激光激发兰姆波技术检测薄膜表面缺陷的研究

【摘要】本文研究激光激发兰姆波检测薄膜表面缺陷。通过分析含不同微缺陷薄膜样品表面的兰姆波波形，探索缺陷的深度以及个数变化对兰姆波波形的影响，从而为检测薄膜表面微缺陷提供理论指导。

【关键词】激光，兰姆波，表面缺陷

1.引言

激光超声技术具有非接触超声激发与探测，可一次性激发多种超声模式以及带宽的超声波等特点，在无损检测领域的应用价值越来越受研究者们的重视。兰姆波在超声检测中是十分有用的波型， 在激光超声技术中亦不例外，由于脉冲激光可聚焦成很小的点源，使得兰姆波能对薄膜中的微缺陷进行有效地检测。本文采用有限元法建立激光激发兰姆波的数值模型，研究含不同微缺陷薄膜样品的表面兰姆波波形，探索微缺陷的位置、深度以及宽度的变化对兰姆波的影响，为检测薄膜表面微缺陷提供理论参考。

2. 模型及结果讨论

考虑一块材质均匀的带缺陷的薄膜样品，如图1所示。薄膜材料为铝，密度为2780kg/m3，弹性模量分别为C11= C22=112GPa， C12= 58GPa，C66= 27Gpa。薄膜长度为40mm，厚度为0.1mm，激光位于薄膜表面x=0处，表面缺陷的位置为x=5mm，缺陷宽度为0.02mm，深度为0.04mm。设脉冲线源激光沿着z轴辐照样品表面，样品沿着x， y方向的平面对称，按平面应变条件，可得z方向的位移为0，激光激发的超声波沿着平面xOy传播。薄膜中频域波动方程表示如下：

图2 样品 （a）上表面及（b）下表面的缺陷深度变化位移波形图，（c）上表面缺陷个数变化位移波形图。

图2（a）与2（b）分别显示缺陷在薄膜上、下表面x=5mm处，缺陷深度分别为0.02mm，0.04mm，0.06mm的瞬态波形。

从图1（a）可以看出：在厚度为0.1mm的铝薄膜中，激光激发的位移是典型的兰姆波，且能量主要集中在零阶反对称模A0模中，A0模中高频成分先到达观测点，低频成分紧追其后。

随着表面缺陷深度逐渐增加，A0模的振幅发生明显变化，尤其是20微秒-40微秒区域，波形发生明显的变形，这就说明薄膜上表面缺陷的深度变化对A0模的低频成分影响较大。

同样从图2（b）可以看出：随着下表面缺陷深度逐渐增加，A0模的振幅发生明显变化，高频成分变化较小，低频成分变化更加明显，但与图2（a）相比，高频成分的变化更加显著。

这就说明A0模的高频与低频成分均受到薄膜下表面缺陷深度的变化的影响。

从图2（a）与2（b）可以得到，薄膜表面缺陷深度的变化与兰姆波中A0模的不同频率成分的振幅变化相关。

图2（c）显示薄膜上表面缺陷的个数分别为1、2、3所对应的瞬态波形图，表面缺陷的间隔为0.1mm。

从图2（c）可以看出，随着缺陷数量逐渐增多，A0模低频成分的振幅发生明显变化，高频成分的振幅基本不变，且缺陷个数越多，A0模低频成分的振幅变化越大。

可见缺陷数量对兰姆波的影响主要集中在A0模的低频成分振幅变化。

3.结论

本文通过分析含不同微缺陷薄膜样品表面的A0模瞬态波形，探索缺陷深度及数量对A0模瞬态波形的影响，结果表明：缺陷深度及数量变化对模低频成分的振幅影响较大，本研究为激光激发兰姆波技术检测薄膜表面微缺陷的研究提供理论依据。

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：江苏省大学生实践创新训练计划项目（201413986010Y），江苏大学科研立项（13A073）， 江苏大学工业中心实践创新训练计划项目资助