（光学工程专业论文）激光声表面波及其探测表面缺陷的机理研究.pdf

中文摘要 摘要 本文采用有限元法研究了激光点源和环源在铝板表面热弹激发超声的物理过 程，建立了激光线源激发声表面波的有限元模型，进而研究了线光源激发的声表面 波与铝板表面缺陷的相互作用过程。 建立了轴对称的有限元模型，模拟了不同光斑半径及脉宽的点光源激发出的超 声导波波形，得到了激光能量的时空分布特征对超声信号波形的影响；模拟了环光 源激发的超声导波在样品表面及内部的叠加过程，为利用环光源半径控制各种声波 模式的聚焦深度提供了理论依据。 基于平面应变的弹性理论，建立了线光源在铝板中激发声表面波的有限元模型； 利用该模型研究了线光源激发的声表面波模式组成及波形特征，分析了具有不同半 宽线源激光对声表面波位移信号特征的影响。 采用有限元法模拟了激光线源激发的声表面波与不同深度表面缺陷的相互作用 过程，讨论了r a y l e i g h 波中心频率的反射与透射系数随表面凹痕深度的变化规律； 分析了反射声表面波中各模式成分的到达时间随表面凹痕深度的变化规律，给出了 反射表面波中不同模式成分的产生过程。 采用优化的平面应变有限元模型模拟了激光在靠近表面缺陷的不同空间位置上 激发的声表面波；波形信号随激发位置改变而呈现的变化特征，证实了移动激光线 源扫查技术( s l l s ) 在检测表面微小缺陷方面具有的优越性；通过分析表面凹痕产生 的反射声表面波的模式成分，研究了规则的表面凹痕导致超声波散射及模式转化的 物理过程，解释了s l l s 技术中位移信号变化的机理。数值模拟结果还表明：当表面 缺陷的深度不大于激光激发的r a y l e i g h 波的中心波长时，反射的r a y l e i g h 波位移信 号中含有明显的振荡成分；且振荡周期由表面凹痕的深度决定，与激光线源的半宽 无关。 本文的研究结果为激光声表面波的理论与数值模拟研究，以及移动激光光源扫 查表面微裂纹的检测技术研究提供了理论依据。 关键词：激光激发，热弹机制，声表面波，表面缺陷，移动激光源扫查技术， 模式转化 墨苎塑萋 a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a sb e e ne m p l o y e dt os i m u l a t et h eg e n e r a t i o no fu l t r a s o n i c g u i d e dw a v eg e n e r a t e db yt h ep u l s e dl a s e r , m t x i e hh a sb e e nf o c u s e di nt h ep o i n t - 0 1 r i n g p a t t e r n i na d d i t i o n , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fl a s e rl i n es 0 1 1 l e ei n d u c e ds u r f a l c e a c o u s t i cw a v eh a sb e e nb u i l d , b a s e do nw h i c ht h ei n t e r a c t i o no ft h el a s e rg e n e r a t e ds a w a n ds t i f f a c en o t c h0 1 1a l u m i n a t e sp l a t eh a sb e e ns i m u l a t e di nd e t a i l 1 1 圮t e m p o r a la n df r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fg u i d e dw a v eg e n e r a t e db yt h e p o i n tl a s e rs o u r c ew i t hv a r i e dr a d i ia n dp u l s ed u r a t i o n sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yt h e a x i s y m m e t r yf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ee o r r e l a t i o nb e t w c e l l t h et i m ea n df r e q u e n c yd o m a i nd i s t r i b u t i o no f t h eg u i d e dw a v ei n t e n s i t ya n dt h et e m p o r a l a n ds p a t i a ld o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so f t h el a s e re n e r g y i na d d i t i o n , t h ei n t e r f e r e n c ee