激光检测金属缺陷中表面波传播特性

刘 伟，闵芮莉，肖忠群，付宁凯

(江西省锅炉压力容器检验检测研究院，江西 330029)

激光超声技术是一种新兴的无损检测技术。他将强度受到调制的激光照射在样品表面，使材料内部非接触地产生超声振荡［1］。激光超声能同时产生纵波、横波和声表面波等多种模态的声波。与传统无损检测相比，激光超声检测具有非接触、宽带、激发源高保真及点源接收等优点［2］，因此能在高温、高压、辐射等恶劣环境下进行检测，是实验中验证各种复杂媒介中声传播理论的有效手段。

近年来，激光超声技术发展迅速，在弹性波传播研究、超声无损检测、材料表征与评价、流体成分分析以及众多的科学与工程领域得到应用。在国内，同济大学声学研究所胡文祥等［3］从理论上分析了镀层材料表面摄动表面波的传播，并对表面波表征和反演表面层参数进行了反演;南京理工大学严刚等［4］利用双波混合干涉系统研究了不同深度的缺陷对表面波的影响，但未对缺陷造成的频率吸收做出分析。

本文利用激光检测20#钢的表面波传播特性，讨论不同倾斜角、不同深度的缺陷分别对表面波传播特性的影响，并对不同探测点接收的声表面波进行检测，分析接收到的表面波幅值、截止频率与缺陷倾斜角、深度的关系，得出反射波峰值时间与缺陷位置的关系。

1 实验原理及装置

本文采用的激光超声装置原理如图1 所示，该装置的核心部分是光干涉部分。经试块表面反射的信号光与参考光同时射入光折变晶体，2 束光在晶体中干涉形成动态光栅，同时参考光束通过该动态光栅，在动态全息光栅中衍射变成1 个与信号光波前相同的“畸变”信号，他与受外界环境振动干扰而“畸变”的信号光束再相干涉，这样能有效抑制外部噪声的干扰。从光折变晶体中衍射出来的光信号［5］可以表示为

式中:AR为振幅;ωopt为角频率;φ(t)为受动态光栅调制后的相位;γ 为光折变晶体的增益;α 为吸收系数;L 为长度。

信号光通过折变晶体时没有受到干扰，这样其光信号可以表示为

信号光与参考光相干涉后，经探测器输出的信号为

图1 激光超声检测装置原理

2 实验结果及分析

按照实验要求加工了2 块平面试样，材料为20#钢，几何尺寸为40 mm×480 mm×20 mm，试样实物如图2 所示。其中，1 号试样的缺陷深度依次为2，4，8 mm;2 号试样为斜缺陷试样，缺陷深度为2 mm，角度为30°、45°和70°，2 个试样的缺陷宽度均为0.5 mm。

图2 试样实物

2.1 深度相同的直缺陷和斜缺陷的声表面波探测

利用检测装置对1 号试样中2mm 深的直缺陷和2 号试块的45°斜缺陷进行检测，检测得到的波形如图3 所示。

由图3 分析可知，经直缺陷反射的声表面波的幅度比45°斜缺陷反射的表面波幅度大。同时对试样2 中30°和70°缺陷进行了探测，分析数据可以得出缺陷的倾斜角度与信号幅度间的关系，该关系曲线如图4 所示。分析可知，随着缺陷深度的不断增加，被缺陷反射回来的声波幅值也越大。

2.2 深度不同的直缺陷的声表面波探测

对1 号试样中深度为2，4，8mm 的直缺陷进行检测，检测的声表面波波幅及频谱如图5 所示(频率范围内下凹点的频率称为截止频率)。

观察图5 可知，接收的表面波幅值随着缺陷深度的增加而减小。再观察该组频谱图，可以发现，反射波的频率谱随深度的不断增加有明显的变化。该组数据得到的截止频率与缺陷深度的关系如图6 所示。

图3 深度为2 mm 的直缺陷和45°斜缺陷声表面波波形

图4 深度相同、角度不同的缺陷与反射波幅值的关系

图5 深度不同的直缺陷反射的表面波波幅及其频谱

图6 缺陷深度与截止频率的关系

2.3 不同接收点探测声表面波

在不同位置对1 号试样的直缺陷(深度为2mm)进行了探测，得到的表面波波形如图7 所示。

图7 不同接收点接收的声表面波波形

观察图7 可知，随着接收点与声源距离的不断增大，接收到的入射表面波的时间逐渐向后延迟。进一步对不同位置的声波进行了探测，得到了表面波传播随着探测点位置不同而变化的曲线，如图8 所示(该图为信号波与反射波的峰-峰值图)。

由图7、图8 可分析得知入射波与反射波之间的时间间隔Δt，再根据表面波在钢中的传播速度可计算出缺陷与探测点的距离，即能对探测的缺陷进行准确定位。

图8 表面波时间与探测位置的关系

3 结束语

采用激光超声检测系统从实验角度研究了不同类型、不同深度的缺陷对表面波传播特性的影响，并对不同探测点接的声表面波进行了检测和分析。通过分析可知:接收反射波幅值会随缺陷倾斜角的增加而减小，透射波截止频率会随缺陷深度的增加而减小。最后分析了缺陷位置与回波时间的关系。实验结果表明，激光超声检测技术是一种研究表面超声波的有效手段，能对表面缺陷进行定性、定量和定位探测。

［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，徐军.激光超声检测系统设计［J］.红外与激光工程，2007，36(6):254-257.

［3］胡文祥，张世功，鹿祥鹏.用激光超声技术检测与表征镀层材料参数［J］.航空制造技术，2009(S1):108-111.

［4］严刚.激光声表面波用于金属表面缺陷无损检测的研究［D］.南京:南京理工大学，2007.

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

［6］单宁.基于光纤F-P 传感器的激光超声测量虚拟仪器设计［J］.激光杂志，2011(1):35-36.