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表面窄缺陷深度的光声检测方法.docx
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表面窄缺陷深度的光声检测方法.docx
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摘要
为实现对表面缺陷深度的激光超声定量检测,建立了与缺陷宽度有关的深度测量理论。建立
了含有宽度修正项的深度测量公式,并定义了缺陷尺寸比值概念,划分了窄缺陷、极窄缺陷
与宽缺陷三种缺陷类型,以及在这三种不同类型下缺陷深度测量方法的适用性,并采用有限
元仿真加以验证;搭建了激光超声检测实验平台,对铝合金表面缺陷样品进行了深度检测。
结果表明:引入宽度修正项可实现对窄缺陷深度的定量检测,该方法的平均测量误差不足 5%,
很好地实现了缺陷深度的精确测量。
Abstract
This paper develops a depth measurement theory related to defect width for the
quantitative laser ultrasonic detection of surface defect depth. A depth measurement
formula with a width correction item is established, and a concept of defect size ratio is
defined. Defects are divided into three types, namely narrow defects, extremely narrow
defects, and wide defects. The applicability of the defect depth measurement method in
measuring the three types of defects is discussed, and finite element simulation is
adopted for verification. Finally, an experimental platform for laser ultrasonic detection is
built to conduct depth detection of aluminum alloy samples with surface defects. The
results show that quantitative detection of narrow defect depth can be achieved by
introducing the width correction item. The average measurement error is less than 5%,
which means that accurate measurement of the defect depth has been achieved.
1 引言
表面微缺陷的滋生会导致结构力学性能劣化,表面微缺陷若未被及时检测,会进一步扩展成
为更大的缺陷,对结构的安全使用造成十分严重的后果。因此,对表面微缺陷的定量检测对
于实现结构完整性的检测与评价具有重要意义。
激光超声激励表面波在传播过程中与缺陷相互作用,并发生反射、透射与散射现象,大量的
研究工作
[1-7]
表明由此产生的声信号携带了缺陷的几何信息,可用于对表面缺陷的定量检测,
其中利用表面声波传播的时间特征实现表面缺陷深度的检测是非常常见的方法。何存富
[8]
利用反射波、表面波、表面波回波三者到达的时间间隔实现了对材料表面刀痕缺陷的检
测。王敬时等
[9]
发现了缺陷宽度的增大对表面波透射能量有明显的衰减作用,这为表面微缺
陷的定位和缺陷深度的定量检测提供了理论依据。Cooper 等
[10-11]
利用裂纹尖端处散射声信
号传播的时间特征建立了表面缺陷的深度检测方法。Cooper 在实验部分中指出了测量精度
不仅与缺陷深度有关,也与缺陷宽度有关,并为检测结果添加了宽度修正项,但没有给出相应
的检测理论。此外,Jeong 在实验中对深度范围为 0.3~5 mm 的缺陷进行了测量,但并没有考
虑缺陷宽度的影响,由此得到深度为 0.3 mm 与 1 mm 的测量误差相对于深度为 2~5 mm 的
测量误差更大的结论。这是由于在缺陷深度检测时,缺陷宽度对缺陷深度测量造成的影响不
可忽略,而相比大缺陷,较小的缺陷受到的影响更大,随之带来的测量误差也更大。基于时域
特征的方法多数采用声波传播的声程实现缺陷深度的检测,这就需要声波沿着缺陷表面传播
足够多的时间,该方法多用于检测深度更大的缺陷,现有的关于此问题的理论研究并不完
整。此外,可将激光超声表面波检测技术分为时域检测法
[12-16]
和频域检测
[17]
。关建飞等
[18]
研
究了不同深度的表面微缺陷对声表面波信号时域特征的定量影响,采用声表面波信号中振荡
成分的时间间隔定量检测材料表面的微缺陷深度。李海洋等
[19-20]
提出了基于透射法检测与
估计表面缺陷深度的方法,完成了缺陷处 B-scan 信号的采集与成像,由透射系数与表面缺陷
深度拟合曲线估计了 0.3 mm 深度的表面缺陷。
本文分析了激光超声表面波在矩形缺陷尖端的波形转换现象,基于声波传播的时间特征建立
了受缺陷宽度影响的定量测量表面缺陷深度的方法。根据缺陷几何特征提出了缺陷尺寸比
值概念,由此划分了窄缺陷、极窄缺陷与宽缺陷三种不同的缺陷类型,并给定了测量方法的
适用性;利用 COMSOL Multiphysics 有限元仿真软件对矩形缺陷底部发生的波形转换进行
了仿真,对提出的缺陷类型划分与深度测量理论进行了验证;搭建了激光超声实验平台,基于
缺陷尖端波型转换现象,结合不同缺陷类型,实现了样品表面缺陷的深度检测与评估。本文
