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激光超声技术用于材料表面缺陷检测 张国平李刚 (武汉市华中师范大学物理学院电信系 武汉430079) 摘要：激光超声技术是无损检测领域中的一种重要技术和手段．本文首先分析了激光激发表 面声波用于检测材料表面缺陷的理论基础，接着阐述了激光超声检测的系统结构，实验测试了表面 刻有开口缺陷的铝板，实验结果表明激光超声技术用于检测材料表面微小缺陷是切实可行的，并具 有非接触、分辨率高等优点． 关键词：超声波；激光超声：表面缺陷；无损检测 1．引言 近年来，随着工业自动化程度的不断提高，人们对于无损检测技术，尤其是非接触无损检测技术 的需求越来越迫切。激光超声检测技术是利用激光脉冲照射样品表面，激发出超声波，并利用光学 方法对超声波进行检测，从而实现对样品进行无损检测的一种方法。目前，激光超声技术已成为无损 检测领域中的一种重要技术和手段。【I．21 由于激光超声具有非接触，时间和空间分辨率高，对样品的形状和尺寸没有特殊要求等优点， 它已被广泛地应用于工业无损检测，材料的表征，以及复合材料和各向异性材料的声传播规律研究 等领域。‘3川 本文对于激光超声技术用于铝板表面缺陷的检测进行了理论分析和实验测试。 2．理论基础 激光超声是样品在激光脉冲的作用下产生的，它不仅与激光的时间特性和空间特性有关，还与 材料本身的光学、热学、力学等特性有关。激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导 波，而且它们在时间上具有与冲击函数6(f)或阶跃函数H(f)很相似的特性，使得激光超声技术成为研 究复杂媒质中声传播理论的有效手段。 超声波在样品表面和内部的传播情况与样品的性能和结构有关。在遇到异质界面时，激光超声 会产生透射、反射、折射和散射等现象。通过对探测到的激光超声信号进行分析和处理，可以获得 样品信息，这就是激光超声检测技术的理论依据。【5l 许多材料，尤其是高强度的脆性材料最大应力常常发生 在表面，而表面开口缺陷又特别易于扩展，因此，利用激光 激发光 检测光 超声技术对表面(或亚表面)缺陷进行检测是非常重要的。 表面波同其它弹性波一样，在传播过程中遇到表面或近 ／，∑／ ／’ 表面缺陷时，部分表面声波在缺陷处仍以表面波的形式被反 ／ M ∥ 射，并沿物体表面返回。通过比较表面有缺陷和无缺陷的表 面回波的差异，可以判断出表面缺陷的位置。 P丁一 测量表面声波的示意图如图1所示。图中，检测光照射 点位于缺陷和脉冲激发光照射点之间，z，Y，d分别为激光超 声源与检测点、检测点与样品边界、缺陷与样品边界之间的 图1表面缺陷检测装置示意图 距离。 对于一般固体，由于表面波速度是未知的。本实验利用表面波回波间的时间间隔的比值，来求 d，避免了表面波速度未知或不精确带来的影响。 令rRl为超声首波与缺陷回波之间的时间间隔，f舵为超声缺陷回波与界面回波之间的时间间 1053 隔，则： ％l：—2(y-—d) (1) f足 2d fR2 (2) 2一 C胄 式中靠为材料的表面波速度。上两式相除，则有： 、 丑：型 3) k2 d 若J，已知，通过实验测试出时间间隔△fRl和AtR2，就可以根