介绍了声表面波主要的检测方法。 2 建立了双波混合干涉仪检测激光超声的全光实验系统，采用了移动线光源扫描 技术( s l l s ) ，并且利用了电控平移台精确移动光源。 3 研究了激光线源在远场、近场、缺陷底部以及掠过缺陷时，表面缺陷对声表面 波的作用机制。 4 研究了缺陷深度对激光声表面波的影响。对实验中不同深度缺陷样品中的声表 面波提取出模态、幅度、频谱等信息；在理论分析的基础上，得到缺陷深度对这些参 数的影响。 6 硕士论文 用于金属表面缺陷检测的激光声表面波的研究 2 声表面波的产生与检测 2 1 声表面波的定义及基本性质 超声波是一种机械振动所产生的波。物体在一定位置附近作来回往复运动称为振 动，振动是波动的产生的根源，波动是振动的传播过程。所以超声波的产生必须依赖 于作高频机械振动的声源和弹性介质的传播，超声波的传播过程包括振动状态和能量 的传播。 研究超声波传播时，可以将弹性介质看成是相互间由弹性力联系着的无数质点所 组成，当弹性介质的表面施加一个按正弦规律变化的外力时，由于各质点间有弹性力 联系着，因而相邻层上的质点群也将产生相应的振动，一层推动一层，振动也就由近 及远传播出去。 当超声波在固体介质中传播的时候，对于有限介质而言，有一种沿介质表面传播 的波叫表面波。1 8 8 5 年瑞利( r a l e i g h ) 首先对这种波给予理论上的说明，因此表面 波又成为瑞利波，常用r 表示。超声波在介质表面以表面波的形式传播时，介质表 面的质点作椭圆运动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向， 介质质点的椭圆振动可是视作纵波与横波的合成。表面波同横波一样只能在固体介质 中传播，不能在液体和气体介质中传播。 表面波的能量随着介质中传播深度的增加而迅速降低，其有效透入深度大约一个 波长。此外，质点振动平面与波的传播方向相平行时称s h 波，也是一种沿着介质表 面传播的波，又叫乐埔波( l o v ew a v e ) ，但目前尚未获得实际应用。 声表面波的传播速度需要满足满足瑞利方程 6 0 l ： 【2 一( 马2 】2 ：4 【1 一( 马2 】【1 一( 监) ：】 ( 2 1 1 ) 绦经咯 式中，v r ，v ，喙分别为固体中声表面波、纵波和横波的传播速度。对于实际的固体， 声表面波的传播速度比横波速度约慢1 0 。这时，表面波的传播是非频散的。它的 质点振动位移有两个相位差为9 0 0 的分量：一个垂直于表面，另一个顺着表面内波的传 播方向。它们的幅度随着深度的加深，虽不一定是单调的，但最终将趋向于零( 图 2 1 1 ) 。由图可见，当深度在几个波长以后，其幅度就已很小。 在自然现象中，如在地震时，就存在声表面波。在超声技术领域，它最初用作声 延迟线和用于检测表面缺陷等方面。但由于激发和检测表面波比较复杂，其应用受到 一定限制。 声表面波不仅可以在各向同性均匀固体中传播，而且也可以在不均匀的( 如分层 的) 固体介质中传播。不过，这时它是频散的，并且有多种模式。在各向异性介质( 如 7 2 声表面波的产生与检测 硕士论文 晶体) 中，也可能存在声表面波，但由于介质的各向异性，其传播特性随表面的取向 和传播方向而不同，而质点振动一般有三个分量。对于均匀的晶体，其传播也是非频 散的。 警 强 智 鼍 ( b ) 位移分量随深度的分布 图2 1 1 各向同性均匀固体中声表面波 2 2 热弹机制下线光源激发声表面波模型 当液体，固体和气体受强激光束辐照时会产生激波或声波，有些大功率激光器本 身在其腔体内亦有因冲击波而产生的声。激光激发超声的振幅或效率与激光功率密 度、波长和材料特性有关。激光的功率密度i 必须达到一定值才能激发出可检测的声 波，亦即使晶格动能增加，即温度升高导致局部热膨胀所产生的样品局部应变可检测， 这个j ，值称之为起始阈值。