f f e c to f t h eg u i d e dw a v ei n d u c e db yt h er i n g - s h a p e dl a s e rs o u r c eh a v eb e e ns t u d i e di nd e t a i l ，t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ef o e a ld e p t ho f t h eu l t r a s o n i cm o d e sc a nb ee o n t r o u e db y 恤e i n n e rr a d i u so f t h er i n gs o u r c e b a s e d0 1 1p l a n es t r a i nm o d e l , l i n es o u r c ei r r a d i a t i o n0 1 3 , t h ea l u m i n u mp l a t eh a sb e e n p o l a r i z e di nt w od i m e n s i o n a lp l a n e ，a n dt h ep l a n es t r a i nf i n i t ee l e m e n tm o d e lh a v eb e e a e s t a b l i s h e dt os i m u l a t el i n es 0 1 1 1 c e g e n e r a t e ds u r f a l ：ea c o u s t i c1 j l ，a v ea n da n a l y z et h e i n f l u e n c e0 1 1t h ee h a r a e t e r i s t i ew a v e f o r mo f h a l f - w i d t ho f l i n es o t l r e e p l a n es t r a i nf i n i t ec l e m e n tm o d e lh a v eb e e nu s e dt om o d e it h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n l a s e rg e n e r a t e ds u l f o , c i ：a c o u s t i cw i i v ca n ds u l f a c , , en o t c hw i t hv a r i e dd e p t h s ，w h e r et h e s 1 1 l - f a c en o t c hw i t hr e c t a n g u l a rs h a p ei se m p l o y e dt ol e 1 ) r e s e l l tt h ef a t i g u ec r a c kf o rt h e e o n v e n i e n e eo fm o d e l i n g ，i na d d i t i o n , t h er e f l e c t e da n dt r a n s m i t t e dc o e 伍e i e n t sf o ra f r e q u e n c yc o m p o n e n th a v eb e e nc a l c u l a t e da n de m p l o y e dt oe v a l u a t et h ed e p t ho fc r a c k i na d d i t i o n , t h es u r f a c en o t c hw i t has e r i e sd e p t h sa n dw i d t h sh a v eb e e ne t c h e d0 1 1t h et o p s u r f a c et os i m u l a t et h es c a t t e r e dp r o c e s so f t h el a s e rg e n e r a t e ds u r f a c ew a v e ，t h ef o r m a t i o n o f t w od i f f e r e n tc o m p o n e n t so f t h er e f l e c t e dr a y l e i g hw a v eh a v eb e e ni n v e s t i g a t et h r o u g h a r r i v a lt i m eo f t h e m as c a n n i n gl a s e rl i n e $ o u r c c ( s l l s ) t e c h n i q u ei ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l yb yt h e o p t i m i z e df i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n dc h