林中亞 王雨軒 趙曦明 戰(zhàn)宇

摘 要：該文采用自主研發(fā)的一套非接觸、高精度的激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)脈沖激光在薄鋁板中激發(fā)的超聲表面波信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用調(diào)Q脈沖激光器在鋁板樣品中激發(fā)超聲表面波信號(hào)，超聲表面波由激光多普勒測(cè)振計(jì)接收，接入示波器，記錄與超聲振動(dòng)對(duì)應(yīng)的電信號(hào)；同時(shí)光電探測(cè)器接收樣品表面的反射光信號(hào)提供時(shí)間原點(diǎn)的參考接入示波器。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的波形具有典型的表面波對(duì)心、雙極的特點(diǎn)，表明該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠激發(fā)并接收到性能良好的超聲表面波；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理和分析，得到表面波在鋁板中的傳播速度，與理論解吻合良好，表明該實(shí)驗(yàn)方法在超聲表面波波速測(cè)量上有很高的精度和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：激光超聲 表面波波速無(wú)損檢測(cè) 線性擬合

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0028-03

Laser-induced Ultrasonic Surface Wave Velocity

Lin Zhongya Wang Yuxuan Zhao Ximing Zhan Yu

（Northeastern University，Shenyang Liaoning，110004，China）

Abstract：This article usesof a set of non-contact，high precision laser ultrasonic experiment system which was independent research and developed .The pulse laser excitation in the thin aluminum plate surface of the ultrasonic wave signal has carried on the experimental study. Using the pulse tuning-Q laser in aluminum plate samples inspire ultrasonic surface wave signals ，Ultrasonic surface wave received by the doppler vibration meter， and the oscilloscope records the corresponding electrical signals which caused by ultrasonic vibration. And photoelectric detector as reference time the origin of the reflected light signal of sample surface access to the oscilloscope. Experiments of measured waveform as the typical surface wave characteristics of central and bipolar， which shows that the experiment system can motivate and receives the good performance of the ultrasonic surface wave .By extracting， processing and analyzing to experimental data， we got that the propagation velocity of surface wave in the aluminum plate is good agree with the theoretical solution .This conclusion indicates that the experimental method which measures the ultrasonic surface wave velocity has high precision and application prospect.

Key Words：Laser-induced ultrasonic；Surface wave velocity；Nondestructive testing；Linear fitting

工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)材料力學(xué)性能參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低材料損耗，具有十分重要的意義。然而，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法由于其局限性，在高溫、高壓、高濕以及被測(cè)工件具有較快的運(yùn)動(dòng)速度等限制條件下并不能滿足測(cè)試要求[1]。激光超聲檢測(cè)技術(shù)利用脈沖激光激發(fā)和檢測(cè)超聲波，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)、獲取材料參數(shù)信息，它的出現(xiàn)成功彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺陷。

近年來(lái)，由于激光超聲技術(shù)具有非接觸、無(wú)損傷、靈敏度高、精度高、設(shè)備簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，已逐漸成為材料無(wú)損檢測(cè)的一種重要手段和發(fā)展方向，在材料的殘余應(yīng)力檢測(cè)[4-5]、表面缺陷檢測(cè)[6-7]、材料力學(xué)性能測(cè)量[8]等方面得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用激光超聲技術(shù)測(cè)量各項(xiàng)同性材料的超聲表面波波速具有無(wú)損傷、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)對(duì)表面波的精確測(cè)量，可以為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)材料裂紋、金屬焊接裂縫等的測(cè)量打下基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)采用激光誘導(dǎo)超聲技術(shù)，精確測(cè)量出樣品的表面波波速，并分析了誤差的產(chǎn)生原因。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

激光超聲是指利用高能量的脈沖激光與工件表面的瞬時(shí)熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，形成熱應(yīng)力，進(jìn)而在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，其激發(fā)機(jī)制有熱彈性機(jī)制和燒蝕機(jī)制兩種[9]。本實(shí)驗(yàn)采用熱彈性機(jī)制在樣品表面激發(fā)超聲波，如圖1所示：當(dāng)入射脈沖激光功率密度較小，不足以使工件表面融化時(shí)，激光的能量一部分被反射，另一部分被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，使樣品表面產(chǎn)生幾十到幾百度的局部升溫，引起熱膨脹而產(chǎn)生表面切應(yīng)力[10]，同時(shí)激發(fā)出橫波、縱波、表面波[11-13]。熱彈性機(jī)制條件下，材料表層的局部升溫并沒有導(dǎo)致任何變形，因而具有嚴(yán)格的無(wú)損檢測(cè)特點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示，Dawa-100型脈沖激光器產(chǎn)生能量100 mJ，頻率20 Hz，脈寬8 ns的脈沖激光，作用在規(guī)格為300×200×20 mm的鋁板表面，樣品表面吸收能量溫度升高，引起熱膨脹而產(chǎn)生超聲波。LV-S01-DB型多普勒測(cè)振計(jì)發(fā)出的連續(xù)探測(cè)激光照射在樣品上，經(jīng)樣品表面的反射光發(fā)生多普勒效應(yīng)和干涉現(xiàn)象，即可得到超聲波信號(hào)。然而鋁板表面較為粗糙、對(duì)激光的反射能力較弱，實(shí)驗(yàn)時(shí)為增強(qiáng)鋁板表面反射信號(hào)的強(qiáng)度、提高信噪比和穩(wěn)定波形，在探測(cè)光照射處貼上一層反射膜。光電探測(cè)器對(duì)光的改變極為敏感，將其斜置于樣品前側(cè)面，通過(guò)接收樣品表面的反射光信號(hào)提供時(shí)間原點(diǎn)。將多普勒振動(dòng)計(jì)和光電探測(cè)器接入Tektronix-DPO4102B-L型示波器，可得到表面波波形和波的參考時(shí)間原點(diǎn)，進(jìn)而可得到波的傳播時(shí)間，測(cè)量激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，利用公式即可求得表面波波速。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量與處理：