i 值增加晶格动能也增加，但还在样品的弹性限度之内， 均称之为热弹作用产生声。再继续增加i 值，至晶格动能增加至超出弹性限度时，样 品的被照射处出现熔融和融蚀状态，并伴有等离子体飞出称之为融蚀机制产生声。使 样品融蚀的激光的临界i 值叫做融蚀阂值，一般为几十m w c m 或更高，与材料性质 和波长有关。热弹激发声的效率比较低，融蚀激发比较高。有时为了增加激发效率又 要使样品，表面无损，就采用一薄层液体或透明固体覆盖在样品表面以改变表面边界 条件来实现。不管是那一种机制激发超声，均在开始经历吸收电磁辐射过程。 虽然熔融机制的激发效率比较高，但对样品有损伤；热弹机制对表面无损伤可以 重复测量，因此更加适合与无损检测。而热弹机制中产生的沿材料表面传播的声表面 波具有激发效率高，无衰减和易于检测等优点，比较适合于对缺陷的检测。 因此本文实验中检测的是在热弹机制下激发的声表面波，并且采用的激发源是激 光线源。这是因为线光源在保持相同的功率密度的前提下，可以比点光源更多的激光 能量投射至物体表面，以产生更强的表面波，从而提高信噪比，又不会破坏物体表面。 而且在线源条件下近场区的表面波振幅不随距离的增大而衰减，这样在无损检测中， 可以增大扫描范围；近场范围内，不必考虑缺陷位置对信号幅度的影响1 6 1 1 。 8 硕士论文 用于金属表面缺陷检测的激光声表面波的研究 图2 2 1 线源激发模型 下面来介绍在热弹机制下激励脉冲超声的线光源模型。如图( 2 2 1 ) 所示的直角 坐标系( x ，y ，z ) ，其中( x ，y ) 为样品表面平面，z 为指向样品表面的方向。设长度为2 d ， 宽度很窄的脉冲激光线源聚焦在样品表面( x - y 平面) ，线源的中点位于坐标原点。 根据叠加原理，对于此光源，x 轴上垂直表面的位移。，( x ，f ) 可写成线积分形式： u 0 3 ( x ，) = l 。w ( y ) u 0 3 ( ，t ) d y ( 2 2 1 ) 式中w ( y ) 为权重函数，g 0 3 ( ，t ) d y 为在时间t 时刻距离热弹线源，= x 2 + y 2 处的垂 直位移。由于激光光束为高斯分布，所以 w ( y ) = 形e x p ( 一专) ( d 2 - y 2 ) 2 a ( 2 2 2 ) 式中矽为正态概率积分函数，口是高斯光的边缘半径，常数w 由以下归一化条件给出： e e 卅知譬华舻t 亿2 固 位移u 。；( ，) 可以写成含时卷积的形式： 喇：r q ( 伊墼磐 ( 2 2 4 ) 式中引入时间相关函数g ( f ) 和常数r ，对于砜模式而言，有 g ( f ) = ( ) e x p ( - ( 2 5 ) 其中日( f ) 是阶跃函数，r l 是激光脉冲持续时间。 函数瓠妻，u ，f ) 是在时间f 、距离热弹线源z 处的垂直表面位移， 斜函数t h ( t ) 。当瑞利波传播到达时，s 。l ( ，f ) 由以下形式给出： 1 磷j u ，f ) = = z 吒2 m h ( t - c r l ) ( t 2 一c r l ) ( t 2 一) i 式中靠是瑞利波的速度，m 是无量纲常数，c ，是纵波的速度。 最终x 轴上垂直表面的位移为： 其时间是线性倾 ( 2 2 6 ) 9 2 声表面波的产生与检测硕士论文 甜0 3 ( x ，f ) = f i re x p ( - ) 日( f )( 2 2 7 ) r r m 聊( 鱼) 式中p = 昔( 2 2 8 ) p c r c lr 由( 2 2 7 ) 知，由高斯分布的脉冲激光形成的有限长细线光源产生的近场声表面波具有 单极性、振幅不随距离而改变的特性，其幅值大小主要与线光源中心的能量分布密度 有关，而且声表面波的波形与脉冲激光的时域波形相映射。