a n g e si na m p l i t u d ea n df r e q u e n c yc o n t e n th a v e b e e no b s e r v e df o ru l t r a s o u n ds i g n a l sg e n e r a t e db yl a s e rs c a n n i n go v e ra l a r g ea l u m i n u m b l o c ke o n t a i 血gas m a l ls u r f a c , en o t c h1 r t 地e x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e ds l l s a m p l i t u d ea n d m i v 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：篡建圣2 。6 年5 月日 博士论文激光声表面波及其探测表面缺陷的机理研究 激光超声无损检测的研究进展 1 1 研究背景 超声检测技术一般是指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的声波进 行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测 和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。如果试件中存在不连续、裂隙或断 层等局部声阻抗突变的区域，则探测声波会在这些区域发生散射也可以视为受到某种 调制，进而导致声场分布特征发生显著改变。经过调制后声场的变化必然携带了材料 内部缺陷或反常区域的状态信息。利用这些变化的声场来达到反演材料内部奇异区域 的信息就是超声无损检测的基本原理。 上世纪6 0 年代以来，激光作为一种有力的工具用来激发和探测超声，进而推动 了激光超声学这一新兴交叉学科的诞生和发展。激光超声学是研究利用脉冲激光来激 发和检测超声，并开展超声传播和媒质特性等研究的学科。与传统的压电换能器相比， 激光超声技术具有一系列显著的优势，譬如，非接触激发和接收超声信号；并且易与 光纤技术集成可实现快速的在线扫查检测；另外，对激光脉冲能量在时间和空间上进 行调制可以激发出宽频带、多模式的超声信号。当入射激光能量较低，未引起材料的 熔融时，激光超声的主要激发机理是热弹性激发【1 1 。随着输出激光强度的增加，其能 量可使晶格动能超出弹性限度，导致材料表面熔融产生动量的传递和等离子体的形 成，此时激光超声的主要激发机制就变为融蚀激发1 2 1 。由于激光在热弹机制下激发超 声时，样品表面没有受到破坏并且激光在材料中产生的超声波形可以重复测量，进而 基于热弹机制产生的超声在无损检测领域更加适用。 利用激光超声对材料进行无损评价的过程包括激光超声的激发与传播过程以及 超声波在缺陷附近的散射过程，可以概括为三个过程和两个阶段。第一阶段主要是围 绕着激光超声的产生与传播过程开展的，国内外许多学者已进行了大量的实验和理论 研究，并借助于多种解析及数值方法对理论模型进行不断的修正和完善来建立激光输 入与超声信号输出之间的的映射关系；第二阶段的研究包括激光激发的超声与材料中 缺陷之间的相互作用过程以及对超声散射信号的有效分析。由此可见，激光超声无损 检测是横跨光学、声学及弹性动力学的一门新兴的交叉学科。至今仍然没有一种理论 可以涵盖整个激光超声无损检测的物理过程。为此，采用激光超声进行无损检测中亟 1 激光超声无损检测的研究进展博士论文 待解决的问题主要有：一理论模型问题，即能够建立超声的产生、传播及散射过程与 媒质的性能参数及结构特征之间的定量关系；二是超声信号的分析与处理技术，无损 检测中需要对宽频带的超声导波及散射信号的时域及频域特征进行分析处理来提取 和反演材料中的待测信息。 采用激光超声在工业上对机械部件进行实时在线的无损检测要求正确的物理模 型作为理论基础。本文的主要工作是基于经典的热弹耦合方程建立热弹激发超声的有 限元分析模型来模拟激光激发超声的基本过程，同时研究了激光激发的声表面波与金 属材料表面缺陷的相互作用过程。特别针对k r o m i n e 等【3 】( 2 0 0 0 ) 提出的移动激光源扫 查技术在探测金属表面微裂纹中的实验现象进行了数值模拟，并就数值分析结果讨论 了移动激光源扫查技术内部的物理机理，为进一步采用该技术进行表面缺陷及表面状 况的检测提供了理论支持。 1 2 研究现状 1 2 1 超声检测技术的研究现状 超声检测法是研究物质特性的基本方法之一。常规的超声检测法的优点1 4 是：作 用于材料的超声强度比较低，最大作用应力远低于弹性极限；可用于金属、非金属、 复合材料制件的无损评价；对确定材料中缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等参 量较之其他无损检测方法有综合优势；所用参数设置及有关波形均可存储供以备调 用。然而，主要的局限性是：采用压电换能器作为声源发射超声波进入试件一般需用 耦合剂；对试件形状的复杂性有一定的限制；对材料及制件缺陷作精确的定性，定量 表征仍须作深入的理论研究。 