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激光声表面波用于金属表面缺陷无损检测的研究

严刚  
【摘要】: 本文系统地开展了脉冲激光在金属材料中热弹激发声表面波以及用于表面缺陷无损检测的研究,讨论了表面缺陷对远场、近场声表面波的作用机制。 首先从脉冲激光激发超声的解析模型出发,分析了点光源和线光源的激励机理,并利用有限元法数值模拟了热弹机制下激光点源在金属铝板中激发的声表面波。 建立了基于光偏转法的光差分激光超声检测系统,研究了激光声表面波与激发源的形状和激光线源能量的关系,验证了激光激发超声的光源解析模型的正确性,证实了线光源产生的声表面波具有信号强、方向性好的优点;得到了声表面波信号幅度随激光功率密度的变化关系,随着入射激光功率密度的不断增加,激发机制由热弹变为融蚀,声表面波幅度变化显著,相应频谱的中心频率向高频方向移动。 建立了PVDF传感器检测激光超声的实验系统,通过扫描激光线源法研究表面缺陷和微缺陷对远场、近场声表面波的影响。利用直达声表面波和反射回波到达时间可以精确算出缺陷位置;在缺陷近场区域内,多种声波由于缺陷散射而发生模式转换,并在近场区域发生叠加,声表面波信号的幅度和频谱特征都有显著的变化。 建立了双波混合干涉仪检测激光超声的实验系统,通过扫描激光线源法研究了金属表面缺陷对远场、近场声表面波的作用机制及缺陷深度对近场声表面波的影响,重点讨论了缺陷深度对远场、近场激光声表面波的影响。当缺陷深度小于直达声表面波中心频率对应的波长时,驻点处的频率对应的波长大小与缺陷深度大小相当;当缺陷深度大于直达声表面波中心频率对应的波长时,缺陷深度对声表面波频谱的影响已经趋于饱和。 本文的研究成果将为金属表面缺陷对激光声表面波作用机制的理论提供实验依据,也为金属表面缺陷无损检测提供有效的检测方法。


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