劉 偉，閔芮莉，肖忠群，付寧凱

(江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，江西 330029)

激光超聲技術(shù)是一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。他將強(qiáng)度受到調(diào)制的激光照射在樣品表面，使材料內(nèi)部非接觸地產(chǎn)生超聲振蕩［1］。激光超聲能同時(shí)產(chǎn)生縱波、橫波和聲表面波等多種模態(tài)的聲波。與傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)相比，激光超聲檢測(cè)具有非接觸、寬帶、激發(fā)源高保真及點(diǎn)源接收等優(yōu)點(diǎn)［2］，因此能在高溫、高壓、輻射等惡劣環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，是實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證各種復(fù)雜媒介中聲傳播理論的有效手段。

近年來(lái)，激光超聲技術(shù)發(fā)展迅速，在彈性波傳播研究、超聲無(wú)損檢測(cè)、材料表征與評(píng)價(jià)、流體成分分析以及眾多的科學(xué)與工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所胡文祥等［3］從理論上分析了鍍層材料表面攝動(dòng)表面波的傳播，并對(duì)表面波表征和反演表面層參數(shù)進(jìn)行了反演;南京理工大學(xué)嚴(yán)剛等［4］利用雙波混合干涉系統(tǒng)研究了不同深度的缺陷對(duì)表面波的影響，但未對(duì)缺陷造成的頻率吸收做出分析。

本文利用激光檢測(cè)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(duì)表面波傳播特性的影響，并對(duì)不同探測(cè)點(diǎn)接收的聲表面波進(jìn)行檢測(cè)，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(guān)系，得出反射波峰值時(shí)間與缺陷位置的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)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(jīng)試塊表面反射的信號(hào)光與參考光同時(shí)射入光折變晶體，2 束光在晶體中干涉形成動(dòng)態(tài)光柵，同時(shí)參考光束通過(guò)該動(dòng)態(tài)光柵，在動(dòng)態(tài)全息光柵中衍射變成1 個(gè)與信號(hào)光波前相同的“畸變”信號(hào)，他與受外界環(huán)境振動(dòng)干擾而“畸變”的信號(hào)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(lái)的光信號(hào)［5］可以表示為

式中:AR為振幅;ωopt為角頻率;φ(t)為受動(dòng)態(tài)光柵調(diào)制后的相位;γ 為光折變晶體的增益;α 為吸收系數(shù);L 為長(zhǎng)度。

信號(hào)光通過(guò)折變晶體時(shí)沒(méi)有受到干擾，這樣其光信號(hào)可以表示為

信號(hào)光與參考光相干涉后，經(jīng)探測(cè)器輸出的信號(hào)為

圖1 激光超聲檢測(cè)裝置原理

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照實(shí)驗(yàn)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(shí)物如圖2 所示。其中，1 號(hào)試樣的缺陷深度依次為2，4，8 mm;2 號(hào)試樣為斜缺陷試樣，缺陷深度為2 mm，角度為30°、45°和70°，2 個(gè)試樣的缺陷寬度均為0.5 mm。

圖2 試樣實(shí)物

2.1 深度相同的直缺陷和斜缺陷的聲表面波探測(cè)

利用檢測(cè)裝置對(duì)1 號(hào)試樣中2mm 深的直缺陷和2 號(hào)試塊的45°斜缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)得到的波形如圖3 所示。

由圖3 分析可知，經(jīng)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(shí)對(duì)試樣2 中30°和70°缺陷進(jìn)行了探測(cè)，分析數(shù)據(jù)可以得出缺陷的傾斜角度與信號(hào)幅度間的關(guān)系，該關(guān)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(lái)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(cè)

對(duì)1 號(hào)試樣中深度為2，4，8mm 的直缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的聲表面波波幅及頻譜如圖5 所示(頻率范圍內(nèi)下凹點(diǎn)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(fā)現(xiàn)，反射波的頻率譜隨深度的不斷增加有明顯的變化。該組數(shù)據(jù)得到的截止頻率與缺陷深度的關(guān)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(guān)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(guān)系

2.3 不同接收點(diǎn)探測(cè)聲表面波

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

圖7 不同接收點(diǎn)接收的聲表面波波形

觀察圖7 可知，隨著接收點(diǎn)與聲源距離的不斷增大，接收到的入射表面波的時(shí)間逐漸向后延遲。進(jìn)一步對(duì)不同位置的聲波進(jìn)行了探測(cè)，得到了表面波傳播隨著探測(cè)點(diǎn)位置不同而變化的曲線，如圖8 所示(該圖為信號(hào)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(shí)間間隔Δt，再根據(jù)表面波在鋼中的傳播速度可計(jì)算出缺陷與探測(cè)點(diǎn)的距離，即能對(duì)探測(cè)的缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖8 表面波時(shí)間與探測(cè)位置的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

采用激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)角度研究了不同類型、不同深度的缺陷對(duì)表面波傳播特性的影響，并對(duì)不同探測(cè)點(diǎn)接的聲表面波進(jìn)行了檢測(cè)和分析。通過(guò)分析可知:接收反射波幅值會(huì)隨缺陷傾斜角的增加而減小，透射波截止頻率會(huì)隨缺陷深度的增加而減小。最后分析了缺陷位置與回波時(shí)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光超聲檢測(cè)技術(shù)是一種研究表面超聲波的有效手段，能對(duì)表面缺陷進(jìn)行定性、定量和定位探測(cè)。

［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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［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(shù)檢測(cè)與表征鍍層材料參數(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2009(S1):108-111.

［4］嚴(yán)剛.激光聲表面波用于金屬表面缺陷無(wú)損檢測(cè)的研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.

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

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