激光在金属中激励超声脉冲的研充

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.1992.02.025 第14卷第2期 北京科技大学学报 Vol.14 No.2 1992年3月 Jcurnal of University of Science and Technology Beijing March 1992 激光在金属中激励超声脉冲的研充* 龚育良·俞为民·徐炎· 摘要：报道了用Q开与YAG激光器在金属中激励超声脉冲，以及敬光能量、材料表面 状况和材料巾人工缺陷对激光激励超声脉冲影响的研究结果，它对于研究激光与物质的相互 作用以及将激光超声用于无损检测都是有益的。 关键词：微光，金属，超声 A Study of the Laser Generated Ultrasonic in Metal Gong Yuliang·Yu Welmin·Xu Yan" ABSTRACT:Ultrasonic pulse are generated by irradiation with a Q-switched Nd:YAG laser,The effects of the laser power density and the conditions of the metal surface on the intensity of the ultrasonic pulse are studied.The effects of a simulated defect in the metal sample on the propagation of the ultrasonic pulse are also studied, KEY WORDS:laser,ultrasond,metal 激光超声具有不接触、无需耦合剂，以及超声脉冲幅度大、脉宽窄和测量快等优点。因 此它可以对高衰减和很薄的材料进行无损检验，它易与光学扫描等结合进行远距离在线检测 以及解决压电超声难以完成的检测问题。如高温、有毒环境下，很小的元件和不允许接触的敏 感表面的无损检测。但是要将激光超声用于实际的无损检测，无论在超声的激光激励，还是 在超声的不接触接收方面都有很多问题有待研究解决。其中激光能量与激励的超声脉冲的形 状和幅度的关系，材料表面状况和缺陷对激光激励的声脉冲的影响等问题，都是非常重要的 基本问题。因此提高激光激励超声脉冲的效率，用尽可能小的激光能量激励尽可能大的超声 脉冲不但是激光超声检测需要解决的问题。而涉及到激光与物质相互作用的物理问题。至于 1991-10-16收稿 +国家自然科学基金资助项目 ,物理系(Dcpt,of Physics) 277

第刊卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 激光在金属 中激励超声脉冲的研充 二 龚育 良 ’ 俞 为 民 ’ 徐 炎 ’ 摘 要 报道 了用 开与 人 激 光器 在金属 中激励超声脉冲 ， 以及激 光能 量 、 材料表面 状况 和 材料 巾人 工 缺 陷对激 光激 励超声脉冲影响 的研究结果 ， 它 对于 研究激 光 与物质 的相 互 作 用 以及 特激 光超 声 用于无 损 检测都是有 益 的 。 关 键 词 激 光 ， 金 属 ， 翘声 夕 犷 ￡ 夕 牙 月 一 。 ， ， 激光超声具有不接触 、 无需祸合剂 ， 以及超声脉 冲幅度大 、 脉宽窄和测量快等优点 。 因 此它可 以对 高衰减和很薄的材料 进行 无 损检验 ， 它 易与光 学 扫描等结 合进行远距离在线检测 以 及解决压电超声难以 完成的检测 问题 。 如高温 、 有毒环境下 ， 很小的元件和不允许接触 的敏 感表 面的 无损检侧 。 但是要将 激光超声用于 实际 的 无损检测 ， 无论 在超声的激光激励 ， 还是 在超声的 不接触接收方面都有很 多向题有待研究解决 。 其 下激光能 量与激励的超声脉 冲的形 状和幅度 的关系 ， 材料表 面状况和缺陷对激光激励 的声脉冲的 影响等问题 ， 都是非常重要 的 基本 问题 。 因此提高激光激励超声脉 冲的效 率 ， 用尽可能 小的 激光能 量激励尽可能大的超声 脉 冲不但是激光超声检测需要解决的 问题 。 而 涉及 到激光 与物质相 互作用的物理问题 。 一 一 收稿 国家 自然科学 基金资助项 目 ， 物理系 至于 竹 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．02．025

