王敬時(shí)，徐曉東，程營(yíng) ，劉曉峻

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利用激光超聲技術(shù)研究表面微結(jié)構(gòu)材料中瑞利波的傳播特性

王敬時(shí)1,2，徐曉東2，程營(yíng)2，劉曉峻2

(1. 南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通 226019；2. 南京大學(xué)近代聲學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210093)

利用激光超聲無(wú)損檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法，觀察記錄了瑞利波在具有不同表面微結(jié)構(gòu)厚鋁板中的傳播過(guò)程，研究了表面微結(jié)構(gòu)的聲傳輸特性。對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行了分組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在一定深度范圍內(nèi)，表面微結(jié)構(gòu)具有明顯的分頻效應(yīng)。瑞利波中相對(duì)高頻的部分被反射，反射信號(hào)通帶帶寬主要受制于微結(jié)構(gòu)的深度，其能量主要受微結(jié)構(gòu)寬度影響。相對(duì)低頻部分沿表面繼續(xù)傳播，因此表面微結(jié)構(gòu)同時(shí)具有一定的低通濾波效應(yīng)。

激光超聲；分頻；表面微結(jié)構(gòu)；瑞利波；低通濾波

0 引言

瑞利波屬于廣義聲表面波，僅在固體材料表面和近表面?zhèn)鞑?，隨著深度的增加迅速衰減。由于瑞利波的近表面?zhèn)鞑ヌ匦?，目前已被廣泛地應(yīng)用于傳播介質(zhì)表面和近表面性質(zhì)表征方面，如微結(jié)構(gòu)、邊界特征、均一性等[1]。一方面，利用瑞利波在非均勻介質(zhì)中的色散效應(yīng)可以反演傳播介質(zhì)的彈性性質(zhì)[2]；另一方面，瑞利波脈沖對(duì)介質(zhì)表面結(jié)構(gòu)非常敏感，通過(guò)檢測(cè)反射波的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面和近表面缺陷的檢測(cè)和定位[3]，為特殊材料和微結(jié)構(gòu)的檢測(cè)提供一種新方法。目前，人們對(duì)于介質(zhì)表面和近表面的瑞利波傳導(dǎo)過(guò)程和動(dòng)力機(jī)制做了一定理論研究[4,5]，并建立了利用介質(zhì)表面微結(jié)構(gòu)調(diào)制聲波傳輸特性的相關(guān)理論模型[6-10]。然而，很少有關(guān)于表面微結(jié)構(gòu)聲傳輸特性方面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和研究的報(bào)道，仍有許多問(wèn)題值得深入分析。

隨著聲學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)和微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，光聲光熱技術(shù)在理論研究和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)領(lǐng)域都獲得了迅速發(fā)展，其中熱彈機(jī)制下的激光超聲檢測(cè)技術(shù)由于不損傷介質(zhì)表面，已成為無(wú)損檢測(cè)的重要手段之一。本文中利用熱彈效應(yīng)和光偏轉(zhuǎn)法建立激光超聲無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用激光束作為探針檢測(cè)傳播介質(zhì)表面位移，表征其中聲波的傳播特性，記錄并研究了具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)表面微結(jié)構(gòu)的厚鋁板中瑞利波的傳播過(guò)程。通過(guò)對(duì)瑞利波波形和頻譜的分析證實(shí)了材料表面缺陷具有明顯的低通濾波效應(yīng)，探討了表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)透射聲波傳播的影響。

1 激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

本文引入一種改進(jìn)的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，其示意圖如圖1所示。樣品兩端和頂端自由，底端固定在光學(xué)減震平臺(tái)上。將Nd:YAG激光器發(fā)出的高能脈沖激光經(jīng)過(guò)三棱鏡(P1)、柱面透鏡(L1)聚焦為單線源照射在樣品上表面，激發(fā)聲波信號(hào)，激發(fā)脈沖上升時(shí)間為4 ns、能量為170 mJ、聚焦線源半寬度為0.1 mm。檢測(cè)信號(hào)為激光二極管產(chǎn)生空間上按高斯分布的激光束，并通過(guò)一個(gè)聚焦透鏡(L2)聚焦為盡量小的光斑照射在樣品表面。反射光束再次通過(guò)一個(gè)透鏡(L3)準(zhǔn)直照射在兩塊可調(diào)平面鏡(M3)上，反射光束將被一分為二形成兩束檢測(cè)光。兩束檢測(cè)光通過(guò)透鏡(L4)聚焦后由光電平衡器(BPR)的兩個(gè)光敏二極管接收，其中BPR的前置放大電路由一個(gè)差分放大器構(gòu)成。