弹性固体中的超声导波在对具有复杂形状的各种机件进行缺陷检测中显示出了 巨大的应用潜力瓯鲜7 ，踟。由于在媒质中传播的超声携带了媒质内部的弹性性能及结构 特征等有关信息，因而可以通过声波的速度、衰减及色散等参量来评价媒质的一些基 本物理参数和特性。然而，对于一个超声信号的正确解释是建立在对超声波在媒质中 传播过程进行深入研究基础上的。上世纪7 0 年代末8 0 年代初，美国西北大学a c h e n b a c h 教授带领的研究小组采用射线理论( r a yt h e o r y ) 详细地研究了声表面波经过表面缺陷 时形成的衍射及散射声表面波在样品表面产生的位移信号t 9 a o n 1 t u a n t l 2 1 ( 1 9 7 4 ) - 与 k a w a s a k i 1 3 l 及s i l n o 璐【l 卅( 1 9 7 8 ) 等人采用边界扰动技术模拟了r a y l e i g l l 波在表面缺陷附 近发生的透射与反射的物理过程。a u l d t s ( 1 9 7 7 ) - 与k i n o 1 6 1 ( 1 9 7 8 ) 采用互易理论 ( r e c i p r o c i t yt h e o r e m ) 初步建立了由压电换能器激发出的超声窄带信号经过材料内部任 意形状的空隙产生散射波信号的通用模型。r o k h l i n 17 ”( 1 9 8 0 ) 采用维纳霍普夫与多 2 博士论文 激光声表面波及其探铡表面缺陷的机理研究 重衍射法研究 l a m b 波在金属薄板内部缺陷位置发生的衍射现象。p o r c z 等n 9 ( 1 9 8 1 ) 在理论上分析了r a y l e i g h 波在平板端面发生的反射、透射及模式转化的能量比例与其 对应频率的关系。这些早期的理论研究为利用超声技术对材料进行无损检测提供了重 要的理论依据。 。 1 2 1 1 表面缺陷的检测 表面缺陷是机件在表面张力的作用下产生的表层张裂现象。机件表面一旦出现裂 纹，在外界载荷作用下表面裂纹底部分布的集中应力将会促使表面裂纹迅速生长最终 导致机件报废，因而表面缺陷的检测在航空及机械工业材料的无损检测领域占有极为 重要的地位。采用超声法检测表面缺陷是利用弹性表面波到达表面缺陷区域时基于材 料本身声阻抗性质的突变而产生的反射、衍射及衰减等特征来反演缺陷的位置、大小 及走向等信息 2 0 川。弹性表面波( 简称表面波，s a w ) 的概念是由英国物理学家r a y l e i g h 在1 8 8 5 年提出，它是由媒质的弹性形变诱发材料内部的应力应变所产生。由于材料表 面的应力自由，声表面波的振幅强度随距离表面的深度增加而迅速衰减。在弹性体材 料中，纵波和横波相互独立分别以不同的速度传播，而表面r a y l e i g h 波是纵波与横波 模式在材料表面相互耦合的结果，r a y l e i g h 波的传播速度比横波的速度约慢5 到1 3 。 由于表面波的能量主要集中在表面附近传播，且具有无色散、不易衰减等特征， 特别适用于材料表面缺陷的检测。v i k t o r o v 田1 ( 1 9 6 7 ) 在实验上观测了铝板表面传播的 r a y l e i g h 波遇到表面凹痕( n o t c h ) 时发生的散射过程，并提出通过计算r a y l e i g h 波的反射 与透射系数作为判断凹痕深度的依据；同时还指出有一部分r a y l e i 曲波的能量在表面 凹痕附近发生模式转化以体波的模式向材料内部传播，进而导致r a y l e i g h 波的反射系 数与透射系数失去了原有的互补性。此后r a y l e i g h 波在表面凹痕附近的模式转化现象 也成为一个研究的热点1 2 3 , 2 4 ；然而更多的学者还是致力于研究r a y l e i g h 波在上表面的 透射及反射系数与表面缺陷深度之间的定量关系。 r i t t m a n n 等p 瑚1 ( 1 9 7 8 ) 在实验上选用短波长的r a y l e i 曲波探测表面微小缺陷的尺 寸；同年d o m a r k a s 等l z 7 j 在实验上观测了声表面波在表面缺陷附近形成的回波声场， 并选取对应于单一频率成分的散射角及反射系数作为表面缺陷对声波波形影响的定 量描述及判定缺陷尺寸和形状的依据。h i 瑚与f u k l l o k a i 嚣1 ( 1 9 8 2 ) 在实验上采用压电换 能器激发和接收技术研究了表面瑞利波中各种频率成分的反射和透射系数与表面缺 陷深度的对应关系。y 萌 p 1 ( 1 9 8 4 ) 在实验上观察了声表面波在表面凹痕附近的散射情 形，实验结果与散射理论预示结果之间的一致性表明了采用声表面波进行无损检测的 潜在应用价值。l j c m n e 等 3 0 ! ( 1 9 9 7 ) 考虑了低频的弹性波在遇到平板中的缺陷后发生 的散射过程，提出了基于反射系数的计算来定量表达缺陷的特征对超声信号的影响。 综上所述，检测表面缺陷的实验研究多采用压电换能器激发超声r a y l e i 曲波，并基于 r a y t e i g h 波与表面缺陷的相互作用过程产生的反射及透射声表面波的强度及频率信息 1 激光超声无损检测的研究进展博士论文 来反演缺陷的特征。 