（光学工程专业论文）激光声表面波用于金属柱状材料表面缺陷检测的研究.pdf

摘要 本文分别从理论计算和实验两方面对脉冲激光激发的沿柱面周向传播的声表面 波用于金属柱状材料表面缺陷检测进行了研究。 根据热弹性理论建立了激光在带有表面缺陷的金属柱状材料中激发声表面波的 理论模型并采用有限元方法进行数值计算。在计算中，通过改变表面缺陷与激光光源 的相对距离模拟了激光源的扫描过程；分析了这一过程中沿柱状材料表面周向传播的 表面波的幅度、极性和频谱的变化以及引起这些变化的物理机制；讨论了不同深度的 缺陷对表面波传播的影响，特别是当缺陷深度小于声波波长时，扫描激光源方法依然 有一定的探测效果。计算结果同时表明，沿柱面周向传播的表面波峰峰值的变化趋势 与平板上的有相似的地方。但在平板情况下，最大值出现在缺陷的位置；在圆柱情况 下，最大值出现在激光光源接近缺陷左边沿附近。对于不同的缺陷深度，表面波峰峰 值均有类似的变化规律。 搭建了以激光干涉仪作为探测装置检测激光超声的光学实验系统。通过扫描激光 线源法研究了金属柱状材料表面缺陷与声表面波的相互作用。实验中表面波信号幅 度、极性和频谱的变化与理论计算的结果基本相符。实验结果同时表明，观察到的表 面波极性的倒转是由反射波和入射波的叠j a n 芒j l 起的。但是其中所叠加的反射波由于传 播距离的不同，其极性也会发生一些变化，所以极性倒转现象也受到了色散效应的影 响。 关键词：激光超声，声表面波，表面缺陷，扫描激光源技术 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , l a s e r - g e n e r a t e ds u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ( s a w s ) d e t e c t i n gs u r f a c e b r e a k i n g d e f e c t so nm e t a ls o l i dc y l i n d e r sh a v eb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y at h e o r e t i c a lm o d e lf o rl a s e r - g e n e r a t e ds u r f a c ew a v e so ne l a s t i cc y l i n d e rm a t e r i a li s b u i l ta c c o r d i n gt ot h et h e r m o e l a s t i ct h e o r y t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t e b yc h a n g i n gt h er e l a t i v ed i s t a n c eb e t w e e nt h el a s e rs o u r c ea n dt h es u r f a c en o t c hi nt h e c o m p u t a t i o n ，t h es c a n n i n gp r o c e d u r ei ss i m u l a t e d t h ec o r r e s p o n d i n gv a r i e t i e so f a m p l i t u d e s 、p o l a r i t y a n d s p e c t r u m s o ft h es u r f a c e w a v e s ，w h i c hp r o p a g a t e c i r c u m f e r e n t i a l l yo nt h ec y l i n d e rm a t e r i a l ，a r ep r e s e n t e da n dt h ep h y s i c a lm e c h a n i s m sa r e a n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo ft h ed e p t ho ft h es u r f a c en o t c hi sa l s od i s c u s s e d n l cr e s u l t s d e m o n s t r a t et h es c a n n i n gl a s e rs o u r c e ( s l s ) t e c h n i q u ec a nb ea p p l i e dt od e t e c tt i n yc r a c k w h i c hi ss m a l l e rt h a nt h ew a v e l e n g t ho ft h es a w t h ec h a n g i n gt r e n do fp e a k - t o p e a k v a l u eo fs a w p r o p a g a t i n go n ac y l i n