圖1 激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

樣品表面靜止時(shí)，通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)光路使檢測(cè)光束被M3的兩塊平面鏡平分，BPR接收到的兩束檢測(cè)光能量相等，示波器輸出為零，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。瑞利波傳播過(guò)程中，樣品表面發(fā)生形變，由樣品表面反射的檢測(cè)光束隨之偏轉(zhuǎn)，照射在M3上的光斑也會(huì)隨之發(fā)生位移，分別如圖2(a)和2(b)中所示。BPR兩個(gè)輸入端的光電平衡將被破壞，兩個(gè)輸入端所接收的信號(hào)強(qiáng)度的差值與反射光路偏轉(zhuǎn)角度即樣品的形變程度和聲波的傳播特性密切相關(guān)。這一差值的變化由光敏二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)為示波器顯示并記錄。

如圖2(b)中所示，以M3的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，平面鏡M3上下沿平行方向?yàn)榉较颍怪狈较驗(yàn)榉较?，建立笛卡爾坐?biāo)系。系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，經(jīng)透鏡L3聚焦后的光斑中心落于坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的能量分布可以表示為：

其中：0為檢測(cè)激光束中心能量幅值；為檢測(cè)激光束照射在M3上的光斑半徑。光束被M3兩塊平面鏡分開(kāi)后，兩部分光強(qiáng)可以分別表示為：

其中，是光斑中心相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移。系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)仔細(xì)調(diào)節(jié)光路，使趨于零。

當(dāng)聲波信號(hào)通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，照射在M3上的光斑也將隨之偏移，令其為，如圖2(b)中虛線所示，此時(shí)，M3的兩個(gè)反射鏡的反射光強(qiáng)的變化可分別表示為：

兩束檢測(cè)光經(jīng)聚焦后分別照射在BPR的兩個(gè)光敏二極管上，令兩個(gè)光敏二極管的轉(zhuǎn)換效率為η，則差分后的輸出信號(hào)可表示為

另一方面，考慮樣品表面的情況，瑞利波的傳播導(dǎo)致樣品表面發(fā)生微小形變，并導(dǎo)致反射光束的偏轉(zhuǎn)，如圖2(a)所示。令波傳播的方向?yàn)榉较?，深度方向?yàn)榉较?，樣品中聲?chǎng)可以表示為：

令聚焦透鏡L3的焦距為3，由幾何光學(xué)中小角度近似可知，光斑的偏移可表示為

將式(6)、(10)聯(lián)立，BPR輸出信號(hào)可表示為：

對(duì)于由多頻率成分組成的聲波信號(hào)，式(11)可展開(kāi)為：

2 樣品檢測(cè)和結(jié)果分析

利用激光溶蝕的方法在鋁塊上表面加工特定結(jié)構(gòu)參數(shù)的空氣槽，檢測(cè)中使聚焦后的激光線源與表面空氣槽平行，在樣品表面?zhèn)鞑サ穆暡梢越茷槠矫娌?，將三維問(wèn)題化簡(jiǎn)為二維問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中使用厚鋁板作為基體，定義表面微結(jié)構(gòu)深度為、寬度為，反射聲波檢測(cè)點(diǎn)A距激發(fā)點(diǎn)距離為1，透射聲波檢測(cè)點(diǎn)B距激發(fā)點(diǎn)距離為2，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中使用的樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)位置參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)中使用的示波器采樣頻率為50 MHz。

圖3 樣品結(jié)構(gòu)示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)位置參數(shù)表

2.1 表面微結(jié)構(gòu)深度對(duì)反射頻譜的影響

瑞利波沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ㈦S著深度的增加按指數(shù)衰減，故而表面微結(jié)構(gòu)對(duì)樣品中的聲波有很強(qiáng)的反射和散射作用。選取具有相同寬度= 2 mm，不同深度表面結(jié)構(gòu)的樣品A(=0.3 mm)、樣品C(=0.75 mm)和樣品D(=1.70 mm)探討微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反射聲信號(hào)的影響。

