激光激发声表面波检测表面缺陷深度的研究

【摘要】本文对激光激发瑞利波检测结构表面缺陷深度的三种机制进行总结，并系统研究这三种机制下瑞利波在表面缺陷处发生声波反射与模式转换过程，为激光声表面波技术检测表面缺陷提供有效的理论依据。

【关键词】激光应用，声表面波，缺陷深度

表面缺陷是工件在表面张力的作用下产生的表层张裂现象，然而分布在表面缺陷底部的集中应力将会促使表面缺陷迅速生长最终导致工件报废。因而表面缺陷的检测在航空及机械工业材料的在线检测与无损评估领域中占有极为重要的地位。弹性表面波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。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。本文对激光激发声表面波检测表面缺陷深度的三种机制进行总结，并系统研究这三种机制下瑞利波与表面缺陷相互作用的过程。

一、声表面波检测表面缺陷深度的三种机制

利用激光激发声表面波检测表面缺陷的相关信息，主要是基于渡越时间法，即利用不同的声表面波到达接收点所需的时间获取表面缺陷的相关信息，现有的表面缺陷深度的检测机制主要有三种，下面我们对这三种机制进行讨论和分析。

第一种机制：

如图1，激光在样品上表面激发产生瑞利波（R）， R经过接收点到达缺陷左侧顶点，一部分能量在该点发生反射形成RR，沿着上表面返回接收点，同时一部分R的能量绕过左侧顶点沿缺陷左侧向下传播，到达缺陷底部，除小部分R的能量绕过缺陷底部形成透射波TR沿着缺陷右侧传播，大部分能量将在缺陷底部发生模式转换，转变为纵波和横波向材料内部传播。 其中一部分能量到达接收点，并在样品表面再次发生模式转换，形成瑞利波RL、RS。

第二种机制：

如图2（a），接收点设置在缺陷左侧，激光激发瑞利波R到达表面缺陷左侧顶点，一部分R的能量发生反射，形成RR，沿结构表面返回到接收点。同样另一部分R的能量沿着表面缺陷左侧向下传播。在缺陷底部，除小部分能量绕过底部形成透射声表面波；大部分能量在缺陷底部发生模式转换，转变为体波（RL和RS）向材料内部传播。

在此基础上，保持l和d的大小不变，接收点设置在缺陷右侧，如图2（b），当R到达表面缺陷，一部分R的能量沿着表面缺陷的左边界向下传播，到达缺陷底部。在缺陷底部，一部分能量绕过底部形成透射瑞利波TR沿着缺陷右侧向上传播，到达上表面的接收点，另一部分能量在缺陷底部发生模式转换，转变为体波（TL和TS）向材料内部传播。

基于上述分析，缺陷深度可表示为：

h=[（trR-tR）？酌R]/2 （2）

式中trR为TR到达接收点的时间。通过上式可以获得缺陷深度的大小。

第三种机制：如图3，激光直接辐照表面缺陷所在的区域，由于激光的光斑半径大于缺陷宽度，因此激光在缺陷两侧同时激发产生瑞利波。在缺陷左侧，激光激发的瑞利波（Rn）直接到达接收点，在右侧，瑞利波（Rf ）沿着缺陷的右边界向下传播。在缺陷底部，一部分Rf的能量绕过底部，沿着缺陷的左边界向上传播，并到达上表面的接收点。同样，另一部分能量在缺陷底部发生模式转换，转变为体波（RL和RS）向材料内部传播。

二、结论

本文对激光激发瑞利波检测结构表面缺陷的三种机制进行总结，并分别讨论和分析这三种机制下瑞利波在表面缺陷处发生声波反射与模式转换过程，为激光声表面波技术检测表面缺陷提供有效的理论依据。

参考文献：

[1]孙宏祥， 许伯强， 钱荣祖. 激光声表面波检测黏弹性平板裂痕有限元模拟. 江苏大学学报（自然科学版）， 2010，（3）

[2]孙宏祥， 许伯强， 张淑仪. 声表面波渡越时间法检测黏弹性介质表面缺陷深度的研究. 声学学报， 2011； （2）

[3]孙宏祥， 张淑仪. 激光激发瑞利波检测表面倾斜缺陷的研究. 声学学报， 2013； （4）

基金项目：江苏大学科研立项（12A397），江苏大学工业中心大学生实践创新训练项目，江苏大学大学生实践创新训练项目，江苏省大学生实践创新训练项目