1 2 1 2 超声探伤数值研究的进展 随着实验研究的不断深入，声波与材料中缺陷相互作用的现象及规律吸引了众多 学者的关注，然而要利用这些规律对材料进行无损检测还须从物理机制上对声波与缺 陷之间的相互作用过程有更深入地理解。这对理论模型的研究及数值模拟等工作提出 了更高的要求。上世纪8 0 年代以来，多种数值方法被用来近似计算r a y l e i g h 波在表 面缺陷附近产生的的散射声场，其中具有代表性的三种计算方法分别是：有限差分法、 有限元法与边界元法。 h i r a o 等【3 1 l ( 1 9 8 2 ) 基于有限差分法数值模拟了表面瑞利波中各种频率成分对应的 反射和透射系数与表面缺陷深度的关系。l i u 等0 9 9 3 ) 口2 l 采用有限元与边界积分法相 结合的数值方法模拟了超声波在遇到表面及亚表面缺陷时产生的散射声场，并借助于 数值模拟结果对弹性波在缺陷附近的模式转换过程提出了定性的描述1 3 3 1 。c h r i s t i n e v a u e 等p 4 ( 2 0 0 1 ) 采用了商业有限元软件模拟了空心圆管中圆周导波遇到表面缺陷后 发生的散射过程，并对模拟得到的反射信号进行时频分析，指出采用时频分析结果 来反演缺陷信息可以有效地降低对探测声波信号频率的要求。h a s s a n 等瞰1 ( 2 0 0 3 ) 采用 三维有限元模型模拟了缺陷深度与初始r a y l e i g h 波的波长可以相比拟的情况下，表面 缺陷产生的反射r a y l e i g h 波的波形特征。 边界元法凭借其在处理大模型问题上的优势【3 6 】以及节省计算资源f 3 7 等特点在超 声导波与表面缺陷的相互作用中也得到了广泛的应用。y o u n h oc h o 与r o s e l 3 8 3 9 4 0 1 ( 2 0 0 0 ) 利用混合边界元法结合l a m b 波模式分解技术模拟了不同频率和模态的l a m b 波在经过不同曲率的弧形表面缺陷发生的散射声波场，为利用超声波特征进行表面缺 陷性状识别提供了必要的理论参考与丰富的数据储备。s o n g 4 1 l ( 2 0 0 3 ) 采用频域边界元 法验证了实验上得到的表面波能量的透射系数与表面缺陷深度的联系z h a o 4 2 1 ( 2 0 0 3 ) 在两维平面内采用边界元法结合垂直模式扩展技术研究了超声导波经过表面缺陷及 内部缺陷时的散射过程。事实上，要借助于声波信号的幅值与相位信息作为定量化的 判据还有待理论模型研究上的突破。 1 2 2 激光超声检测技术 在传统的超声激发和接收系统中，广泛使用接触式压电换能器【2 町，电磁声换能器 【4 3 l ，空气耦合换能器 4 4 1 作为激发源及接收装置。这些技术在实际应用时会随着工作 环境的改变而受到很大的限制。如接触式换能器在采集超声位移信号时需要液体耦合 剂，而且会对被测样品产生影响，同时也比较容易受到外部的干扰：电磁声换能器不 仅要求被测材料具有良好的电导性，而且必须放置在材料表面很近的区域；空气耦合 换能器由于空气固体阻抗的不匹配而导致能量的转换效率很低为此，人们开始努 4 博士论文激光声表面波及其探测表面缺陷的机理研究 力寻找能够以非接触方式激发超声的激发源，其中典型的代表有s w l i u 等1 3 2 1 采用小 体积钢球的自由下落冲击作为超声场的激发源，以及日本熊本大学的k m o r i 等 【4 5 1 ( 2 0 0 2 ) 提出的采用气枪产生的冲击波来作用于样品表面产生弹性振动等等，然而这 些方法产生的声源分布特征往往不容易控制，可重复性差。 4 激光超声技术作为一种新兴的可实现远程激发与接收超声的技术，是目前国际上 声学检测技术中的研究热点。它具有如下几个主要的优点：可实现完全非接触的激发 和测量，能够在恶劣环境中进行作业；易与光纤技术结合嗣，从而可以将超声波的激 发光和探测光集成在同一个测量系统之中；适用材料的范围很广；当工作于热弹机制 下能实现非破坏性无损检测；受表面状况影响小，测量准确度和分辨能力都很高。当 脉冲激光入射到固体材料表面，介质吸收激光能量而产生的热量来不及扩散，在表层 附近产生很大的热梯度，导致热膨胀；再加之周围媒质的约束而在辐照区域附近形成 一个局部应力集中，由此产生一瞬态脉冲超声在介质中传播 4 7 , 4 8 脉冲激光在热弹机制下激发超声不仅对样品表面无损伤，而且激光在材料内部产 生热应力的惯性非常小，导致激光超声具有很宽的频带；同时脉冲激光作为一种理想 的超声激发源1 4 9 1 不仅可实现非接触激发及快速扫查，而且可以检测形状复杂的试件踟 并能同时在样品中有效地激发出纵波 5 1 】、横波、表面波及l a m b 波【5 2 】等多种模式的超 ， 声波。激光激发的纵波及横波可以实现对试件弹性性质的表征、内部缺陷的检测【5 3 m 5 5 l 。 以及涂层与基底系统中涂层的性质及层间的黏合强度等性能指标的测定 5 6 , 5 7 1 h u t c h i n s + t 5 8 1 ( 1 9 8 1 ) 采用脉冲激光在材料中激发的体声波来探测材料内部缺陷，其探 测原理如图1 1 所示。