由点光源变成线光源可 以明显改善所产生的声表面波的质量。 而且激光线源产生的表面波的指向性非常好，在缺陷检测中可以很好地判定缺陷 的方向。a i n d o w 6 2 1 等己对热弹激发表面波的方向性图作了研究。对于线源激发表面 波的方向性如下式所示： r 口：i s i n ( 坐) s i no l 2 1 zs i n 卯 ( 2 2 9 ) c rc r 式个厂是超声频率、，是线源长度，臼是与线源间的夹角。对a l 样品，用3 m h z 压电换 能器对着样品边缘接收的表面访的方向性图见图2 2 2 【6 3 】。空心点对应于线源( 0 1 m m x 4 5 m m ) 激光e = s m j 时激发的表面波的方向性，实心点对应于点源激发的方向性。 2 7 0 乞 、一。】| l - ，一。7 1 8 0 。 图2 2 2 声表波方向的方向性 2 3 声表面波的检测方法 常用的接收( 或检测) 脉冲激光超声的方法有接触式和非接触两大类。接触式 的是采用压电换能器，所采用的材料有压电陶瓷、压电晶体和压电薄膜等。非接触式 的有光学法和电学法，电学法包括用电容( 电荷) 、电磁声和空气换能器作为接收器。 其中光学法是光学法是真正意义上的非接触、宽带检测技术，近年来得到了广泛的应 用【4 】。光学法又分干涉仪法和非干涉仪法。非干涉仪法检测是利用超声到达样品样品 1 0 硕士论文用于金属表面缺陷检测的激光声表面波的研究 表面或沿表面传播时，样品表面的形状或反射率的改变，导致反射光的位置或强度变 化来实现。有光偏转技术( 又称刀刃技术或位置敏感器技术) ，光反射技术和光衍射 ( 光栅) 技术等，干涉法测量是基于声波在表面传播或到达表面时声波的位移引起光 速的相位或频率调剂来实现，有零拍法、外差法、差分位移干涉仪，速度或时延干涉 仪等技术。这些光学方法分别可以测量声波引起的表面位移( 垂直于表面、或平行于 表面分量) ，表面梯度，表面曲率和表面速度( 对声表面波而言) 的变化。 2 3 1 非干涉仪法 ( 1 ) 光偏转技术( 刀刃或位置敏感器技术) 光偏转技术中的刀口法是非干涉光检测方法的一种。当入射于表面的探测点尺寸 小于超声波长时，超声波纹引起反射光偏转，偏转量可以由刀边切割的光通量或位置 敏感器测定；从而检测表面声波和体声波的传播情况，用以表征样品的微结构及内部 缺陷等，已在商用的扫描激光声显微镜( s ) 中应用，最近也应用于原子力显微 镜( a f m ) 其优点是对环境振动很不敏感，但要求样品表面非常光滑，难以应用于 粗糙表面【6 4 j 。 x 图2 3 1 刀刃技术原理图图2 3 2 刀刃和坐标 z l o f l e c t o d b e a m 如图2 3 1 ，2 3 2 所示，反射光束一半被刀刃挡住，通过的聚焦透镜厶，另一半被 透镜厶聚焦至光电两极管上，或者由透镜三：聚焦至四象限的位置敏感器上进行测定。 设样品受声扰动后表面的倾斜度为p ，反射光束以垂直于刀刃方向传到刀刃，x , y 轴分别平行、垂直于刀刃，设投射到传感器上的激光光斑强度是高斯分布，则有 m = 睁层唧l 孚i 渊， ，口、 式中4 是光电磁场的振幅，d 是反射光束直径，d = ii 2l d ，当偏转口很小时， ，l 光电二极管的输出电流为 y 烹：墓晰 一么。 2 声表面波的产生与检测 硕士论文 铲刁居2 嗉 ( 2 3 2 ) 式中刁是光电检测器的转换效率，单位为a w ，p 是入射光束的能量，只= a 。2 。 设频率为q 。的声表面波沿y 方向传播，其位移为 u = 甜oc o s ( q 。r 一屯x )( 2 3 3 ) 式中k o 为声传播常数，u 。是声振幅，当表面倾斜度很小即口很小时 口= - = 0 - u = k 。“。s i n ( q 。f k 。