李陽，楊連杰，孫俊杰，路培鑫，鄒云

表面裂紋的激光超聲可視化蘭姆波檢測研究

李陽1,2，楊連杰1，孫俊杰1,2，路培鑫1，鄒云1,2

(1. 鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2. 抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實驗室，河南鄭州 450001)

蘭姆波在板材的缺陷檢測中具有重要的地位，但蘭姆波在裂紋檢測過程的可視化實驗研究較少。通過激光超聲可視化技術(shù)，觀察了激光激勵出的寬頻蘭姆波在0.4 mm深、0.2 mm寬的裂紋上的反射和透射現(xiàn)象；并利用帶通濾波技術(shù)，研究了不同中心頻率的蘭姆波在裂紋上的散射特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蘭姆波在裂紋上發(fā)生了模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，出現(xiàn)了傳播速度較快的蘭姆波模態(tài)；并隨著蘭姆波頻率的增加，反射蘭姆波的能量增強。該研究為板中裂紋的蘭姆波檢測提供了實驗參考。

檢測；激光超聲；可視化；蘭姆波；散射

0 引言

蘭姆波是導(dǎo)波的一種形式，在工程應(yīng)用上也稱之為板波，因其有傳播距離遠，可檢測整個壁厚上缺陷的優(yōu)點，所以應(yīng)用較為廣泛[1-3]。蘭姆波在板中缺陷檢測方面已有諸多研究，如：Alleyne等[4]通過模擬和實驗研究了蘭姆波與裂紋的散射作用，發(fā)現(xiàn)：蘭姆波在裂紋上的反射率和透射率與蘭姆波的波長和裂紋深度的比值有關(guān)。但上述的結(jié)論是基于傳統(tǒng)的壓電探頭得到的結(jié)果，存在一定的測量誤差，另外，上述結(jié)果未能直觀地顯示蘭姆波在裂紋上的散射現(xiàn)象。Benmeddour等[5-6]通過模擬和實驗，研究了蘭姆波在板上對稱和非對稱幾何體上的散射特性，發(fā)現(xiàn)A0模態(tài)的蘭姆波在非對稱幾何體上發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換形成了S0模態(tài)，同樣S0模態(tài)在非對稱幾何體上也形成A0模態(tài)。但Benmeddour的實驗和有限元結(jié)果未能直觀地給出蘭姆波的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。吳斌等[7]通過數(shù)值仿真研究了蘭姆波在搭接板上的傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：搭接長度對S0和A0模態(tài)的反射率和透射率有周期性的影響，但未能通過實驗反映出蘭姆波在搭接板上的傳播特性。Kazys等[8]通過仿真和實驗研究了蘭姆波在T型接頭中缺陷上的散射現(xiàn)象，由于該實驗通過水浸聚焦探頭完成，其分辨率和超聲波頻率受到一定的限制。

激光超聲技術(shù)的應(yīng)用使得超聲波傳播過程的可視化成為了現(xiàn)實，如Yashiro等[9]利用激光超聲實現(xiàn)了超聲波傳播的可視化，并對不同的缺陷進行了檢測研究。Urabe等[10]采用脈沖激光激勵出周向?qū)Р?，利用空氣耦合探頭接收，使得鋁管上的缺陷檢測實現(xiàn)了可視化。朱紅玲等[11]利用罰函數(shù)圖像處理方法，改善了激光超聲可視化的圖像質(zhì)量，為缺陷的圖像識別提供了數(shù)據(jù)處理手段。李巧霞等[12]利用激光超聲實現(xiàn)了表面缺陷深度的B掃描檢測，研究了表面波在缺陷處的反射和透射波的特性，為研究表面波在缺陷處的散射奠定了基礎(chǔ)。

由于激光超聲在板中激勵出的蘭姆波具有寬頻帶、多模態(tài)的特性，所以現(xiàn)階段很少有蘭姆波在裂紋上散射特性方面的報導(dǎo)。本文利用激光超聲可視化技術(shù)，研究蘭姆波在裂紋上的散射特性，并觀察到蘭姆波在裂紋上的模態(tài)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，為蘭姆波在裂紋上散射的可視化研究奠定了一定的實驗基礎(chǔ)。

1 試樣及實驗裝置

本文所用的試樣為6061鋁合金板，試樣規(guī)格為100 mm′100 mm′2 mm，在試樣長度為40 mm處，利用線切割預(yù)制深為0.4 mm、寬為0.2 mm的裂紋。

激光超聲設(shè)備采用西安金波檢測設(shè)備公司研制的LUVI-LL2系統(tǒng)，如圖1所示，其中，脈沖激光器的最大脈沖能量為2 mJ，脈沖時間寬度為2 ns。通過控制電動小鏡的偏轉(zhuǎn)，進行脈沖激光的掃查。激光干涉儀接收超聲波信號的離面位移，干涉儀的接收帶寬為0.5～24 MHz。

圖1 實驗裝置

掃查區(qū)域覆蓋預(yù)制的人工裂紋和接收激光點，其檢測過程如圖2所示。掃查區(qū)域為40 mm′40 mm，掃查間隔為0.18 mm。激光超聲檢測設(shè)備通過激勵和接收超聲波信號，根據(jù)聲波可逆的原理，實現(xiàn)超聲波點源激勵并傳播的動態(tài)圖像。