激光在薄层材料中激发的l a m b 波不仅能测量试件的厚度 5 9 1 ， ： 而且能够表征层状复合材料的弹性性质【6 0 1 以及探测层合材料中的断层现象【6 1 】；在材 料表面传播的声表面波不仅能表征材料表面的性质与状态，也能表征层状材料中表层 6 2 1 与亚表层1 6 5 i 拘弹性性质以及层与层之间的结合强度科l 。综上所述，激光超声不仅 在表征材料性质方面受到广泛的关注【6 5 , 6 6 , 6 7 棚，而且在无损探伤领域也有巨大的应用 价值眇，7 0 , 7 1 , 7 2 , 7 3 1 。 然而，目前亟待解决的问题是激光辐照材料表面激发超声的物理过程相对复杂， 建立一种描述激光超声与材料中缺陷的相互作用过程的完整理论存在着实际困难。不 仅需要充分地理解激光热弹激发超声的物理过程以及超声在材料中的传播过程，而且 需要建立材料内部的结构特征与超声波形输出之间的映射关系。综上所述，只有激光 激发超声的理论研究真正走向成熟才可以使激光超声检测技术走向实际应用。为此， 围绕着激光超声的激发理论国内外许多学者已进行了大量的理论研究和实验研究。 1 激光超声无损检测的研究进展 博士论文 图1 a 激光超声检测材料内部缺陷的原理图口q ( a ) 理论上预计的传播轨迹示意图及预计的位移信号图 ( b ) 实验上探测到的位移信号图 1 2 2 1 激光点源激发超声的理论模型 从上世纪6 0 年代至今，脉冲激光激发超声理论模型的研究工作主要经历了三个 发展阶段。第一阶段的标志是w h i t e e 7 4 1 ( 1 9 6 3 ) 与r e a d y t 7 5 】( 1 9 7 1 ) 提出的一维分析模型， 该模型从一维的角度分析了激光激励材料热变形乃至产生超声的瞬态物理过程，然而 其无法预示剪切波与表面波的存在。 第二阶段的标志是s c r u b y 等闱( 1 9 8 0 ) 考虑到激光作用的热效应，进而将激光作用 源直接和机械力载荷相联系起来提出了激光超声真实的物理模型，即表面中心扩展源 的模型，通过对超声波热膨胀体积源进行的研究，得到了热弹性位移表达式 ( x ，o = i 锄瞩( 毛六d v 侈) ( 1 1 ) 式中：( 矗，) 表示位移“在毛轴上的分量；x 代表笛卡尔坐标系；【侈) 表示对体 6 博士论文激光声表面波及其揉铡表面缺陷的机理研究 积源的体积积分；c 缸表示弹性张量；表示材料的热应变张量；表示卷积： g 0 ( x ，f ，t ) 为格林函数，表示f = o 时刻作用子善处的、平行于薯轴的单位冲击力j ( f ) 在f 时刻苫处产生的位移在矗轴上的分量。d e w h u r s t 和h u t e h i n s l 7 7 1 ( 1 9 8 2 ) 对表面中心 力源模型进行修正后，解释了前驱小波的存在。r o s e l 7 8 1 ( 1 9 8 4 ) 利用积分变换方法给出 了弹性半空间点源的数学证明，即忽略热扩散效应把激光脉冲看成纯粹的表面中心扩 展力源。由于体积热源的空间远小于超声波波长，所以可以用一点源代替体积源，并 且针对各向同性材料，r o s e 将( 1 1 ) 式简化为 u ( x ，t ) = 膨( f ) g ( x ，0 , t ) ( 1 2 ) 式中 m ( t ) = e ( 1 - 2 v ) 一l , r c 孝，f ) d 矿( 亭) 岛( 嘣) = 瞩( 蟛 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 其中：m ( f ) 为热源的强度；g ( x ，0 ，f ) 为系统的冲击响应函数；e 是杨氏模量；1 ，是 泊松比；t ( 孝，f ) 表示f 时刻善处的温度；为线性热膨胀系数。表面中心扩展源模型 预示波形的主要特征和实验得到的超声波形基本一致，特别是对小的光斑半径和纳秒 量级的脉冲激光尤为适用。 a r n o l d 等( 1 9 8 5 ) 研究了脉冲激光的能量在时间和空间上的分布特征对超声激 发效率的影响，指出可以通过控制光斑半径和脉冲宽度等参量来实现激发效率的改 进。d o y l e s o l ( 1 9 8 6 ) 考虑材料中的热扩散效应，首次从理论上研究了激光在热弹机制 下激发出的超声信号中的前驱小波产生的物理机理。他采用数值方法分析了金属板材 中的热扩散效应，把热扩散等效看成体力源，并指出该体力源对超声波形将产生明显 的影响；同时表面力源和体力源的共同作用，在对心位置产生了前驱小波。随着激光 脉冲上升时间增加，前驱小波的脉宽也在增加，但振幅却不断减小。 应用热弹性理论建立的激光超声模型，必须对激光作用源的特征进行真实的解 析。上述工作几乎都忽略了热扩散效应而把激光作用看成纯粹的表面机械力源。虽然 把表面力源和弹性理论相结合，能够正确地预示远场波形，但这个模型既不能反映激 光光斑的模式特征对超声波形的影响，也无法解释实验中在样品对心位置产生的前驱 小波现象。从这个意义上讲，d o y l e 的对前驱小波的研究拉开了激光超声点源激发理 论第三阶段研究的帷幕。 第三阶段的典型代表是m c d o n a l d 【3 1 罔( 1 9 9 0 ) 采用经典的热弹性理论研究了激光 脉冲的上升时间和光斑大小对对心波形的影响，并且正确预示了前驱小波由正向脉冲 7 1 激光超声无损检测的研究进展博士论文 和负向脉冲组成；同时指出前驱小波是具有一定尺寸的激光作用的结果，而不可能由 点源模型产生国内南京大学张淑仪院士等隅3 1 ( 1 9 9 5 ) 用物理学的观点解释了热弹性激 发超声模型的正确性。