d e ri ss i m i l a rw i t hap l a t e b u tt h em a x i m u mv a l u e o c c u r sw h e nt h el a s e rl i n es o u r c eg e n e r a t e do nt h ec r a c ke d g ef o rap l a t e ，a n df o ra c y l i n d e r i th a p p e n sn e a rt h ec r a c k t h es a m et r e n do c c u r sf o rt h ed i f f e r e n td e p t h so ft h ed e f e c t s t h el a s e ru l t r a s o u n do p t i c a ld e t e c t i o ns y s t e mu s i n gl a s e ri n t e r f e r o m e t e ri sa l s ob u i l t u t i l i z i n gt h e s l st e c h n i q u e ，t 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 e l a s e r - g e n e r a t e ds a w i sa n a l y z e d t h ev a r i e t i e so fa m p l i t u d e s 、p o l a r i t ya n ds p e c t r u m so f e x p e r i m e n t a ls i g n a l sa r ei ng o o da g r e e m e n t 、砘t l ls i m u l a t i o n s t h er e s u l t sa l s os h o wt h a t t h eo v e r l a po ft h ei n c i d e n tw a v ea n dt h er e f l e c t e dw a v ec a u s e st h er e v e r s a lo ft h ea c o u s t i c p u l s eo b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n t b u tt h ew a v e f o r mo ft h er e f l e c t e dw a v e sa r ec h a n g e d d u et ot h ed i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e s ，s ot h ed i s p e r s i o ne f f e c ti sa l s on e e dt ob et a k e n i n t oa c c o u n t k e y w o r d s ：l a s e ru l t r a s o u n d ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ，s u r f a c e - b r e a k i n gd e f e c t s ，s c a n n i n g l a s e rs o u r c et 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： 歪藐盎劢护g 年月g 日 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。 研完生签名： 至缸建劢。f 年否月绣日 亟j 金塞 邀光直塞西遮眉王金属挂达挝抖麦面煞陷玉扬捡测的班究 l 绪论 i 1 激光超声检测概述 1 - 1 1 研究背景 在当前高科技发展中，先进的材料以及各种器件、设备的研究和发展越来越引起 人们的重视，相应地对于材料的无损检测技术的要求也越来越高。无损检测是建立在 现代科学技术基础上的- - i 应用型技术学科，它以不损坏被检测物体内部结构为前 提，应用物理的方法，检测物体内部或表面的物理性能、状态特性以及内部结构，检 查物质内部是否存在不连续性( 即缺陷) ，从而判断被检测物体是否合格，进而评价 其适用性。无损检测具有广泛的科学基础和应用领域。无损检测学科几乎涉及到了物 理科学中的光学、电磁学、声学、原子物理学以及计算机、数据通讯等学科，在冶金、 机械、石油、化工、航空、航天各个领域都有广泛的应用。无损检测的应用时机有设 计阶段、制造过程、成品检验和在役检查。应用对象有各类材料( 金属、非金属等) ： 各种工件( 焊接件、锻件、铸件等) ；各种工程( 道路建设、水坝建设、桥梁建设、 机场建设等) 。作为现代工业的基础技术之一，无损检测技术在保证产品质量和工程 质量上发挥着愈来愈重要的作用。无损检测的方法很多，据美国国家宇航局调研分析， 认为可将无损检测分为六大类约7 0 余种。