材料中缺陷对激光激励的超声脉冲的响应更是激光超声无损的关键问题。本文对上述问题进 行了研究。 1实验装置及实验方法 图1为实验装置原理图。激光超声激励源是一台Q开关YAG激光器，波长1.06μm,激 光脉宽为10ns。单脉冲能量在60MJ内连续可调，光束直径为2~4mm。光束以每秒1次的频率 投射到样品表面激励超声脉冲，用5MHz,中20mm的压电探头测超声脉冲，输出的激光超声 脉冲放大后送到记忆示波器。示波器的同步触发信号来自光电二极管输出的激光脉冲电信 号，得到的波形用照相机摄下来进行分析处理。 a 图1激光超声检测实验系统 a-激光器影b-光电二极管，c-样品； d-压电探头；e-放大器；f-记忆示波器 Fig.1 Expermiental arrangcment for the gencration and detection of laser ultrasound 样品为铝、钢和铜质无缺陷的中58mm×25血m的平头圆柱形和带有不同人工缺陷的铝质 和钢圆柱体。用不同的激光能量照射到同样样品表面激励超声脉冲，研究激光能量与激励的起 声脉冲幅度的关系；用同样能量的激光脉冲照射不同质样品的表面，和同质而具有不同人工 缺陷以及同质而表面状况不同的表面上，研究其对激光激励的超声脉冲的影响。 2实验结果 2,1激光波形照片 用10MJ激光脉冲在铝、钢、铜等材料中激动超声脉冲，用压电探头接收到的激光波形 图？金属中激光超声波形 (a)黄铜：(b)铝，(c)钢 Fig.2 Laser ultrasonic waveforms of metals 278

材料 中缺 陷 对激光激励的超声脉冲的响应更是激光超声无损的关键问题 。 本文对上述问题进 行 了研究 。 实验装置及实验方法 图 为实验装置 原 理图 。 激光 超声激励源是一台 开 关 激 光器 ， 波长 林 ， 激 光脉 宽为 。 单脉 冲能 量在 内连 续可 调 ， 光 束直径为 。 光 束 以每秒 次的频 率 投射 到样 品表 面激励 超声脉 冲 ， 用 ， 协 的 压 电探头 测超 声脉 冲 ， 输 出的激光 超 声 脉 冲放大后送 到记忆示波 器 。 示波 器的 同步触 发信号 来 自光 电二 极管输 出的激 光 脉 冲 电 信 号 ， 得 到的波形 用 照相机摄下来进行分 析处理 。 图 激光超声检测实验系统 。 一 激光器， 一 光 电二 极管 一 样品 一 压 电探 头 一 放大器， 一 记忆示波 器 王 呈 样 品 为铝 、 钢和铜 质无 缺陷 的帖 火 的平 头 圆柱形和带有不 同人 工缺陷的铝 质 和钢 圆柱 体 。 用 不同的激 光能 量 照射 到 同样样 品表 面激 励 超 声脉 冲 ，研究激 光能 量与激励 的起 声脉 冲幅度的关 系 用 同样 能 量的激光脉 冲 照射不同质样 品 的表 面 ， 和 同 质而具 有 不同人 工 缺陷 以及同 质而表 面状况 不同的表 面上 ， 研究其对激 光激励 的超 声脉 冲的影响 。 实 验 结 果 激 光波形 照 片 用 激 光脉 冲 在铝 、 钢 、 铜 等材料 中激励 超 声脉 冲 ， 用 压电探头 接收到的 激 光 波 形 图 金 属 中激 光超声波 形 黄铜多 铝 钢 “ 罗