并基于经典热弹性方程，采用本征函数扩展法研究了轴对称激 光源在不同厚度板材中的激发的超声波。 他们的重要贡献是确立了激光作用的效果 是产生一个热弹性源，而不是一个纯粹的 机械力源。s a n d e r s o n 等瞰1 ( 1 9 9 8 ) 提出激光 超声是由于激光的加热效应所产生，应该 是一个三维问题，即表面中心扩展源和热 偶极子的合成，如图1 2 所示。表面中心扩 展源和热偶极子互相独立，负向脉冲( s p i k e ) 来自表面中心扩展源，正向脉冲来自热偶 极子。二者共同作用产生纵波，并解释了 前驱小波产生的物理本质。 l n c i a d e ml 馘p i l l t h e r m a l 脚幽 鬻坼帆| 一 s o u r c er e g i o n e p i 伽n 拥da ，出 + 2r 图1 2 热偶极子力源模型 示意图州 第三阶段建立的热弹性理论弥补了等效的机械力源无法定量分析热温度场和力 学位移场之间的耦合过程的不足，为进一步建立并完善激光超声的激发理论奠定了基 础，同时也为采用激光超声技术对材料进行无损检测提供了理论支持。然而采用激光 超声进行无损检测时，多数情况下是采用柱面镜将激光束会聚成为线形光源来辐照样 品表面当光源聚焦为线形光斑时，脉冲激光具有较大的作用面积。这样在能量密度 相同的条件下可以向材料中输入更多的激光能量，进而导致声波信号强度及其信噪比 都可以得到显著的提高而不至于损伤材料表面；另外，激光线源产生的表面波具有平 行于线源的平面波前，即指向性好，可以较好地分辨缺陷的走向；再加之线光源激发 的表面波位移信号振幅不随接收距离的增大而衰减，在无损检测中有效地扩大了光源 扫查的范围。上述这些特点对利用声表面波进行缺陷检测及材料性能的表征都是极其 有利的。国内清华大学的尤政教授等口”( 2 0 0 2 ) 通过对点光源激励声表面波的机理进行 分析后，推导出了线光源激发声表面波的理论公式，并围绕着声表面波信号特征与激 光线源能量、方向角、位置、长度之间的关系进行了实验研究。 1 2 2 2 激光线源激发声表面波的理论模型 有限长的激光线源激发超声的问题在三维空间中可以视为激光点源的叠加，并可 采用表面中心扩展源模型进行分析。d o y l e 等( 1 9 9 6 ) 指出在热扩散及光学穿透效应都 可以忽略的情况下，线源激发的位移场可以通过对r o s e 提出的表达式进行积分来计 算叠加的结剁8 6 1 r o y e r 等【8 7 1 ( 2 0 0 0 ) 在材料上表面建立了有限长激光线源激发声表面 波的理论模型，如图1 3 所示。假设y 方向长度为2 以宽度很窄的激光线源聚焦于材 料表面】，) 平面，线光源的中心位于坐标原点。 博士论文激光声袭面波及其探测表面缺陷的机理研究 图1 3 半无限空间中的激光线源热弹激 发超声的模型示意图【明 根据叠加原理，x 轴上垂直表面的位移u 3 【x ，r ) 司表不为 坞( x ，t ) - - r w ( _ y ) 均( ，r 陟， ( 1 5 ) 式中：w ( y ) 为权重函数；屿( ，r ) 为距离点源，= ( x 2 + y 2 ) 必处在时刻f 的垂直位移信 号。设激光能量在y 轴方向上呈高斯分布 ， w ( y ) - - , , ( o ) e x p ( - y 2a 2 ) ( 1 6 ) 舞 其中：w ( o ) = 1 口、厉；口为高斯光束的半宽。则x 轴上节点的位移响应可以表示为：一 咖) = 2 掣r _ _ m m 秽) 等( t ；_ 这里r ，g ( f ) 与f ( x ，) 可以定义为： r = ( 3 脚) 毒q q ( r ) = ( 名：) 唧( ) 日( ，) ( 1 s ) 邝加亡吣) 辫砂 其中：，7 表示激光脉冲上升沿的持续时间；何( f ) 为阶跃函数；= 1 表示r a y l e i g h 波的慢度；c 工表示纵波的速度；m 表示关于铝材料的无量纲的参数，文中取为o i i i 。 假设激光线源的几何长度趋于无限时，热弹致声的理论分析可以简化在两维平面 内进行处理。b e m s t e m 与s p i c e r i s s l ( 2 0 0 0 ) 建立了两维的理论模型来模拟轴向无限长的 激光线源激发超声的物理过程。该模型忽略了热扩散、光学穿透效应及线源能量分布 9 1 激光超声无损检测的研究进展博士论文 特征的影响，假设激光源为线形排列的力偶极子，其作用方向均垂直于线光源的走向。 i r e n ea r i 勰【黔1 ( 2 0 0 3 ) 提出了两维的平面应变模型来模拟沿线长方向均匀分布的激光线 源激发超声的热弹理论模型，该模型不仅考虑了激光线源的有效宽度及脉冲形状，而 且分析了热扩散及光穿透深度对超声体力源的影响。他们采用了f o u r i e r - l a p l a c e 变换 的解析方法对热弹问题进行处理，并通过数值方法进行双积分逆变换得到理论上的时 域位移信号，该方法有效地减轻了通过对点源计算结果进行叠加来逼近线源模型带来 的计算负担 1 2 2 3 激光超声数值计算的研究进展 激光热弹机制激发超声的物理过程不仅包括瞬态热扩散，而且包括瞬态弹性波的 激发和在有限空间中的传播。