但是在实际应用中，常规的无损检测技术方 法有：射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检验、涡流检测。非常规无损检测技术 有：声发射、泄漏检测、光全息照相红外热成象、微波检测【1 1 。 在当今的无损检测技术中，超声检测以其检测灵敏度高、声束指向性好、对裂纹 等危害性缺陷检出率高、适用广泛等优点至今在无损检测领域中占有重要的地位。超 声检测一般是指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试 件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进 而对其特定应用性进行评价的技术。超声波可以在固体、液体和气体中传播，其传播 特性，如声速、衰减及声阻抗等与媒质的许多非声学特性和媒质的某些状态参量有关， 利用它们之间的关系，通过对超声传播中特征信息量的提取，可以实现工业非声量， 如密度、浓度、强度、硬度、粘度、湿度、流量、物位、厚度、弹性等的测量，还能 对物体的缺陷进行检测，对材料进行物性评价。 1 1 2 激光超声原理及检测方法1 2 l 激光应用的重要物理基础之一涉及激光与物质的相互作用机理，激光与物质的作 用过程对应的基本规律可归纳为：当激光束作用于物质时，光能先转换成物质中粒子 的激发能，然后再转化为热能、化学能或机械能等，在整个过程中，物质中分子结构 1 和物质的形状都将以多种形式发生变化。当脉冲激光束照射到某一物质( 固体、液体 或气体) 表面，一部分能量被物质吸收，另一部分被反射。一般认为，固体中激光激发 超声波的机理，随入射激光的功率密度和固体表面条件不同而改变，分为热弹和烧蚀 两种机制。 热弹机制时，照射到试样表面的激光能量不足以使表面熔化，试样内超声波脉冲 主要是由于试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生的。照射到不透明试样表面的脉冲激 光，其能量部分被浅表层吸收，部分被反射。吸收光能的浅表部分，由于温度上升而发 生膨胀以致发生形变。由于入射光波是脉冲的，浅表部分的形变也是周期性的，周期形 变在周围介质中激发了超声波。这种热膨胀效应产生的超声适用于检测低强度激光辐 照固体表面时的情况，得到了广泛的研究。 烧蚀机制时，激光能量使晶格动能超出弹性限度，样品被照射处出现熔融和融蚀 状态，并伴有等离子体，材料汽化产生一冲量作用于表面，产生一个法向作用力，激发 出了幅值较大的超声波。如果作用激光波长很短，相应光量子能量很大，并且脉冲上 升时间为皮秒量级，受激发的局部样品可以接收极高瞬时激光功率而不产生温升，此 时仅有电子体积应变或断键产生声波，前者为电子应变效应，后者为电子破损效应。 随着工业自动化程度的不断提高，人们对无损检测技术，尤其是非接触无损检测 技术的需求越来越迫切。激光超声检测技术是利用激光脉冲照射样品表面，使材料内 部非接触地产生超声振荡，激发出超声波，并利用光学方法对超声波进行检测，从而 实现对样品进行无损检测的一种方法。 固体中超声波信号的检测主要采用换能器法检测和光学法检测。常用的换能器 有电磁、电容、压电陶瓷换能器、电磁声换能器和电容声换能器，这些换能器都有较 宽的频带，可非接触接收超声信号，但必须很接近试样表面。 同时检测灵敏度较低， 只适用于导体材料的检测。压电陶瓷等常规超声换能器，使用时必须直接紧贴在试 样上才能检测，或在换能器前表面上附一个匹配层。这类换能器灵敏度较高，但带 宽有限，不适合检测宽频带的超声信号。光学法是真正意义上的非接触、宽带检测技 术。光学检测法又分为非干涉和干涉两种。 非干涉法检测的原理是：当照射到试样 表面的检测光束直径小于超声波长时，反射检测光束由于表面超声波动而发生偏转， 偏转大小由位移检测器接收。这个偏转值直接与声波的幅值及性质有关。 应用这一 技术，能显现出表面波和体波的传播情况，检测出试样的内部缺陷和微结构。干涉法 检测是将试样表面直接用作为迈克尔孙干涉仪测量臂中的反射镜，聚焦的激光束照 射到试样表面，入射的激光束被表面反射并与由光源分离出的参考光束发生干涉， 使光束发生频移，由检测器检测出频移，从而测量了试样振动位移。若在参考臂中 引入频移系统即构成外差干涉检测仪，它具有较宽的频带，能对粗糙表面进行检测， 2 并对环境振动有较强的抗干扰能力。光干涉法又可分为线性和非线性光干涉仪。目前 广泛使用的外差干涉仪，共焦f p 干涉仪是线性光干涉仪。而相位共轭干涉仪，双波混 合干涉仪，以及光感生电动势干涉仪则属于非线性光干涉仪，因为它们使用了非线性 晶体【3 】。 