激光誘導超聲表面波的實驗研究

林中亞 王雨軒 趙曦明 戰宇

摘 要：該文采用自主研發的一套非接觸、高精度的激光超聲實驗系統，對脈沖激光在薄鋁板中激發的超聲表面波信號進行了實驗研究。利用調Q脈沖激光器在鋁板樣品中激發超聲表面波信號，超聲表面波由激光多普勒測振計接收，接入示波器，記錄與超聲振動對應的電信號；同時光電探測器接收樣品表面的反射光信號提供時間原點的參考接入示波器。實驗中測得的波形具有典型的表面波對心、雙極的特點，表明該實驗系統能夠激發并接收到性能良好的超聲表面波；對實驗數據進行提取、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，表明該實驗方法在超聲表面波波速測量上有很高的精度和應用前景。

關鍵詞：激光超聲 表面波波速無損檢測 線性擬合

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：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

工業生產中，對材料力學性能參數實時進行無損檢測，對于保證產品質量、降低材料損耗，具有十分重要的意義。然而，傳統的無損檢測方法由于其局限性，在高溫、高壓、高濕以及被測工件具有較快的運動速度等限制條件下并不能滿足測試要求[1]。激光超聲檢測技術利用脈沖激光激發和檢測超聲波，從而實現無損檢測、獲取材料參數信息，它的出現成功彌補了傳統測量方法的缺陷。

近年來，由于激光超聲技術具有非接觸、無損傷、靈敏度高、精度高、設備簡單、抗干擾能力強等優點[2-3]，已逐漸成為材料無損檢測的一種重要手段和發展方向，在材料的殘余應力檢測[4-5]、表面缺陷檢測[6-7]、材料力學性能測量[8]等方面得到了廣泛應用。應用激光超聲技術測量各項同性材料的超聲表面波波速具有無損傷、精確度高的優點，并且通過對表面波的精確測量，可以為進一步實現對材料裂紋、金屬焊接裂縫等的測量打下基礎。本實驗采用激光誘導超聲技術，精確測量出樣品的表面波波速，并分析了誤差的產生原因。

1 實驗方案

1.1 實驗原理

激光超聲是指利用高能量的脈沖激光與工件表面的瞬時熱作用，在固體表面產生熱特性區，形成熱應力，進而在物體內部產生超聲波，其激發機制有熱彈性機制和燒蝕機制兩種[9]。本實驗采用熱彈性機制在樣品表面激發超聲波，如圖1所示：當入射脈沖激光功率密度較小，不足以使工件表面融化時，激光的能量一部分被反射，另一部分被吸收并轉化為熱能，使樣品表面產生幾十到幾百度的局部升溫，引起熱膨脹而產生表面切應力[10]，同時激發出橫波、縱波、表面波[11-13]。熱彈性機制條件下，材料表層的局部升溫并沒有導致任何變形，因而具有嚴格的無損檢測特點。

1.2 實驗系統

實驗檢測系統實物圖如圖2所示，Dawa-100型脈沖激光器產生能量100 mJ，頻率20 Hz，脈寬8 ns的脈沖激光，作用在規格為300×200×20 mm的鋁板表面，樣品表面吸收能量溫度升高，引起熱膨脹而產生超聲波。LV-S01-DB型多普勒測振計發出的連續探測激光照射在樣品上，經樣品表面的反射光發生多普勒效應和干涉現象，即可得到超聲波信號。然而鋁板表面較為粗糙、對激光的反射能力較弱，實驗時為增強鋁板表面反射信號的強度、提高信噪比和穩定波形，在探測光照射處貼上一層反射膜。光電探測器對光的改變極為敏感，將其斜置于樣品前側面，通過接收樣品表面的反射光信號提供時間原點。將多普勒振動計和光電探測器接入Tektronix-DPO4102B-L型示波器，可得到表面波波形和波的參考時間原點，進而可得到波的傳播時間，測量激發點與接收點的距離，利用公式即可求得表面波波速。

2 實驗數據測量與處理：

利用上述實驗系統進行超聲波的激發和檢測。將脈沖激光器即激發點固定，通過移動多普勒振動計來改變接收點與激發點的距離，在不同的適當位置接收并記錄超聲信號的波形數據和傳播時間。由于表面波的能量集中在表層，表面波傳播時能量衰減很小，故在短距離內探測時幅值基本不變。圖3為探測到的超聲脈沖信號，第一個單極信號為干擾波，在激光器發出頻閃光時就會出現，之后一個超聲信號呈明顯對心、雙極特性，為典型的激光激發的聲表面波信號。

移動多普勒振動計的位置，記不同的激發點與接收點之間的距離為（），每個對應的傳播時間為（）。由于多普勒振動計本身存在時間延遲，故示波器上兩個波形之間取得的時間并不能完全精確表示距離下表面波的傳播時間，為避免一起本身帶來的誤差，實驗不直接使用公式來計算波速。這里，采用對和進行線性擬合的方法來消除儀器固有誤差。擬合時以x軸表示時間，y軸表示位移，理論上會得到一條在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算波速，故取值時只需保證每次都以兩條波上相同的特征點作為波形傳播的起點和終點即可。本實驗中的取值采用圖4所示方法：從光電探頭的峰值點開始，到表面波的第一個峰值點止，這一段時間作為該接收點與激發點的距離所對應的時間。

根據上訴選取方法，經多次測量，得到的7個不同接收點與激發點的距離和對應的時間的值如表1所示。

對以上七組數據用origin軟件進行線性擬合，擬合直線如圖5所示。由圖5可知，實驗所得的7個點基本嚴格分布在一條直線上，與理論推導結果相同。由軟件擬合的結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，驗證了該方法的可取性。

3 誤差分析

激光超聲無損檢測方法測量表面波波速的誤差主要來源有：儀器固有誤差、激發點與接收點距離的測量誤差、時間的讀取誤差等。

實驗中運用線性擬合的方法，很好的解決了多普勒振動計帶來的儀器固有誤差，并通過多次測量接收點與激發點的距離取平均值和多次讀取波傳播時間取平均值的方法，減小了和的測量和讀取誤差。通過對表面波波形的測量以及對表面波波速的數據分析，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，相對誤差：

=（2880-2861.80）/2880*100%=

0.63% （2）

誤差分析表明，用激光超聲技術測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研究的要求。

4 結語

本實驗采用自主研發的非接觸、高精度的激光超聲實驗系統，對脈沖激光在薄鋁板中激發的超聲表面波信號進行了實驗研究，實驗結果表明：（1）本套實驗系統能夠很好地實現超聲表面波的激發并接收，且表面波波形具有典型的對心、雙極的特點。（2）利用激光超聲技術可以精確的測量出物體的表面波波速，實現完全非接觸、高精度的測量，激光超聲檢測技術在更深入的以表面波檢測為基礎的材料裂縫檢測、金屬焊接缺陷檢測等研究領域會有很好的應用和發展前景。

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