利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行超聲波的激發(fā)和檢測(cè)。將脈沖激光器即激發(fā)點(diǎn)固定，通過(guò)移動(dòng)多普勒振動(dòng)計(jì)來(lái)改變接收點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)的距離，在不同的適當(dāng)位置接收并記錄超聲信號(hào)的波形數(shù)據(jù)和傳播時(shí)間。由于表面波的能量集中在表層，表面波傳播時(shí)能量衰減很小，故在短距離內(nèi)探測(cè)時(shí)幅值基本不變。圖3為探測(cè)到的超聲脈沖信號(hào)，第一個(gè)單極信號(hào)為干擾波，在激光器發(fā)出頻閃光時(shí)就會(huì)出現(xiàn)，之后一個(gè)超聲信號(hào)呈明顯對(duì)心、雙極特性，為典型的激光激發(fā)的聲表面波信號(hào)。

移動(dòng)多普勒振動(dòng)計(jì)的位置，記不同的激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離為（），每個(gè)對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間為（）。由于多普勒振動(dòng)計(jì)本身存在時(shí)間延遲，故示波器上兩個(gè)波形之間取得的時(shí)間并不能完全精確表示距離下表面波的傳播時(shí)間，為避免一起本身帶來(lái)的誤差，實(shí)驗(yàn)不直接使用公式來(lái)計(jì)算波速。這里，采用對(duì)和進(jìn)行線性擬合的方法來(lái)消除儀器固有誤差。擬合時(shí)以x軸表示時(shí)間，y軸表示位移，理論上會(huì)得到一條在x軸上截距為正的擬合直線，直線的斜率k即為表面波的波速。

由于是采用線性擬合的方法計(jì)算波速，故取值時(shí)只需保證每次都以兩條波上相同的特征點(diǎn)作為波形傳播的起點(diǎn)和終點(diǎn)即可。本實(shí)驗(yàn)中的取值采用圖4所示方法：從光電探頭的峰值點(diǎn)開始，到表面波的第一個(gè)峰值點(diǎn)止，這一段時(shí)間作為該接收點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)的距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

根據(jù)上訴選取方法，經(jīng)多次測(cè)量，得到的7個(gè)不同接收點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)的距離和對(duì)應(yīng)的時(shí)間的值如表1所示。

對(duì)以上七組數(shù)據(jù)用origin軟件進(jìn)行線性擬合，擬合直線如圖5所示。由圖5可知，實(shí)驗(yàn)所得的7個(gè)點(diǎn)基本嚴(yán)格分布在一條直線上，與理論推導(dǎo)結(jié)果相同。由軟件擬合的結(jié)果分析可得與的擬合直線方程為：

（1）

擬合直線斜率k=2861.80，即表面波波速 m/s。這與理論表面波波速2880 m/s為接近，驗(yàn)證了該方法的可取性。

3 誤差分析

激光超聲無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)量表面波波速的誤差主要來(lái)源有：儀器固有誤差、激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)距離的測(cè)量誤差、時(shí)間的讀取誤差等。

實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用線性擬合的方法，很好的解決了多普勒振動(dòng)計(jì)帶來(lái)的儀器固有誤差，并通過(guò)多次測(cè)量接收點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)的距離取平均值和多次讀取波傳播時(shí)間取平均值的方法，減小了和的測(cè)量和讀取誤差。通過(guò)對(duì)表面波波形的測(cè)量以及對(duì)表面波波速的數(shù)據(jù)分析，得出表面波波速為 2861.80 m/s，與理論表面波波速2880 m/s極為接近，相對(duì)誤差：

=（2880-2861.80）/2880*100%=

0.63% （2）

誤差分析表明，用激光超聲技術(shù)測(cè)量樣品的超聲表面波聲速具有較高的精度，能夠滿足工程及科學(xué)研究的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的非接觸、高精度的激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)脈沖激光在薄鋁板中激發(fā)的超聲表面波信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)超聲表面波的激發(fā)并接收，且表面波波形具有典型的對(duì)心、雙極的特點(diǎn)。（2）利用激光超聲技術(shù)可以精確的測(cè)量出物體的表面波波速，實(shí)現(xiàn)完全非接觸、高精度的測(cè)量，激光超聲檢測(cè)技術(shù)在更深入的以表面波檢測(cè)為基礎(chǔ)的材料裂縫檢測(cè)、金屬焊接缺陷檢測(cè)等研究領(lǐng)域會(huì)有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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