与传统的超声激发和检测方法相比，激光超声具有如下优点： ( 1 ) 无需耦合剂，避免了传统的超声检测中由于耦合层的变化而带来的对信号的干扰， 以及由于耦合剂的使用而对材料产生的各种污染： ( 2 ) 激光束的优秀品质使得被测超声波场可以不受任何干扰，或者受到的干扰很小， 具有极强的抗干扰能力： ( 3 ) 超声波的产生和探测都是通过激光进行的，因而易于实现远距离的遥控激发和接 收，并能实现工件的在线检测： ( 4 ) 可以通过玻璃窗口将激光束导入特定的空间，从而使其能方便地应用于高温高 压、高湿、毒、酸、碱等检测环境或被测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应等 恶劣的环境： ( 5 ) 可以在非压电体( 金属、绝缘体、陶瓷、有机材料等) 中直接激发超声，无须借 助于压电换能器： ( 6 ) 利用锁模激光器很容易获得与激光束的脉冲宽度相近的超声脉冲，从而使得基于 超声衍射方法的缺陷检测技术获得广泛的应用成为现实： ( 7 ) 探测激光束可被聚焦成非常小的点和线，因而即使是常用的激光系统，也能实现 微米量级的空间分辨率： ( 8 ) 由激光束所激发的激波总是垂直于被测件表面的，使可以不必考虑激光的入射角 的问题： ( 9 ) 激光激发超声，能一次同时在体样品中激发出纵波、横波、头波和声表面波( s a w ) 。 在板中激发出板波。而在电超声技术中一种换能器只能激发一种波形，不同模式波 须用不同换能器。 由于激光超声具有上述的这些优点，激光超声技术的应用迅速发展，使传统的超 声法的应用范围得到大大扩展。激光超声技术己成为一种重要技术和手段，被广泛地 应用于工业无损检测，材料的表征，以及复合材料和各向异性材料的声传播规律研究 等领域。随着脉冲激光超声在固体材料的无损评价以及材料参数表征中的广泛应用， 对于脉冲激光在材料中激发超声波的理论和实验的研究越来越受到关注。声表面波在 超声检测中是十分重要的波形，在激光超声技术中也不例外。其中激光激发的声表面 波非常适用于表面微裂纹无损检测，取得了非常迅速的发展。 1 2 研究现状 激光超声技术在经历了多年的发展之后，己经在激光激励超声波的研究【4 】，激 光超声在平板材料中的激发与传播特性的研究【5 j 、激光超声在半无限大空间上的激励 的理论和实验研究【6 】以及激光超声在材料的缺陷检测和评估领域的应用【7 j 等方面取得 了令人瞩目的成绩。事实上，在工业领域，应用最广泛的材料不是平板材料，而是具 有弯曲结构的材料，如圆柱体材料、石油化工中的输送管道等。因此，柱状和管状材 料中激光超声的激励、传播及其与缺陷的相互作用问题成了迫切需要解决的基础性问 题，这些问题的解决将直接促进圆柱体和管道缺陷激光超声检测技术的发展。 利用激光超声对材料进行缺陷检测的过程包括激光超声的激发与传播过程以及 超声波在缺陷附近的散射过程，可以概括为两个阶段。第一阶段主要是围绕着激光超 声的产生与传播过程开展的，国内外许多学者己进行了大量的实验和理论研究，并借 助于多种解析及数值方法对理论模型进行不断的修正和完善来建立激光输入与超声 信号输出之间的的映射关系。第二阶段的研究包括激光激发的超声与材料中缺陷之间 的相互作用过程以及对超声散射信号的有效分析。 弹性声表面波是由英国物理学家r a y l e i g h 于1 8 8 5 年提出的，所以也称为瑞利波。 当固体有一自由表面时，在介质深度不大的表面层中形成的一种特殊的波，它沿固体 中自由表面传播，而振幅随深度的增加迅速衰减。它是超声检测中十分有用的波型。 由于激光源可聚焦成很小( 或很细) 的点源( 或线源) ，使得这种波型能对小和薄的样品 进行有效的检测，可以扩展至电超声检测盲区以内，尤其是对材料各向异性性能的表 征。另外，在激光激发出的各种超声波型中，声表面波的激发效率最大，波形不畸变， 而且沿表面传播过程中衰减最小，因此激光声表面波在激光超声检测技术中是一种有 用的波型，被开始广泛的研究和扩展应用的领域。 w h i t e 8 】最早在实验上实现脉冲激光激发声表面波。随后，声表面波的激光激励、 探测以及在无损检测中的应用等得到了国内外研究者的广泛关注。s c a l a 等【9 】研究了 高斯分布的激光束在各向同性的铝板表面热弹激励超声表面波的波形，通过对波形进 行分析得到声表面波的频谱，讨论了表面波波形和频谱与激励激光光斑大小之间的关 系。c o u t a l 等【l o 】利用激光激发宽频带声表面波实验测量了铝、钢、铜中超声波的相速 度。t e m s a m a n i 等【l l 】利用表面波进行有关材料特征方面的评价。r o y e r 等【1 2 1 3 】研究了激 光线源热弹激励的近场声表面波，忽略了远场的声学衍射现象，为材料的无损检测和 评估提供了定量研究的基础。 采用r a y l e i g h 波探测表面缺陷主要基于其在表面缺陷区域发生的散射过程，而定 量地描述散射通常采用声波的振幅与相位信息，透射及反射系数关系及频谱成分的变 4 化等特征信息。早在1 9 6 7 年，v i k t o r o v 1 4 】在就研究了有关r a y l e i g h 波和l a m b 波的理论， 并在实验上观测了沿铝板表面传播的r a y l e i g h 波遇到表面凹痕时发生的散射过程，并 发现了r a y l e i g h 波的反射与透射系数与凹痕深度相关：同时还分析了实验中两种波系 数失去互补性的可能原因，并提出了造成这种现象的原因跟表面凹痕附近发生模式转 化有关。a c h e n b a c h 教授【l5 j 的研究小组研究了声表面波与表面缺陷相遇时形成的衍射， 利用射线理论对其进行了分析，并对散射声表面波在样品表面产生的位移信号加以分 析研究。