x ) ( 2 3 4 ) 平均角度吒= 吒2 = 2 删。丸，光电管输出电流与声波的关系为 k = 帜4 石( 鲁) ( 砉) ( 平均) ( 2 3 5 ) 当声波为宽频脉冲波时 k = 犯4 石( 锌等 ( 2 3 6 ) 光偏转技术的信噪比受散粒噪声( s h o tn o i s e ) 限制 s n r = 志1 6 万( 2 ( 旁2 只 ( 2 3 7 ) 式中b 是声频带宽，d 是光子频率。令s n r = 1 时其最小可检测振幅为： = 筹( ； ( 2 3 8 ) 当b = i m h z ，r = 0 4 a w ，d = 1 a t o m ，z = l m w ，五= 2 8 r a m 时，“m i n = 1 3 n m ， 其他条件相同，b = 1 0 0 m h z 时，材m i n = 1 3 0 n t o 。可见，只，e ，r 增加，“响减小，而屯 减小，信噪比增加。 ( 2 ) 表面栅衍射技术 1 2 u # r a s o n l c v 蠕童v 目e 图2 3 3 表面栅衍射原理图 如果将上述的入射光斑放大到覆盖几个声波波长，由于b r a g g 效应或r 锄锄n a t h 硕士论文 用于金属表面缺陷检测的激光声表面波的研究 效应，即出现一级或多级衍射光。分布在镜式反射的零级光的一侧或两侧，测量衍射 光的强度和偏转角，可以测定超声的传播参量。如速度和衰减等，本技术主要适用于 连续声波的检测。 原理如图2 3 3 所示，衍射光的传播方向由下式决定： s i n e 。= s i n e o n 2 屯 ( 2 3 9 ) 其中屯、五分别为声波长和光波长，n 是衍射光的级数。当声振幅比光波长小得多时， 第一级和零级衍射光的相对强度为 砉- 【以( 】2 ( 2 3 1 0 ) z ( 七。材) 是第一类一阶b e s s e l 函数，材是峰值表面位移 ( 3 ) 光反射技术 超声应力产生样品的光折射率的微小改变，转而造成样品镜式或弥散反射率的 变化，这种变化虽然很小，但此技术成功应用于检测p s 脉冲激光在薄膜中产生的超 声回波。此外，这种方法也已成功地应用于光热检测，主要用于半导体中由温度变化 ( 热波) 和等离子体浓度变化( 等离子体波) 造成的反射率改变。 2 3 2 干涉仪法 干涉仪法可以分为线性干涉仪和非线性干涉仪两大类。线性干涉仪中，通常采用 检测相位变化的零差干涉仪和检测频率变化的外差干涉仪。然而，目前这些干涉仪大 多数主要检测法向位移。其中共焦f p 干涉仪具有带宽、灵敏及较大的入射孔径等优点， 如果被测表面采用局部光栅修饰，就可以实现试样表面法向和切向位移的同时测量。 利用散斑干涉，也可以测量表面的位移矢型1 7 1 。 光学非线性器件而研制的非线性激光干涉仪近年来得到了迅速发展，例如用 b a t i 0 3 晶体为非线性晶体的相位共轭干涉仪，可用于粗糙表面振动的检测。而本文实 验中所采用的双波混合干涉仪是将信号光束与参考光束在t a t i 0 3 等光学晶体内相干 而形成动态光栅，而实现“畸变 的信号波前与“畸变”的参考光波前相干涉来获得 表面振动信息，这类干涉仪可以在晶体上外加高压电场而提高干涉效率。光感生电动 势干涉仪( p h o t 0 2 e m f ) 是利用像g a a s 这类晶体的非线性干涉器件。这类晶体能形成 和贮存一个内电场，这个内电场的分布与入射光束的空间强度分布相对应。当这个空 间光强分布作横向移动时，贮存的空间电荷场会激发一时变的电流输出。所以，它不需 要外加的光电检测器。这类p h o t 0 2 e m f 干涉器件已用于检测激光超声法向位移。而 且它可像普通的半导体器件一样进行集成。它有较高的截止频率，像g a a s p h o t 0 2 e m f 器件的截止频率可高达8 0 m h