2 結(jié)果及討論

通過激光超聲設(shè)備的掃查，可得到蘭姆波在板中隨時間傳播的動態(tài)圖像，這里選取第8.8 μs時刻的圖像，如圖3所示。

從圖3中可以看出，激光激勵出的蘭姆波花紋分布情況無規(guī)律，說明蘭姆波存在多種模態(tài)(如果是單一模態(tài)，蘭姆波將會呈現(xiàn)有規(guī)律間隔的花紋)。這個現(xiàn)象也直觀地說明了激光超聲的多模態(tài)特點；而且，蘭姆波在裂紋處發(fā)生了反射和透射現(xiàn)象，同時出現(xiàn)了模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，產(chǎn)生了較原模態(tài)傳播速度快的新模態(tài)(新模態(tài)的傳播速度快，所以新模態(tài)的波前在原波形前方)。由于激光激勵過程中在空氣中會產(chǎn)生能量較強的聲波信號，直接被激光干涉儀接收到，該聲波信號會影響蘭姆波信號的信噪比。

圖2 檢測過程示意圖

圖3 第8.8 μs時刻蘭姆波在板中隨時間傳播的圖像

在圖3上選取位于聲源和裂紋之間的一點，取其A掃數(shù)據(jù)，并做傅里葉變換，結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出：激勵出的蘭姆波(入射波)存在傳播速度不同的多個模態(tài)，并隨著傳播距離的增加，波包逐漸地分離開來。將點入射波的A掃數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到蘭姆波的頻譜圖，如圖4(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)：激勵出的蘭姆波能量主要集中在1～6 MHz之間，并且在1.2、2.8、3.4、4.2和5.0 MHz處的能量較大，說明上述5個頻率分量的蘭姆波能量較強。

為了更清楚地看出蘭姆波在裂紋上的散射特性，在=10 mm處(圖3中的虛線)取方向上的B掃描圖像，結(jié)果如圖5(a)所示。

將帶通濾波的通帶設(shè)置為2 MHz，中心頻率分別為能量幅值較高的頻率(1.2、2.8、3.4、4.2和5.0 MHz)，帶通濾波后的結(jié)果如圖5(b)～5(f)所示。

圖4 點D處的A掃圖像和入射波的頻譜圖

從圖5(a)中可知：點源激勵出的蘭姆波在=10 mm處的方向上接收到的波前呈雙曲線函數(shù)分布，并在=18 mm處的預(yù)制人工裂紋(0.4 mm深、0.2 mm寬的裂紋)上發(fā)生反射和透射，由于反射波能量相對于入射波較小，反射波清晰度較低；另外，蘭姆波經(jīng)過裂紋后，波包明顯變寬，這一方面是由于隨著傳播距離的增加，頻散效應(yīng)加大，另一方面是由于裂紋處的模態(tài)轉(zhuǎn)換形成了新的蘭姆波模態(tài)。為了更清晰地看出蘭姆波在裂紋上的散射特性，對原始信號進行帶通濾波，以觀察不同頻率時的蘭姆波特性。

從圖5(b)中可知：當(dāng)中心頻率為1.2 MHz時，蘭姆波的能量較弱，信噪比較低；由于激勵頻率低，蘭姆波的波長較大；透射蘭姆波清晰可見并存在模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，而反射蘭姆波幾乎不存在。從圖5(c)、5(d)中可知：當(dāng)中心頻率升高為2.8、3.4 MHz時，蘭姆波的能量明顯增強；同時反射蘭姆波清晰可見，這是由于隨著蘭姆波頻率的增高，其波長相應(yīng)地減小，相對于裂紋的尺寸有小的波長裂紋比，故出現(xiàn)反射蘭姆波，和已有的數(shù)值模擬結(jié)果相符[2]。這一現(xiàn)象也從實驗上反映了選擇適當(dāng)?shù)?、較高的蘭姆波頻率，可以增強其裂紋檢測能力。另外，反射波和透射波以裂紋呈對稱分布。從圖5(e)、5(f)中可知：當(dāng)中心頻率分別升高為4.2 MHz和5.0 MHz時，蘭姆波的能量較弱，信噪比較低，反射和透射波模糊不清。

3 結(jié)論

通過激光超聲可視化技術(shù)研究了蘭姆波在裂紋上的反射和透射特性，可得到如下結(jié)論：(1) 激光超聲可視化技術(shù)可動態(tài)顯示蘭姆波在裂紋上的檢測過程，裂紋上的反射波和透射波關(guān)于裂紋呈對稱分布；(2) 蘭姆波在裂紋上反射和透射過程中，存在模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，多模態(tài)的存在造成蘭姆波的波包變寬；(3) 隨著激勵頻率的增加，蘭姆波在裂紋上的反射能量增強。

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Surface cracks testing by laser-ultrasonic visualization inspection of Lamb waves

LI Yang1,2, YANG Lianjie1, SUN Junjie1,2, LU Peixin1, ZOU Yun1,2

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China; 2. Henan Province Engineering Laboratory for Anti-Fatigue Manufacturing Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China)

Lamb wave plays a significant role in plate defect testing, but the visualized research on Lamb wave scattering at cracks is still not enough. In this paper, the laser-ultrasonic visualization inspection method is used to inspect the reflection and transmission of the laser excited broadband Lamb wave at a crack of 0.4 mm deep and 0.2 mm wide. In addition, the scattering characteristics of Lamb wave with different center frequencies at cracks are studied by band-pass filtering technique. It is found that the mode transformation of Lamb wave occurs at cracks and a mode with faster velocity is found. As the frequency increases, the reflected Lamb wave is getting more energy. This research offers an experimental reference for the crack detection of Lamb wave.

testing; laser ultrasonic; visualization; Lamb waves; scattering

TB551

A

1000-3630(2020)-02-0157-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2020.02.006

2018-11-02;

2018-12-20

國家自然科學(xué)基金(51705470)、河南省重點研發(fā)與推廣專項(18A460032)、河南省高等學(xué)校重點科研項目(18A460032)

李陽(1988－), 男, 河南焦作人, 博士, 副教授, 研究方向為激光超聲、超聲導(dǎo)波、材料無損評價。

李陽,E-mail: yangli@zzu.edu.cn