圖4(a)、4(b)分別為樣品A、C和D表面檢測(cè)到的瑞利波入射信號(hào)和反射信號(hào)頻響曲線歸一化后的對(duì)比圖，黑色粗實(shí)線與頻譜曲線交點(diǎn)為信號(hào)通帶的頻率截止點(diǎn)。三次實(shí)驗(yàn)中保持相同的激光脈沖激發(fā)，三個(gè)樣品表面探測(cè)到受激產(chǎn)生的入射信號(hào)通帶帶寬基本相同，約為9.5 MHz。由于三次實(shí)驗(yàn)光路校準(zhǔn)和光學(xué)聚焦中的些許不同以及樣品加工精度導(dǎo)致的物理屬性的細(xì)微差別，入射信號(hào)通帶位置略有不同，相應(yīng)的反射信號(hào)也存在一定的頻移。圖4(b)中顯示，隨著微結(jié)構(gòu)深度的增加，探測(cè)點(diǎn)A處接收到的反射信號(hào)通帶不斷擴(kuò)展，瑞利波在樣品表面?zhèn)鞑r(shí)所受的阻擋越來(lái)越強(qiáng)，更多頻率成分被表面結(jié)構(gòu)反射。

圖4 樣品A、樣品C和樣品D中入射波、反射波歸一化頻響曲線對(duì)比

如圖4所示，具有同寬表面結(jié)構(gòu)的樣品中，當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度為0.3 mm時(shí)(樣品A)，入射信號(hào)通帶帶寬為9.92 MHz，反射信號(hào)帶寬為5.49 MHz，反射比(反射信號(hào)帶寬與入射信號(hào)帶寬比值)為55.34%；當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度增加到1.7 mm時(shí)(樣品D)，入射信號(hào)帶寬為9.08 MHz，變化不大，反射信號(hào)帶寬增加到11.91 MHz，反射比提高到131.17%，此時(shí)，反射信號(hào)帶寬已超過(guò)入射信號(hào)，反射比大于1。這主要是由于樣品對(duì)在其表面?zhèn)鞑ヂ暡ǖ母黝l率成分反射系數(shù)不同，反射信號(hào)的通帶帶寬可能超過(guò)入射信號(hào)。樣品C表面結(jié)構(gòu)深度介于樣品A和D之間，檢測(cè)到的反射聲波帶寬和反射比也介于兩者之間?？梢?jiàn)，微結(jié)構(gòu)的深度對(duì)反射信號(hào)的通帶帶寬有明顯影響。瑞利波在傳播過(guò)程中遇到表面微結(jié)構(gòu)，低頻部分由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在衍射作用下可直接跨過(guò)繼續(xù)傳播，而高頻成分在微結(jié)構(gòu)處發(fā)生反射和散射，故而反射信號(hào)的通帶帶寬主要受制于表面結(jié)構(gòu)的深度。

2.2 表面微結(jié)構(gòu)寬度對(duì)反射頻譜的影響

比較圖5中兩組曲線可得，樣品C(=2.0 mm)中入射信號(hào)通帶為4.89~15.04 MHz(帶寬10.15 MHz)；反射信號(hào)通帶為8.32~15.93 MHz(帶寬7.61 MHz)。樣品E (=0.5 mm)中入射信號(hào)通帶為4.24~ 13.22 MHz(帶寬8.98 MHz)；反射信號(hào)通帶為6.30~13.12 MHz(帶寬6.82 MHz)，如圖5(a)、5(b)中所示。樣品C和樣品E的反射比分別為0.75和0.76，兩者近似相等，樣品C中略小。這主要是由于較寬的表面微結(jié)構(gòu)對(duì)聲波信號(hào)的散射作用更強(qiáng)，相對(duì)于較窄的微結(jié)構(gòu)，聲脈沖的頻率成分損失會(huì)更多。兩次檢測(cè)中檢測(cè)點(diǎn)距離表面微結(jié)構(gòu)均為2 mm，兩個(gè)樣品表面瑞利波傳播過(guò)程中隨距離的衰減差別可以忽略。對(duì)比圖6(a)和6(b)，瑞利波遇到較寬微結(jié)構(gòu)(樣品C)所得反射信號(hào)能量與入射信號(hào)能量之比明顯小于較窄的情況(樣品E)?？梢?jiàn)，表面微結(jié)構(gòu)的寬度對(duì)反射信號(hào)能量的影響較大，對(duì)反射信號(hào)通帶帶寬和系統(tǒng)反射比的影響很小。

2.3 表面微結(jié)構(gòu)的分頻效應(yīng)

分別檢測(cè)了具有不同表面微結(jié)構(gòu)的樣品A(=0.3 mm，=2 mm)和樣品B (=1.9 mm，=1 mm)。由于隨著表面微結(jié)構(gòu)深度的增加，更多的信號(hào)成分被反射或散射，透射波幅值逐漸衰減，樣品B表面檢測(cè)到的透射信號(hào)已近乎被噪聲湮沒(méi)。因此本文中僅選取樣品A的入射、反射和透射信號(hào)，研究其中瑞利波的反射和透射特性。