d o m a r k a s d 6 】等在实验上观测了声表面波在表面缺陷附近形成的回波声场，研 究了不同散射角对声表面波波形的影响及利用反射系数定量判定表面缺陷的尺寸和 形状。k a w a s a k i 等【i7 】人利用边界扰动法模拟 r a y l e i g h 波在表面缺陷附近发生的透射 与反射的物理过程。y e w f 埔j 在实验上观察了声表面波在表面凹痕附近的散射情形，实 验结果与散射理论预示结果之间的一致性表明了采用声表面波进行无损检测的应用 价值。p o r t z 等【1 9 】在理论上分析tr a y le ig h 波在平板端面发生的反射、透射及模式转 化的各部分能量与其对应频率成分的变化。这些早期的研究为利用声表面波对材料进 行无损检测提供了重要的依据。 后来r a y l e i g h 波在表面凹痕附近的模式转化现象成为一个研究的热点，然而更多 的学者还是致力于研究r a y l e i g h 波在上表面的透射及反射系数与表面缺陷深度之间 的定量关系。c r a n e 等【2 0 】考虑了低频的弹性波在遇到平板中的缺陷后发生的散射过 程，提出了基于反射系数的计算来定量表达缺陷的特征对超声信号的影响。随后， z e r w e r 等【2 【l 通过建立有限元模型来研究了表面波和亚表面裂痕的作用。h a s s a n 等【2 2 】 使用有限元法数值模拟了r a y l e i g h 波和表面缺陷的相互作用，分析了经过缺陷反射后 的表面波的反射系数与缺陷深度的关系，尤其是缺陷的深度与表面波波长相当的情况 下。为表面缺陷的定量检测又迈出了一步。 以往的研究工作主要集中于平面上激光激励的声表面波。事实上，声表面波也可 以沿弯曲表面传播而衰减很小。因此，近年来，研究者们开始致力于将激光超声技术 应用于弯曲材料表面的缺陷检测，这使得弯曲材料中激光超声的激发、传播及其与缺 陷的相互作用问题成为激光超声领域迫切需要解决的基础问题，这些问题的解决将直 接促进激光超声无损检测技术的发展。圆柱体是工业中最常见的工件结构，它具有最 基本的弯曲表面一圆弧面，因此研究柱状材料中激光超声波的激发、传播等行为是研 究弯曲材料中激光超声问题的基础。早在上世纪6 0 年代，r u l f 等 2 3 】人对圆柱等弯曲表 面波的传播行为进行了最初的研究。其后，由于计算手段和传统的实验检测手段的 局限性，关于弯曲表面波的研究报道很少。8 0 年代末期，激光超声方法的出现，为弯 曲表面波的研究提供了有效手段，但对柱状表面材料的激光超声的理论和实验的研究 相对平板而言少得多。进入2 l 世纪后，在2 0 0 2 年，c l o r e n n e c 和r o y e r 等【2 4 】人采用激光 超声技术检测了铁和硬铝圆柱表面的裂缝。在实验中，他采用脉冲激光来激励声表面 波，由干涉仪来进行探测的全光学实验系统研究了在不同位置探测的声表面波信号， 并讨论了沿圆柱周向传播的激光声表面波与缺陷的相互作用。接着他们继续深入研究 了铁圆柱表面激励的声表面波与表面缺陷的相互作用，得出缺陷深度正比与两个不同 位置的波形的相关系数的斜率【2 5 1 。此外他们从实验上发现激光声表面波沿圆柱表面传 播时的极性会周期性的发生倒转，并通过频散和衍射的理论解释了这种现象 2 6 】。 c o o p e r 2 7 】与r j d e w h u r s t p 8 】等人在实验上利用脉冲激光激发与干涉仪接收技术研究 了声表面波与表面矩形凹痕的相互作用过程，并初步讨论了反射瑞利波的波形特征与 凹痕深度的对应关系。然而声波场在连续介质内的分布特征、传播规律以及激光激发 的超声波遇到介质内部不连续点时发生的散射及模式转化等现象都是有待深入研究 的问题。当采用光学干涉法来检测r a y l e i g h 波引起的垂直于材料表面的位移信号时， 探测点可以延伸到缺陷近场，可以详细地记录缺陷近场区的散射声波位移信号特征， 进而有利于表面缺陷特征的反演。c o o n e y 等【2 9 】改进了扫描激光源技术，即采用同步移 动激发源与探测源的新扫描技术。此技术根据探测光源接收到的位移信号振幅在上表 面的分布特征，得到了表征样品表面位移信号强度的灰度分布图，从而定量描述位移 信号振幅强度。这样不但可以利用图像中的亮度区域的分布特征来判断表面缺陷的形 貌走向，而且可以通过鲜亮条纹的亮度值来定量表征表面缺陷的深度。这种非接触的 激光扫描技术可以对机械工件进行实时在线检测，是一种具有应用前景的表面缺陷检 测技术。上世纪8 0 年代以来，多种数值方法被用来近似计算r a y l e i g h 波在表面缺陷附 近产生的的散射声场，其中具有代表性的三种计算方法分别是：有限差分法、有限元 法与边界元法。h i r a o 加】等基于有限差分法数值模拟了表面瑞利波中各种频率成分对 应的反射和透射系数与表面缺陷深度的关系。l i u 3 1 等采用有限元与边界积分法相结 合的数值方法模拟了超声波在遇到表面及亚表面缺陷时产生的散射声场，并借助于数 值模拟结果对弹性波在缺陷附近的模式转换过程提出了定性的描述。胡文祥等【3 2 1 研究 的是将脉冲激光线源的热弹激励等效为一横波源的切变效应，导出了光激圆柱声场的 积分表达式，采用留数理论进一步得出了圆柱表面r a y l e i g h 波声场的表达式，用数值 求导和快速傅立叶变换技术数值计算了铝圆柱r a y l e i g h 波的瞬态位移波形。