热弹致声的理论模型是建立在高度耦合的偏微分方程基 础之上的，进而通过解析的方法进行精确求解往往比较困难 s l s 6 ，而且通用性差【7 8 捌 常用的数值方法包括双积分变换 9 0 1 及弹性振子模拟法【9 1 l 都将激光的作用源直接等效 近似为机械力载荷，而不能考虑基于热扩散效应而形成的超声体力源。 有限元方法是建立在严密的数学理论基础上瞰】，在结构力学9 3 1 、热力学瞰1 等数 值计算领域都有着广泛的应用，是求偏微分方程数值解的一个重要的数值方法。它以 变分原理为基础，吸取差分格式的思想，与分块多项式插值相结合而发展起来的产物。 这种结合不仅使有限元方法保持了原有变分方法的优点，而且还兼有差分法的灵活 性，使古典变分方法的不足之处得到了充分的弥补。有限元法不仅对多种物理问题具 有适用性，而且具有适合计算机实现的高效性等特点。因而随着计算机技术的发展， 有限元已经开始在激光超声的理论研究中发挥日益重要的作用p 5 瓢明。 有限元法可以将材料参数随温度变化的材料非线性因素考虑进来，比较准确地计 算出材料内部形成的瞬态温度场，而且能够对复杂媒质和结构中的声场分布进行模 拟，并能对结构中任一结点的时间位移响应曲线进行描述【9 9 1 近年来，国内学者x u 等陋l 采用有限元法成功地模拟出了脉冲激光作用于铝板表面在表层附近有限区域内 产生的瞬态温度场，并将温度场作为结构分析的载荷计算出了脉冲激光在单层及双层 材料中激发的超声位移信号 1 0 0 , 1 0 1 】。 1 2 2 4 激光声表面波检测缺陷的研究进展 激光激发的声表面波尤其是沿表面传播的瑞利波( r a y l e i g hw a v e ) 具有激发效率 高，衰减小和易于检测等优点，可以实现对表面缺陷与亚表面缺陷的检测和定位，从 而引起了国外学者的广泛关注【1 0 2 ，1 0 3 0 4 1 。采用r a y l e i g h 波探测表面缺陷主要基于其在 表面缺陷区域发生的散射过程，而定量地描述散射通常采用声表面波位移信号的振幅 与相位信剧1 0 5 1 ，透射及反射系数关系【1 0 6 , 1 0 7 1 及频谱成分的变化b o s 等特征信息。 c l o r e n n e c 掣1 0 r 1 ( 2 0 0 2 ) 等采用激光线源在圆柱及圆管侧面激发出的r a y l e i g h 波来 探测柱体表面缺陷。b e r n s t e i n 掣1 0 明( 2 0 0 2 ) 提出利用激光激发和电磁声换能器接收的 i o 博士论文 激光声表面波及其探测表面缺陷的机理研究 方法，观测了超声波遇到缺陷后发生的散射过程，并就换能器得到的时域信号进行了 傅里叶变换，进而可以利用信号的频谱信息去定量地检测缺陷。g - a o 掣1 1 ( 2 0 0 2 ) 利用 激光激发圆管中的圆周导波，并引入两维的快速傅立叶变换分析了圆管导波中的模态 成分，并依据圆周导波经过圆管内外表面缺陷时产生的模态变化特征来定量地描述群 管所含的缺陷信息。 前面提到的激光声表面波探测表面缺陷的研究大多将信号的采集点设置在距离 表面缺陷较远的位置，主要原因是采用换能器接收信号时，换能器探头本身体积比较 大再加之移动不便等因素限制了对缺陷近场散射信号的研究【1 1 们。c o o p e r 【1 0 2 1 与r j d e w h u r s t l l 0 3 , 1 0 4 1 等人在实验上利用脉冲激光激发与干涉仪接收技术研究了声表面波与 表面矩形凹痕的相互作用过程，并初步讨论了反射瑞利波的波形特征与凹痕深度的对 应关系。然而声波场在连续介质内的分布特征、传播规律以及激光激发的超声波遇到 介质内部不连续点时发生的散射及模式转化等现象都是有待深入研究的问题。当采用 光学干涉法来检测r a y l e i g h 波引起的垂直于材料表面的位移信号时，探测点可以延伸 到缺陷近场，可以详细地记录缺陷近场区的散射声波位移信号特征，进而有利于表面 缺陷特征的反演 1 1 1 , 1 1 2 。 另外当采用光学的方法来接收材料表面的超声位移信号时，探测光源可以在样品尹 表面自由移动。b l a c k s h i r e 掣n 2 1 ( 2 0 0 2 ) 在实验上采用压电换能器激发及移动光栅技术： 接收的系统来探测金属材料表面缺陷。实验结果显示，当探测光束到达缺陷边沿附近 时，得到的位移信号振幅会急剧增长，进而在表面位移场的强度分布图上产生鲜亮的 条纹。该技术中采用接触式压电换能器作为激发源，无法在检测过程中进行移动，进 e 。 而严重地限制了检测效率和范围。 采用激光作为激发源不仅可以得到宽频带、多模式的超声脉冲，同时以其非接触 激发的特点，可以在被测样品表面进行自由移动，进而为工业上实现高效的无损检测 提供了理想的激发源。早在1 9 7 7 年，g u f f e l d 掣1 1 3 1 就研究了可移动的激光源辐照表 面受束缚的金属材料探测其内部缺陷的物理过程，研究结果显示：当激光源的位置在 上表面移动时，在样品另一侧接收的声波位移信号会发生十分显著的变化。近年来 k r o m