激光檢測金屬缺陷中表面波傳播特性

劉 偉，閔芮莉，肖忠群，付寧凱

(江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，江西 330029)

激光超聲技術是一種新興的無損檢測技術。他將強度受到調制的激光照射在樣品表面，使材料內部非接觸地產生超聲振蕩［1］。激光超聲能同時產生縱波、橫波和聲表面波等多種模態的聲波。與傳統無損檢測相比，激光超聲檢測具有非接觸、寬帶、激發源高保真及點源接收等優點［2］，因此能在高溫、高壓、輻射等惡劣環境下進行檢測，是實驗中驗證各種復雜媒介中聲傳播理論的有效手段。

近年來，激光超聲技術發展迅速，在彈性波傳播研究、超聲無損檢測、材料表征與評價、流體成分分析以及眾多的科學與工程領域得到應用。在國內，同濟大學聲學研究所胡文祥等［3］從理論上分析了鍍層材料表面攝動表面波的傳播，并對表面波表征和反演表面層參數進行了反演;南京理工大學嚴剛等［4］利用雙波混合干涉系統研究了不同深度的缺陷對表面波的影響，但未對缺陷造成的頻率吸收做出分析。

本文利用激光檢測20#鋼的表面波傳播特性，討論不同傾斜角、不同深度的缺陷分別對表面波傳播特性的影響，并對不同探測點接收的聲表面波進行檢測，分析接收到的表面波幅值、截止頻率與缺陷傾斜角、深度的關系，得出反射波峰值時間與缺陷位置的關系。

1 實驗原理及裝置

本文采用的激光超聲裝置原理如圖1 所示，該裝置的核心部分是光干涉部分。經試塊表面反射的信號光與參考光同時射入光折變晶體，2 束光在晶體中干涉形成動態光柵，同時參考光束通過該動態光柵，在動態全息光柵中衍射變成1 個與信號光波前相同的“畸變”信號，他與受外界環境振動干擾而“畸變”的信號光束再相干涉，這樣能有效抑制外部噪聲的干擾。從光折變晶體中衍射出來的光信號［5］可以表示為

式中:AR為振幅;ωopt為角頻率;φ(t)為受動態光柵調制后的相位;γ 為光折變晶體的增益;α 為吸收系數;L 為長度。

信號光通過折變晶體時沒有受到干擾，這樣其光信號可以表示為

信號光與參考光相干涉后，經探測器輸出的信號為

圖1 激光超聲檢測裝置原理

2 實驗結果及分析

按照實驗要求加工了2 塊平面試樣，材料為20#鋼，幾何尺寸為40 mm×480 mm×20 mm，試樣實物如圖2 所示。其中，1 號試樣的缺陷深度依次為2，4，8 mm;2 號試樣為斜缺陷試樣，缺陷深度為2 mm，角度為30°、45°和70°，2 個試樣的缺陷寬度均為0.5 mm。

圖2 試樣實物

2.1 深度相同的直缺陷和斜缺陷的聲表面波探測

利用檢測裝置對1 號試樣中2mm 深的直缺陷和2 號試塊的45°斜缺陷進行檢測，檢測得到的波形如圖3 所示。

由圖3 分析可知，經直缺陷反射的聲表面波的幅度比45°斜缺陷反射的表面波幅度大。同時對試樣2 中30°和70°缺陷進行了探測，分析數據可以得出缺陷的傾斜角度與信號幅度間的關系，該關系曲線如圖4 所示。分析可知，隨著缺陷深度的不斷增加，被缺陷反射回來的聲波幅值也越大。

2.2 深度不同的直缺陷的聲表面波探測

對1 號試樣中深度為2，4，8mm 的直缺陷進行檢測，檢測的聲表面波波幅及頻譜如圖5 所示(頻率范圍內下凹點的頻率稱為截止頻率)。

觀察圖5 可知，接收的表面波幅值隨著缺陷深度的增加而減小。再觀察該組頻譜圖，可以發現，反射波的頻率譜隨深度的不斷增加有明顯的變化。該組數據得到的截止頻率與缺陷深度的關系如圖6 所示。

圖3 深度為2 mm 的直缺陷和45°斜缺陷聲表面波波形

圖4 深度相同、角度不同的缺陷與反射波幅值的關系

圖5 深度不同的直缺陷反射的表面波波幅及其頻譜

圖6 缺陷深度與截止頻率的關系

2.3 不同接收點探測聲表面波

在不同位置對1 號試樣的直缺陷(深度為2mm)進行了探測，得到的表面波波形如圖7 所示。

圖7 不同接收點接收的聲表面波波形

觀察圖7 可知，隨著接收點與聲源距離的不斷增大，接收到的入射表面波的時間逐漸向后延遲。進一步對不同位置的聲波進行了探測，得到了表面波傳播隨著探測點位置不同而變化的曲線，如圖8 所示(該圖為信號波與反射波的峰-峰值圖)。

由圖7、圖8 可分析得知入射波與反射波之間的時間間隔Δt，再根據表面波在鋼中的傳播速度可計算出缺陷與探測點的距離，即能對探測的缺陷進行準確定位。

圖8 表面波時間與探測位置的關系

3 結束語

采用激光超聲檢測系統從實驗角度研究了不同類型、不同深度的缺陷對表面波傳播特性的影響，并對不同探測點接的聲表面波進行了檢測和分析。通過分析可知:接收反射波幅值會隨缺陷傾斜角的增加而減小，透射波截止頻率會隨缺陷深度的增加而減小。最后分析了缺陷位置與回波時間的關系。實驗結果表明，激光超聲檢測技術是一種研究表面超聲波的有效手段，能對表面缺陷進行定性、定量和定位探測。

［1］Ridgway P L，Russo R E，Lafond E F.Laser ultrasonic system for online measurement of elastic properties of paper［J］. Journal of Pulp and Paper Science，2003，29(9):1-4.

［2］王洪水，徐軍.激光超聲檢測系統設計［J］.紅外與激光工程，2007，36(6):254-257.

［3］胡文祥，張世功，鹿祥鵬.用激光超聲技術檢測與表征鍍層材料參數［J］.航空制造技術，2009(S1):108-111.

［4］嚴剛.激光聲表面波用于金屬表面缺陷無損檢測的研究［D］.南京:南京理工大學，2007.

［5］Sridhar Krishnaswamy.Theory and applications of laser-ultrasonic techniques［M］.CRC Press LLC，2003.

［6］單寧.基于光纖F-P 傳感器的激光超聲測量虛擬儀器設計［J］.激光雜志，2011(1):35-36.