研究结果 表明，圆柱r a y l e i g h 波在传播距离较小时，与平界面r a y l e i g h 波相似，随传播距离的 增加，由于频散加剧，r a y l e i g h 波形状、相位逐渐发生变化。w u 【3 3 】，h u 【3 4 1 和p a n 【3 5 】也给 出柱状材料表面上激光激励声表面波的数值模拟。他们采用双积分变换法计算了激光 在圆柱体中激发的柱面表面波波形，并在实验上测量了柱面表面波波形，波形中具有 清楚的r a y l e i g h 和w g 模态。但该方法要求必须把激光源近似为一个等效力源，也不能 考虑热物理参数随温度变化的特性。 综上所述，检测表面缺陷的实验研究基于r a y l e i g h 波与表面缺陷的相互作用过程 6 产生的反射及透射声表面波的强度及频率等信息来反演缺陷的特征。 1 3 本文的主要研究工作 在上述背景之下，通过了解国内外有关激光超声检测方面的研究现状，考虑到不 同的激光超声接收方法优缺点基础上，确定了本文的主要研究方向是激光声表面波用 于弯曲金属表面上缺陷检测的研究。本论文的主要研究工作为：从实验和数值模拟两 方面对脉冲激光在金属材料中热弹激发声表面波以及用于柱状材料表面缺陷检测的 研究，重点讨论了表面缺陷深度对表面波的影响。 1 从脉冲激光激发超声的理论模型出发，用有限元法数值模拟了热弹机制下脉 冲激光在带有表面缺陷的铝圆柱表面激发的沿周向传播的表面波的位移信号。在计算 中，通过改变表面缺陷与激光光源的相对距离模拟了激光源的扫描过程；分析了这一 过程中沿柱状材料表面周向传播的表面波的幅度、极性和频谱的变化以及引起这些变 化的物理机制；讨论了不同深度的缺陷对表面波传播的影响。 2 利用t e m p o 干涉仪作为探测部分，结合扫描激光线源技术，建立扫描激光线源 法检测表面缺陷的实验系统，实现了全光学激光声表面波检测。通过分析接收到的沿 周向传播的表面波信号幅度、极性和频谱的变化来研究金属柱状材料表面缺陷与声表 面波的相互作用。 7 2 激光声表面波和扫描激光源技术 在激光激发出的各种超声波型中，声表面波的激发效率最大，波形不畸变，而且 沿表面传播过程中衰减最小，因此激光声表面波在激光超声检测技术中是一种有用的 波型，从而受到了广泛的关注和深入的研究。 2 1 沿柱面周向传播的声表面波概述 在无限均匀介质中传播的波称为体波，而导波则是指由于介质边界的存在而产生 的波，如表面波、l a m b 波和界面波。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，它是一种在自由界面上沿界面传播的面波，由媒质的弹性形变诱发 材料内部的应力应变所产生。在观察波在地球表面传播及随后在地球表面上出现的波 的模式转换时，人们第一次得到了表面波存在的实验证据。 下面主要介绍声表面波沿圆柱体周向传播的一些基本性质。 在柱坐标系中，令z 轴垂直于圆柱体横截面，要研究( r ，0 ) 平面上沿0 方向传播 的时间简谐波，所以弹性场与z 坐标无关。运动方程可以从圆柱坐标系下n a v i e r 运 动控制方程得到，即简单的去掉与z 值有关的项，通过求解圆柱体的边值问题确定该 问题的解。因此未知的位移场可写为： “，= 甜，( ，0 )= u o ( ，口)“：= 0 ( 2 1 1 ) 位移分量“，由势函数和妒给出 “，：型+ ! 丝，甜。：三型一塑 ( 2 1 2 )“，= o + 一，甜口= 一一ol z 1 z ， 这里和缈满足波动方程 1 0 7 0 0 - 2 - f # + 争。( 导4 - 净吉融+ 争。汜， 式中，气和勺分别是弹性介质的纵波和横波波速。根据胡克定律，应力表示如 下 、 盯，= a ( 警+ 等+ 吾等) + 2 警，= o u o u _ ，e 一+ 7 1 丽3 u , ) c 2 4 ，一 在圆柱体的外表面，无应力的边界条件为盯，= = 0 ，其中r 取圆柱的半径r 。 沿e 方向传播的表面波与角坐标有关，即含有因子p 矽。与。有关的波动方程的解为 硇主监塞邈丝直垂画遮且王金属拄达挝抖麦画鲤隆玉茏捡测的班荭 、 = a e 妒i 旦，1 ， 伊= b p 卵f 竺尸l ( 2 1 5 ) l 气l 勺 、厂、 其中a ，b 分别为任意常量，i 竺，1 和f 竺，1 分别为pf rb e s s e l 函数。 吒c r p 为角波数，p ：竺筌。旯为沿圆柱体周向传播的声表面波的波长。表面波的相速度 l 为c ：竺：譬。我们考虑沿周向传播的表面波，所以p 为整数或分数。将边界条件代 z 刀尼 入( 2 1 5 ) 得到了关于矽和伊振幅关系的方程以及特征方程。 对于一个给定的圆柱体，存在许多满足特征方程的解，每个p 决定了所对应的波 的相速度。所以沿柱面传播的声表面波是频散的，波的周向相速度随着频率的改变而 改变。而当圆柱的曲率半径改变时，其速度又会发生变化。另外，当曲面形状不同时， 速度也会发生变化。 