激光超聲檢測技術對表面缺陷的研究

郝悅 初廣宇 王云龍

摘要：激光超聲檢測技術是一種涉及光學、熱學、電學以及材料等多個學科交叉在一起的新興超聲無損檢測方法，是目前聲學檢測中的研究熱點。本文概述了激光激發與檢測方法，及聲表面波的基本性質和傳播特性，根據上述原理進行了表面缺陷檢測的研究。

關鍵詞：激光超聲;表面缺陷

1引言

激光超聲檢測技術是以激光激發超聲波和激光接收超聲波的方式實現檢測的一種無損檢測技術，能夠實現真正意義上的非接觸式無損檢測[1]-[2]。

激光超聲檢測技術不僅具有傳統超聲檢測所具有的優點，而且與傳統的無損檢測技術相比還具有其他優勢，如能在某種惡劣（如有毒、高溫高壓等）的檢測環境中進行無損檢測;實現非接觸式檢測，避免使用了耦合劑，避免了耦合劑對試樣造成的腐蝕及對檢測結果引起的影響可以在固體、液體和氣體中同時激發縱波、橫波和表面波;在時間和空間上具有極高的分辨率;可以對結構比較復雜的試樣進行檢測等優點，使激光超聲檢測可以應用于不同的領域[3]。

激光超聲檢測技術作為一種新型的無損檢測技術，在無損檢測領域已表現出了特有的優勢。隨著激光超聲檢測技術理論和實驗研究的深入，有望將其技術應用于更多的工業場所[4]-[7]。

2激光超聲和聲表面波基本理論

2.1 激光超聲激發機制

最常用的激光超聲波的產生方式主要是熱彈機制和燒蝕機制兩種。

（1）熱彈機制

照射在材料表面上的激光密度低于材料表面的損傷閾值（金屬材料閾值為10MW/cm2），一部分能量被材料表面吸收引起局部溫度的急劇升高，同時材料內部的晶格動能也隨之增加，使表面的溫度達到幾百度的高溫，由于熱脹冷縮使材料產生熱膨脹作用，產生表面切向應力，，激發出超聲波。

（2）燒蝕機制

當入射到材料表面的激光功率密度大于材料表面的損傷閾值時，表面溫度會急速升高，導致表面發生熔化、汽化現象，甚至產生等離子體，并且以很快的速度離開材料表面，對表面產生一個反作用力，從而產生超聲波，此激發方法稱為燒蝕機制。

燒蝕機制轉換效率比較高，激發效率可以達到熱彈機制激發效率的4倍，但燒蝕機制會對材料表面造成的損傷。因此對于某些場合，燒蝕機制通常用來產生縱波。

熱彈機制激發超聲波符合無損檢測的特點，沒有對材料表面造成損傷，能產生多種波形，如橫波、縱波和表面波，而且產生的波形較易控制、重復性好，所以在無損檢測技術中得到廣泛的應用。

2.2激光超聲檢測方法

通常將激光超聲檢測方法分為電學檢測法和光學檢測法兩種。。其中電學檢測法是利用換能器來接收超聲波信號的，必須與試樣接觸或者非常接近試樣表面才能進行檢測[8]。

光學檢測法接收超聲波信號可以遠距離檢測，實現了真正意義上的非接觸檢測，克服了傳統超聲檢測需要耦合劑的缺點。光學檢測法分為干涉和非干涉檢測法。其中干涉檢測法包括：零差干涉、外差干涉等方法。

（1）零差干涉技術

其工作原理就是激光束通過被分成兩束光束，一束通過透鏡聚焦照射在試樣表面上，被試樣表面反射后經過分束鏡進入光電探測器。另一束光被反射鏡反射后，進入光電探測器。兩路激光束在光電探測器中發生干涉。通過檢測干涉光的相位解調，可以得出試樣的振動位移。

（2）差分干涉技術

其工作原理：激光器發射的脈沖激光束經過分束鏡分成兩路光路。兩束光通過不同的傳播路徑照射在試樣表面的同一點上，兩束光干涉后反射，通過透鏡聚焦，進入光電探測器。分析光電探測器接收到的光強，可以判斷超聲波在試樣中的傳播情況。