研究成果为激光超声表面缺陷深度检测方法提供了理论分析和实验依据。
2 窄缺陷深度检测理论的分析与仿真
2.1 测量理论
本文使用热弹激发原理激励表面波,实现表面缺陷的定量检测。图 1 描述了一个深度为 d、
宽度为 w 的矩形表面缺陷与激光超声表面波的相互作用以及激光超声表面波的反射、透射
以及尖端散射声场,其中 RR 是反射表面波,TR 是透射声波,RS 是由缺陷尖端处发生散射后
的横波信号 S
3
在材料表面形成的表面波。
图 1. 表面缺陷处尖端波形转换现象
Fig. 1. Waveform conversion phenomenon at tip of surface defect
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为了更清楚地分析缺陷尖端处波形转换现象,将表面波传播过程分为三条线路。线路①表示
表面波被缺陷反射形成反射声波 RR;线路②表示直达表面波经过矩形缺陷散射之后,所生成
的表面波分量沿着矩形缺陷表面继续传播,依次在矩形缺陷的左侧表面、缺陷底部和缺陷右
侧表面生成的表面波为 RT、SR
1
和 SR
2
,最终形成透射声波 TR;线路③表示表面波在缺陷底
部第一次遇到 M 点发生了第一模态转换,在第一次遇到 N 点发生第二次模态转换,第二次遇
到 M 点发生了第三次模态转换,依次生成表面波 RT、SR
1
、SR
3
、S
3
,最终在材料表面形成
表面波 RS。线路①中的反射表面波 RR 是遇到缺陷左侧表面直接反射的表面波声信号,而
线路③中的尖端散射表面波 RS 是表面波沿着缺陷表面传播并在底部尖端 M 和 N 点发生反
射和散射产生的表面波声信号。那么接收线路①中的反射表面波 RR 和接收线路③中的尖
端散射表面波 RS 之间必然存在一定的时间差,而该时间差与表面缺陷的深度和宽度都有关
系,这为表面缺陷几何参数的定量检测提供了思路。本文正是利用了线路①和线路③中不同
声信号的时间差实现了表面缺陷深度的测量。
下面对线路③中的三次模态转换过程进行分析。为了更清晰地表述缺陷尖端处的散射声场
分布,沿着缺陷底部水平线和垂直线将缺陷尖端所处的区域分为 A、B 和 C 三个区域,如图
1 所示。线路③的第一次模态转换是沿着缺陷表面传播的表面波 RT 第一次遇到缺陷尖端
左侧 M 点发生散射的过程。此时,被作用的 M 点相当于一个声源,这种声源与激光激发声源
类似但又有所区别。相似的地方是: B、C 区域内部的声场与脉冲激光在材料内部激发的声
场一样都生成了横波 S
1
与表面波 SR
1
,且两者激励的声场指向性相似,文献[ 21]也说明了这
一点。不同的地方是:在缺陷尖端散射过程中,沿着缺陷表面传播的表面声信号的大部分能
量以与原来传播方向相同的横波信号向固体材料内部辐射。也就是说在第一次模态转换
时,B、C 区域中声波能量大于 A 区域声波能量。同理,第三次模态转换时,A、B 区域声波能
量大于 C 区。这一点对于确定散射声波 RS 是由第三次模态转换产生的横波信号 S
3
转化而
成十分重要。该现象也在文献[ 21]中被分析过。该检测方法利用线路①中的反射表面波
RR 和接收线路③中第三次模态转换产生的表面波 RS 的接收时间差实现表面缺陷的深度
检测,因此其检测效果不仅与缺陷深度有关,也与缺陷宽度有关。此外,线路③中的模态转换
发生了多次,但是后续的几次模态转换能量逐渐减弱,本文只采用前三次模态转换测量缺陷
深度。根据缺陷尖端波形散射原理,结合反射回波中表面波 RR 与 RS 的声程时间差,利用三
角函数可以建立缺陷深度 d 与时间延迟 Δt 的关系式:
d=cosθνrνsΔt(cosθ−sinθ)νs+νr−2w,(1)d=cosθνrνsΔt(cosθ-sinθ)νs+νr-2w,(1)
式中:ν
r
和 ν
s
分别是表面波和横波的波速;θ 是第三次模态转换时 M 点处声场中横波 S
3
的传
播方向角,θ=30°。由于发生模态转换时被作用的 M 点相当于一个声源,且其声场的指向性与
激光激发声场类似,所以两声场中横波的传播方向也保持一致。在激光激发声场中,横波的
方向性是关于表面法向对称的,横波在法线两侧以双瓣的形式向外辐射,主瓣约在 30°时最大
[22]
。相似地,横波 S
3
的传播方向是关于 A、B 区域的交界对称的,其在 A、B 两区域内沿区
域交界以双瓣的形式向两区域辐射,主瓣同样在 30°时最大,所以在这里 θ 取 30°。
由(1)式可见,本文基于缺陷尖端散射声波的时域特征对缺陷深度的检测效果与缺陷的宽度有
关。文献[ 11]也是利用散射声信号实现缺陷深度的检测,但是并没有考虑 2w 这一影响因
素。这就存在一个问题:采用尖端散射法实现表面缺陷深度的定量测量时,表面缺陷的宽度
对深度定量检测会造成什么影响?为了更清晰地分析这个问题,根据 2w/d 的比值,即表面缺
陷宽度与深度比值,定义了窄缺陷、极窄缺陷和宽缺陷的概念。在对这三种不同类型缺陷的
深度进行检测时,(1)式的适用范围是不同的。当缺陷尺寸满足 0.1<2w/d≤2 时,将其定义为窄
缺陷,对窄缺陷进行检测时,不可忽略缺陷宽度的影响,即(1)式中 2w 项不可忽略;当缺陷尺寸
满足 2w/d≤0.1 时,缺陷尺寸超出窄缺陷范围下限,将其定义为极窄缺陷,对极窄缺陷进行检测
时,可以忽略缺陷宽度的影响,即忽略(1)式中的 2w 项;当缺陷尺寸满足 2w/d>2 时,缺陷尺寸
超出窄缺陷范围上限,将其定义为宽缺陷,对宽缺陷进行检测时,缺陷宽度对缺陷深度测量造
成的影响过大,无法准确使用声程差对表面缺陷深度进行定量检测,基于(1)式的检测方法不
再适用。
2.2 有限元仿真模型建立与声场分析
采用有限元仿真软件 COMSOL Multiphysics 建立激光超声缺陷检测的二维模型。矩形模
型尺寸为 30 mm×5 mm,并采用铝合金作为仿真材料,缺陷尺寸为 0.5 mm×0.5 mm。在二维
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