总之，声表面波在曲面上传播时，其速度随曲面形状和曲率大小而有所不同，凸 面上速度较平面上偏大，而凹面上偏小，当曲率半径与波长之比足够大( 5 0 以上) 时， 基本与平面相同。声表面波的速度通常接近但小于在形成界面的介质中体波的速度。 对于实际的固体，声表面波速度比横波速度约慢1 0 。 声表面波不同于体波，它的振幅是离表面衰减的，衰减常数的数值决定了声表面 波离表面衰减的程度。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，位移轨迹为一椭圆，振幅随深 度的增加衰减很快，离表面一个波长以上的地方的振动幅度已很微弱。对于在柱面上 沿周向传播的表面波，其衰减因子与曲面的曲率半径无关。 2 2 激光声表面波检测表面缺陷的常用方法 在超声检测中，对于宏观缺陷的检测，常用短脉冲以反射法进行。此时，在试件 中传播的声脉冲遇到声特性阻抗( 材料密度与声速的乘积) 有变化处( 如出现缺陷) ，部 分入射声能可被反射，根据反射信号的幅度可对缺陷的大小做出评估，通过测量入射 波与反射波之间的时间差可以确定反射面与声入射点之间的距离。当超声波在传播中 遇到粗糙面或极小的障碍物( 或一组小障碍物形式) 时，将有一部分能量被散射。当 障碍物的直径等于或小于入2 ，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为 绕射，故超声波波长越短( 即频率越高) ，能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好。 超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现 象称为声波衰减。声波衰减与介质对声波的吸收、散射以及声束扩散等原因有关，其 9 中吸收是衰减的主要因素。 表面缺陷是材料在表面张力的作用下产生的表层张裂现象。材料在外部条件作用 下，内部的缺陷由“相对静止状态”进入“变动状态”或者材料由一种状态变到另一 种状态，这种状态的变化改变了材料中能量分布，使一部分能量以弹性波形式释放出 来。从材料发射出来的每一个声信号都包含着反映材料内部结构或缺陷性质和状态变 化的丰富信息。接收这些声信号，加以处理、分析和研究，从而推断材料内部的状态 变化。一旦材料表面出现裂纹，在外界载荷作用下表面裂纹底部分布的集中应力将会 促使表面裂纹迅速生长最终导致机件报废。一些在役结构或构件由于各种原因可能存 在不同程度的损伤或缺陷，使其处于不连续状态。带有损伤的结构或构件承载时，裂 纹也可能会萌生并扩展，从而导致抗力及安全性指标减低，带来安全隐患。断裂力学 研究证明，带有尖锐边缘的平面缺陷( 如裂纹) 危险性最大。同时还证明受压部件中 平面缺陷穿过壁厚的径向长度、缺陷距表面及与其它缺陷的距离等都是关键性的重要 尺寸，而平行于部件表面的裂纹长度是次要的。许多材料，尤其是高强度的脆性材料 最大应力常常发生在表面，而表面开口缺陷又特别易于扩展，因此，利用激光超声技 术对表面( 或亚表面缺陷) 进行检测是非常重要的【3 1 。 声表面波尤其是瑞利波沿表面传播，他们与材料表层相互作用相当明显，且具有 激发效率高、不易衰减和易于检测等特征；在其传播过程中遇到表面或近表面缺陷时， 声表面波将会与缺陷发生较复杂的物理过程，部分声波在缺陷处仍以表面波的形式被 反射，并沿物体表面返回，其中将携带有关缺陷信息。利用这些特性，声表面波是测 定近表层性质的理想方法，可用于表面或亚表面缺陷检测和定位，从而引起了国外学 者的广泛关注。以下介绍几种激光超声检测表面缺陷中的几种常用方法【2 】。 ( 1 ) 脉冲反射法 脉冲反射法是目前运用最广泛的一种超声波检测法，在激光超声声表面波缺陷检 测中也得到了广泛的应用。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。 ( 2 ) 缺陷共振法 这是利用声波通过有缺陷和没有缺陷时的振幅谱的比较来识别缺陷的尺度，采用 脉冲激光声谱仪技术实现这一测试。 当s a w 传经有一定深度h 及宽度a 的表面缺陷时，那些具有半波长与缺陷线度相近 的频率的波就会因共振吸收而严重地衰减，在有频率选择性的反射( 或透射) 讯号的频 谱曲线中相邻两峰( 或两谷) 的频率间隔与深度h 及宽度a 有关，因而可以从谱图上读得 的频率间隔求出缺陷的深度和宽度。 ( 3 ) 反射系数法 这方法是利用来自缺陷的反射系数谱来估算缺陷的大小。在理论上可把矩形沟槽 看作两个相继的不连续区域( 9 0 角和2 7 0 角) 构成，在样品中检测到的表面波成分可以 有直达波和第一反射声表面波，以及模式转换所到达的切变波。缺陷的反射系数可以 由直达波和第一反射波，或两相邻反射波的振幅谱求得。 ( 4 ) 飞行时间法 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。 对于激光热弹机制激发超声波，涉及材料吸收激光能量而形成瞬态温度场以及由 此瞬态温度梯度场作为力源激发瞬态超声波场和应力场，因而表面缺陷不仅会对声表 面波模式传播产生影响，而且也会对声表面波的激发产生影响，所以表面缺陷对声表 面波的作用机制是比较复杂的。 