（3）光偏轉技術（刀刃法）

其工作原理：激光束通過聚焦透鏡聚焦到受超聲擾動的試樣表面上，受到擾動的試樣表面又受到連續超聲波傳播產生的波紋或脈沖波的影響使試樣表面發生局部傾斜。如果照射到試樣表面上的檢測光束直徑小于試樣中傳播的超聲波波長時，發生偏轉的反射光攜帶超聲波的信息，通過聚焦透鏡，光束被分成兩部分，一半光經過焦透鏡聚焦到光電探測器上進行檢測，另一半光被刀刃擋住。

光偏轉技術結構簡單、頻帶寬，但是該技術對低頻信號靈敏度低，并且要求試樣表面非常光潔，難以用于粗糙表面的試樣。

3、應用

3.1檢測系統

本實驗主要由激光超聲激發部分、激光超聲接收部分及信號處理部分組成。此實驗用激光發射、激光接收的方式，實現非接觸檢測。

搭建的激光超聲表面缺陷檢測系統如圖3-1所示。

3.2實驗結果分析

實驗中激光超聲波的激發點和接收點分別放在試樣同側，實驗示意圖如圖3-2所示。

3.2.1對缺陷的響應

在表面無缺陷和有缺陷位置獲得表面波信號如圖3-3所示。

3.2.2不同表面缺陷深度的分析

本節實驗使用三個不同深度（缺陷長寬尺寸不變）的表面槽型缺陷，缺陷區域缺陷深度a<缺陷深度b<。缺陷深度實驗中激發點與接收點的位置固定不變，保持其他實驗各項參數不變。

實驗中激發點、接收點距離不變，因此R波的傳播時間不變及幅值不變，因此只對反射波RR進行分析.

可以看出，表面缺陷深度越深，激光接收到的反射波的幅值越大。這是因為當表面缺陷深度越深，表面波的反射作用越強，傳播過去的波被表面缺陷阻擋的反射能量就越多，導致接收到的反射波的幅值變大。

4 總結與展望

本文的實驗研究為激光超聲無損檢測對表面缺陷的檢測提供了一種新方法，為以后利用激光超聲無誤檢測方法對表面缺陷的定位以及定量分析提供了參考依據。

雖然對激光超聲檢測對表面缺陷的研究進行了研究，但是未來對激光超聲無損的研究工作需要進一步的探索、分析和解決。

雖然對激光超聲檢測方法進行了研究，但激光超聲無損檢測的研究還有很長的一段路需要走，對激光超聲無損的研究工作需要進一步的探索、分析和解決。未來激光超聲檢測技術將會得到更廣泛的應用，在各方面取得新的進展和突破

參考文獻

[1]魏勤， 尤建飛. 超聲C掃描系統在顆粒增強型金屬基復合材料無損檢測中的應用[J]. 江蘇科技大學學報自然科學版， 2003， 17（3）： 66-69.

[2]周正干， 肖鵬， 劉航航. 航空復合材料先進超聲無損檢測技術[J]. 航空制造技術， 2013， 424（4）： 38-43.

[3]譚項林. 激光超聲無損檢測系統關鍵技術研究[D]. 國防科學技術大學， 2011.

[4]韓昌佩. 激光超聲波檢測金屬表面缺陷的理論及實驗研究[D]. 南京理工大學， 2012.

[5]Hoyes J B， Shan Q， Dewhurst R J. A non-contact scanning system for laser ultrasonic defect imaging[J]. Measurement Science & Technology， 1991， 2（7）： 628.

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[7]蘇琨， 任大海. 基于激光超聲的微裂紋檢測技術的研究[J]. 光學技術， 2002， 28（6）：518-519.

[8]錢夢騄. 激光超聲檢測及其應用[J]. 激光與光電子學進展，2005，（04）：53-57.

（作者單位：中國航空規劃設計研究總院有限公司）