激光诱导超声表面波的实验研究

摘 要：该文采用自主研发的一套非接触、高精度的激光超声实验系统，对脉冲激光在薄铝板中激发的超声表面波信号进行了实验研究。利用调Q脉冲激光器在铝板样品中激发超声表面波信号，超声表面波由激光多普勒测振计接收，接入示波器，记录与超声振动对应的电信号；同时光电探测器接收样品表面的反射光信号提供时间原点的参考接入示波器。实验中测得的波形具有典型的表面波对心、双极的特点，表明该实验系统能够激发并接收到性能良好的超声表面波；对实验数据进行提取、处理和分析，得到表面波在铝板中的传播速度，与理论解吻合良好，表明该实验方法在超声表面波波速测量上有很高的精度和应用前景。

关键词：激光超声 表面波波速无损检测 线性拟合

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：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

工业生产中，对材料力学性能参数实时进行无损检测，对于保证产品质量、降低材料损耗，具有十分重要的意义。然而，传统的无损检测方法由于其局限性，在高温、高压、高湿以及被测工件具有较快的运动速度等限制条件下并不能满足测试要求[1]。激光超声检测技术利用脉冲激光激发和检测超声波，从而实现无损检测、获取材料参数信息，它的出现成功弥补了传统测量方法的缺陷。

近年来，由于激光超声技术具有非接触、无损伤、灵敏度高、精度高、设备简单、抗干扰能力强等优点[2-3]，已逐渐成为材料无损检测的一种重要手段和发展方向，在材料的残余应力检测[4-5]、表面缺陷检测[6-7]、材料力学性能测量[8]等方面得到了广泛应用。应用激光超声技术测量各项同性材料的超声表面波波速具有无损伤、精确度高的优点，并且通过对表面波的精确测量，可以为进一步实现对材料裂纹、金属焊接裂缝等的测量打下基础。本实验采用激光诱导超声技术，精确测量出样品的表面波波速，并分析了误差的产生原因。

1 实验方案

1.1 实验原理

激光超声是指利用高能量的脉冲激光与工件表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，进而在物体内部产生超声波，其激发机制有热弹性机制和烧蚀机制两种[9]。本实验采用热弹性机制在样品表面激发超声波，如图1所示：当入射脉冲激光功率密度较小，不足以使工件表面融化时，激光的能量一部分被反射，另一部分被吸收并转化为热能，使样品表面产生几十到几百度的局部升温，引起热膨胀而产生表面切应力[10]，同时激发出横波、纵波、表面波[11-13]。热弹性机制条件下，材料表层的局部升温并没有导致任何变形，因而具有严格的无损检测特点。

1.2 实验系统

实验检测系统实物图如图2所示，Dawa-100型脉冲激光器产生能量100 mJ，频率20 Hz，脉宽8 ns的脉冲激光，作用在规格为300×200×20 mm的铝板表面，样品表面吸收能量温度升高，引起热膨胀而产生超声波。LV-S01-DB型多普勒测振计发出的连续探测激光照射在样品上，经样品表面的反射光发生多普勒效应和干涉现象，即可得到超声波信号。然而铝板表面较为粗糙、对激光的反射能力较弱，实验时为增强铝板表面反射信号的强度、提高信噪比和稳定波形，在探测光照射处贴上一层反射膜。光电探测器对光的改变极为敏感，将其斜置于样品前侧面，通过接收样品表面的反射光信号提供时间原点。将多普勒振动计和光电探测器接入Tektronix-DPO4102B-L型示波器，可得到表面波波形和波的参考时间原点，进而可得到波的传播时间，测量激发点与接收点的距离，利用公式即可求得表面波波速。

2 实验数据测量与处理：

利用上述实验系统进行超声波的激发和检测。将脉冲激光器即激发点固定，通过移动多普勒振动计来改变接收点与激发点的距离，在不同的适当位置接收并记录超声信号的波形数据和传播时间。由于表面波的能量集中在表层，表面波传播时能量衰减很小，故在短距离内探测时幅值基本不变。图3为探测到的超声脉冲信号，第一个单极信号为干扰波，在激光器发出频闪光时就会出现，之后一个超声信号呈明显对心、双极特性，为典型的激光激发的声表面波信号。

移动多普勒振动计的位置，记不同的激发点与接收点之间的距离为（），每个对应的传播时间为（）。由于多普勒振动计本身存在时间延迟，故示波器上两个波形之间取得的时间并不能完全精确表示距离下表面波的传播时间，为避免一起本身带来的误差，实验不直接使用公式来计算波速。这里，采用对和进行线性拟合的方法来消除仪器固有误差。拟合时以x轴表示时间，y轴表示位移，理论上会得到一条在x轴上截距为正的拟合直线，直线的斜率k即为表面波的波速。

由于是采用线性拟合的方法计算波速，故取值时只需保证每次都以两条波上相同的特征点作为波形传播的起点和终点即可。本实验中的取值采用图4所示方法：从光电探头的峰值点开始，到表面波的第一个峰值点止，这一段时间作为该接收点与激发点的距离所对应的时间。

根据上诉选取方法，经多次测量，得到的7个不同接收点与激发点的距离和对应的时间的值如表1所示。

对以上七组数据用origin软件进行线性拟合，拟合直线如图5所示。由图5可知，实验所得的7个点基本严格分布在一条直线上，与理论推导结果相同。由软件拟合的结果分析可得与的拟合直线方程为：

（1）

拟合直线斜率k=2861.80，即表面波波速 m/s。这与理论表面波波速2880 m/s为接近，验证了该方法的可取性。

3 误差分析

激光超声无损检测方法测量表面波波速的误差主要来源有：仪器固有误差、激发点与接收点距离的测量误差、时间的读取误差等。

实验中运用线性拟合的方法，很好的解决了多普勒振动计带来的仪器固有误差，并通过多次测量接收点与激发点的距离取平均值和多次读取波传播时间取平均值的方法，减小了和的测量和读取误差。通过对表面波波形的测量以及对表面波波速的数据分析，得出表面波波速为 2861.80 m/s，与理论表面波波速2880 m/s极为接近，相对误差：

=（2880-2861.80）/2880*100%=

0.63% （2）

误差分析表明，用激光超声技术测量样品的超声表面波声速具有较高的精度，能够满足工程及科学研究的要求。

4 结语

本实验采用自主研发的非接触、高精度的激光超声实验系统，对脉冲激光在薄铝板中激发的超声表面波信号进行了实验研究，实验结果表明：（1）本套实验系统能够很好地实现超声表面波的激发并接收，且表面波波形具有典型的对心、双极的特点。（2）利用激光超声技术可以精确的测量出物体的表面波波速，实现完全非接触、高精度的测量，激光超声检测技术在更深入的以表面波检测为基础的材料裂缝检测、金属焊接缺陷检测等研究领域会有很好的应用和发展前景。

参考文献

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