2 3 扫描激光源技术 利用声表面波检测材料表面缺陷的两种常规方法有基于脉冲回波的测量方法以 及基于衍射模式的渡越时间分析法。然而在表面缺陷的深度小于表面波中心波长的情 况下，声表面波中的大部分能量将从表面缺陷的底部绕射，这样无论是反射回波信号 还是透射表面波位移信号的变化都非常细微以至不易观察。采用这两种传统的方法检 测深度小于声波波长的表面缺陷显得十分困难。采用激光作为激发源不仅可以得到宽 频带、多模式的超声脉冲，同时以其非接触激发的特点，可以在被测样品表面进行自 由移动，进而为工业上实现高效的无损检测提供了理想的激发源。很早g u t f e l d t 3 6 】等 就研究了通过移动激光源辐照受束缚的金属材料来探测其内部缺陷。研究发现当移动 激光源的位置在样品表面扫描时，所接收到的声波位移信号会发生非常明显的变化。 k r o m i n e l 3 h 等人于近些年来提出的移动激光源扫查技术( s c a n n i n gl a s e rs o u r c e ) 不仅可 以对亚波长量级的表面微小缺陷进行探测，提高了对微缺陷的检测能力，而且可以利 用该技术实现大范围、高效率的表面扫查。这一研究结果为激光超声检测表面缺陷技 术走向应用奠定了基础。 该技术是采用高功率激光在样品表面聚焦为线状光斑并沿样品表面垂直于线源 长度方向进行扫查，探测点固定在缺陷的远场区域接收声表面波信号。当光源不断靠 近表面缺陷直至最后掠过缺陷时( 即使缺陷深度小于表面波中心波长) ，在样品上表面 的某一固定接收点得到的表面波位移信号在振幅，峰峰值乃至频率成分等方面都会 发生显著的变化。实验发现，接收到的声表面波信号幅度随激光源与表面缺陷的相对 1 l 位置变化很大，当激光源扫描至缺陷近场位置时，由于缺陷自由边界的反射增强，信 号幅度急剧增加，根据对信号的分析，可以检测到微缺陷位置并提取缺陷信息。为了 利用扫描激光源技术定量检测样品表面及亚表面缺陷，国外的学者利用弹性阵子点阵 模型结合有限差分的数值方法对激光源在缺陷近场激发超声波及其传播过程进行了 计算分析，其结果为研究激光声表面波和缺陷相互作用的物理机理提供了有用的方 法。 移动激光源扫查技术的出现为探测亚波长量级的表面缺陷提供了一种有力的工 具。然而到目前为止，实验及数值模拟等方面的研究工作都定性地将位移信号特征的 显著变化归结为激光源激发条件的改变，以及在表面缺陷附近发生的模式转化及声波 的干涉等现象。这些研究结果无法给出移动激光源扫查技术探测表面缺陷的物理机 理，进而采用该技术进行定量的缺陷检测还有待于理论模型研究上的突破。 2 4 本章小结 本章首先对声表面波进行了概述，重点介绍了在弯曲材料中传播的声表面波的一 些基本原理。结合激光超声检测表面缺陷的常用方法，进一步了解了激光激发声表面 波在缺陷检测方面应用的基本方法和原理。 然后介绍了近几年广受关注的移动激光源扫查技术。通过对这种技术的了解分 析，掌握了此方法的优缺点以及今后的发展方向。 3 激光在带有表面缺陷圆柱中激励声表面波的数值模拟与分析 当激光束垂直辐照到金属材料表面时，不同形状的聚焦光斑将产生具有不同特 征的超声波形。脉冲线源具有较大的作用面积，因而可以输入更多的激光能量而不 至于损伤材料表面；另外可以实现较大范围的扫描，而且产生的超声波具有方向性 好，衰减小等优点。本章基于激光超声的热弹激励机理，考虑热应力耦合效应，建 立了脉冲激光线源在带有表面缺陷的柱状材料中激励声表面波的理论模型。通过有 限元的方法进行数值模拟。通过对得到的数据进行整理，分析了沿柱状材料周向传 播的表面波的幅度，极性和频谱的变化以及引起这些变化的物理机制，得到了有关 激光声表面波与表面缺陷作用的一些结论。 3 1 带有表面凹槽型缺陷的圆柱体的热弹性理论模型 本文考虑脉冲激光经过柱状透镜会聚后垂直辐照到圆柱体的表面，由于我们的 目的是研究沿圆柱表面周向传播的表面波，所以采取在轴向上都有激光辐照这种简 化模型，如图3 1 为模型的二维截面图，是垂直于圆柱轴向所取的一个截面，心是 圆柱样品的半径。 图3 1 激光辐照模型 当脉冲激光辐照在柱状材料表面，一部分被反射，一部分被吸收，由于材料吸 收激光能量而产生局部热膨胀，引起材料中的应力分布，从而在圆柱中激发出超声 波。入射的激光束看成在长度方向的空间分布上是均匀的，激光辐照与材料之间的 能量交换中，热传导是主要过程，忽略材料与外界的对流和辐射效应。当激光辐照 1 3 到材料的表面，假设材料所吸收的能量全部转化为热能。在热弹条件下，位移场对 温度场的影响很小，可以忽略。所以耦合分析通常采用顺序耦合的方式，首先将激 光荷载视为热流输入边界进行热分析来计算模型中的瞬态温度场，然后在结构分析 中将瞬态温度场作为体载荷来计算瞬态位移场。在分析中采用极坐标系，式 ( 3 。1 1 ) ，( 3 1 2 ) 分别是极坐标系中的热传导方程和弹性波动方程： k v 2 丁( ，r ) 一p c 矿- 姜丁o ，r ) = 0 ( 3 1 1 ) 2 u ( ，+ ( 兄+ ) v ( v - 1 1 ( ，) 2p 刍u ( ，+ f l v t ( r , ( 3 1 2 ) 式中t ( r ，矽，) 是温度的瞬态空间分布，u ( r ，f ) 表示位移矢量，七为热传导率， = ( 3 五+ 2 ) 昕