圖5 樣品C和樣品E中入射波、反射波歸一化頻響曲線對(duì)比

圖6 樣品表面入射信號(hào)和反射信號(hào)頻響曲線

圖7(a)展示了樣品A表面檢測(cè)到的入射、反射和透射聲波的頻響曲線，并對(duì)該結(jié)果做了歸一化，如圖7(b)中所示。由波長(zhǎng)、頻率和聲速的關(guān)系可知，在樣品A表面?zhèn)鞑サ娜肷渎暡ㄍ◣ьl率對(duì)應(yīng)的瑞利波波長(zhǎng)大約為0.2~0.8 mm。聲波中頻率較低的部分，即對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)近似大于0.8 mm的頻率成分，可以經(jīng)衍射越過(guò)微結(jié)構(gòu)保持原來(lái)的振動(dòng)方式繼續(xù)傳播；而頻率較高的部分，即對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)近似小于0.51 mm的頻率成分則主要被微結(jié)構(gòu)反射，表面微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的低通濾波效應(yīng)。并且透射波通帶與反射波通帶并不重合，表面微結(jié)構(gòu)有明顯的分頻作用。圖7(a)顯示，樣品A表面的透射信號(hào)能量比重明顯小于反射信號(hào)，主要是由于樣品A表面的透射信號(hào)通帶已經(jīng)低于入射信號(hào)的通帶范圍，由圖7(a)中能量分布可知，距離通帶越遠(yuǎn)則該頻率成分的能量越低?？梢?jiàn)，由于受到入射信號(hào)帶寬的限制以及材料本身的阻尼效應(yīng)，在一定結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，表面微結(jié)構(gòu)對(duì)樣品表面?zhèn)鞑サ娜鹄ㄆ鸬降屯V波和分頻的作用，微結(jié)構(gòu)深度過(guò)大時(shí)透射信號(hào)因能量太弱很難被檢測(cè)(樣品B)。

圖7 樣品A中入射、反射和透射信號(hào)頻響曲線

3 結(jié)論

本文對(duì)脈沖激光激勵(lì)下產(chǎn)生的瑞利波在具有不同表面微結(jié)構(gòu)厚鋁板中的傳播行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，分析了微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瑞利波傳播的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，瑞利波通過(guò)表面微結(jié)構(gòu)時(shí)，表面微結(jié)構(gòu)具有明顯的分頻作用和低通濾波效應(yīng)，聲波中的低頻成分可以跨過(guò)微結(jié)構(gòu)沿樣品表面繼續(xù)傳播，而高頻成分則被反射。微結(jié)構(gòu)寬度對(duì)反射信號(hào)通帶帶寬影響不大，但由于邊界散射作用，通帶內(nèi)聲波能量會(huì)隨著結(jié)構(gòu)寬度的增加而迅速衰減。

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Laser-ultrasonic investigation on Rayleigh wave propagation in surface micro-structures

WANG Jing-shi1, 2, XU Xiao-dong2, CHENG Ying2, LIU Xiao-jun2

(1.School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu, China; 2. Laboratory of Modern Acoustics, Nanjing University, Nanjing 210093, Jiangsu,China)

Thepropagation of laser-generated Rayleigh wave on a thick aluminum plate with the surface micro-structure has been investigated by experiment. Experimental results have proved that the surface micro-structure act as a frequency divider for the Rayleigh wave withina certaindepthrange. The high-frequency part of the Rayleigh wave is reflected. Bandwidth of the reflected pass band is closely related to the depth of the surface micro-structure, and advanced by increasing the depth of the micro-structure. The amplitude of the reflected acoustic wave is suppressed by increasing the width ofsurface micro-structure. The low-frequency part propagates of the Rayleigh wave on the sample surface without disturbance, and the surface micro-structure works as a low-pass filter.

laser-ultrasonic; frequency divider; surface micro-structures; Rayleigh waves; low-pass filter

TN249 O426

A

1000-3630(2014)-06-0512-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.007

2014-07-02;

2014-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11204145)、南通市科研項(xiàng)目(12R012)。

王敬時(shí)(1985－), 女, 江蘇睢寧人, 博士, 講師, 研究方向?yàn)榧す獬暫蛷?fù)雜介質(zhì)中的聲傳播。

王敬時(shí), E-mail: wjsh@ntu.edu.cn