激光超声表面波在7075中的声学特性

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摘要：利用YLF脉冲激光器在7075铝合金中激发出超声表面波，使用TEMPO干涉仪实现非接触接收声表面波信号，分析激光超声表面波的声学特性。

关键词：非接触；激光 超声；声学特性

中图分类号：TB517 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）-01

激光超声检测技术是超声检测的一种新技术，备受国内外的关注。主要是因为激光超声检测技术是一种非接触、宽频带、高空间分辨率及对检测部位的空间位置要求不高的无损检测技术。其特别适用于在高温、高压、有毒等恶劣环境下的无损检测以及对薄膜物理特性的检测。激光激发超声中有纵波、横波和表面波等多种波形。表面波对于表面以及近表面缺陷特别敏感，而且表面波具有不色散、不易衰减等特征。

1 激光超声的激发机理

激光超声，就是用高功率的脉冲激光轰击试样表面，激光光束能量转换成热能，从而产生了局部温度的变化，由于热胀冷缩的作用就在试样中形成了弹性应力波，也叫超声波。根据入射激光光功率密度和材料的表面条件的分类，激光超声激发机制主要包括：热弹性机制和烧蚀机制。

1.1 热弹性机制

当入射脉冲激光的功率密度低于试样表面的损伤阈时，这样不足使工件表面融化，试样表面吸收的部分电磁能转化成热能，致使试样局部表面的温度迅速升高，从而引起试样的热膨胀，即工件发生了形变。由于入射激光是脉冲的，热弹性膨胀也是周期性的，即产生了周期变化的超声波。

当金属表面为自由状态时，有表面体积膨胀产生的应力将平行于固体的表面，该应力源在理论上相当于时域阶跃函数H（t），因此热弹性机制可以激发横波、纵波和表面波。热弹性机制，激发的激光能量比较低，还没有对工件表面造成损伤，因此热弹性机制下的激光超声检测技术可以认为是一种无损检测技术。

1.2 烧蚀机制

当入射脉冲激光的功率密度逐渐增大直至达到试样表面的损伤阈时，试样表面的温度急剧升高达到材料的熔点，产生烧蚀现象。此时工件表面材料融化、汽化甚至形成等离子体而产生一种垂直与表面的作用力，从而激发超声波。

虽然烧蚀机制光声的转化效率较高，甚至可以达到热弹性机制的4倍，但会对工件表面造成0.3μm的损伤。这样就限制了烧蚀机制的应用，而且通常烧蚀机制只是用来产生纵波。综上所述，本文的研究都是基于热弹性机制下的研究。

2 试验设备及试样

本试验采用的是北京镭宝的Tolar-1053型半导体泵浦固体激光器来激发超声波，使用bossa nova的TEMPO-2D干涉仪接收，通过示波器显示并存储数据。

试验原理图、示意图分别如图1、图2所示。通过改变激发点和接收点之间的距离L的大小，分析激光超声表面波在7075平板中得声学特性。

图3是激光激发点与接收点距离为8、6、4、2mm时，接收的数据图形。第一个波峰记录时间原点，第二波峰为表面波波峰。各点渡越时间和振幅如表1所示。

声学特性包括波形、振幅和指向性。激光超声表面波的波形都是单极性而且是负向单极性的。表面波的振幅随着距离的增加成递减的趋势。本文表面波的指向性不做分析。

4 结束语

本文介绍了激光超声检测技术的特点，并测试了激光所激发的声表面在在7075材料中的传播特性。将激光超声检查技术应用于生产实践，还需要更深入的研究、更多专业科研人员的合作。激光超声检测技术的发展前景是值得期待的。

参考文献：

[1]苏琨、任大海，激光致声技术的研究，光电工程，2002，29（5）：68—69.

[2]何存福，激光超声技术及其应用研究，清华大学，1995.

[3]Knopoff L.surface motions of a thick plate，J.Appl.Phys.29（4），April 1958：661—670.

作者简介：

曾荣军（1986-），男，汉族，江西省赣州人，硕士研究生，主要从事无损检测技术的研究。