照片如图2所示。图中时基均为2s,垂直分度为每格5mV。图2中6,2μs处出现的第一个峰是 沿激光投射方向最先到达接收器的纵波Lo,在12.5μs处出现的是横波脉冲So,在16.3μs点 出现的脉冲是沿60°方向辐射的Had波LS到达接收器时形成的，图中出现多个脉冲是激光点 声源向不同方向发射声波，在不同时刻达到压电接收器和某些共振形成的。理论分析表明， 若表示点声源辐声波方向与激光投射方向间夹角，则在6<6c-Sin-1(Cs/C)范围内点声 源只激励L波和S波，在>9c范围内，除L波和S外，还激励LS波，而LS波到达时间与发 射声波的方向有关： tsL=RCSin0/CL+(1/C2L8-1/C2)/2cos0] 根据L。和S。到达的时刻，计算得黄铜中纵波声速CL=4032m/s,横波声速Cs=2000m/s。 由上式可计算不同方向LS波的速度C1s。0=o时，Cs=Cs,0=90°时，C8=C；0=59 时，C8=2993m/s。依此为准计算出各个不同方向的L波、S波和LS被到达接收器的时刻与 实际得到的被形图相符。如在16.3μs和18.6μs处出现的是LS波，在铝和钢中也得到超声脉 冲，只是由于声速不同，各个波到达的时刻不同，波形也不尽相同。但得到的铝中C=6410 m/s,Cs=3246m/s,钢中C1=5555m/s,Cs=3125m/s,以及计算得到的波到达时刻与实 际均相符合。 2,2激光功率密度与其激励的超声的关系 实验中激光束直径保持不变，通过改变激光脉冲能量来改变激光功率密度。图8为不同 激光脉冲能量照射下在A样品中激发的激光超声形，时基为每格1us,垂直分度为每格 10mV。 图3铝样品中激尖的超声被形 Fig.3 Laser ultrasonic waveforms of Al sample (a)0.7mJ:(b)5,6mJ:(c)16mJ;(d)40mJ:(e)60mJ 279

照片如图 所示 。 图 中时 基均 为知 ，， 垂 直分 度为每格 。 图 中 处 出现 的 第一个峰是 沿激光投射 方向最先 到达接收 器的纵波 。 ， 在 处 出现 的是横波 脉 冲 。 ， 在 畔点 出现 的脉冲是沿 ” 方 向辐射的 波 到达接收器时 形 成的 ， 图 中出现多个脉 冲是激光点 声源 向不 同方向发射 声波 ， 在不 同时 刻达到 压电接收器和某些 共振 形成的 。 理论分析 表 明 ， 若 表示点 声源辐 声波 方向 与 激 光投射 方向 间夹角 ， 则 在 一 ‘ 范 围 内 点 声 源只 激励 波 和 波 ， 在 范 围内 ， 除 波和 外 ， 还激励 波 ， 而 波 到达时 间 与 发 射 声波 的 方向有关 〔 “ 。 一 艺 尸 口〕 根据 。 和 。 到达 的时 刻 ， 计算得 黄铜 中纵波 声速 二 ， 横波 声速 。 由上式可 计算不 同方向 波 的速 度 。 。 。 时 ， 。 口 “ 时 ， 。 二 二 时 ， 。 二 。 依此 为谁 计算出各 个不同 方向的 波 、 波和 波 到达接收 器的时刻 与 实际得到 的波 形 图相 符 。 如 在 哪和 邸处 出现 的 是 波 ， 在铝 和钢 中也得 到 超 声 脉 冲 ， 只是 由于 声速 不 同 ， 各 个波 到达的时 刻 不 同 ，波 形 也不尽相 同 。 但 得 到 的铝 中 。 二 ， 钢 中 二 ， 二 ， 以及计算得 的波 手 达 时 刻 与 实 际均 相 符合 。 激 光功 率密度与其激 励 的超 声的关 系 实验 中激光 束直径 保持 不 变 ， 通 过改 变激光脉 冲能 量 来 改 变激光 功 率密 度 。 图 为不 同 激 光脉 冲能 量 照射下在 样 品 中激 发 的 激光 超 声波 形 ， 时 基为每格 邸 ， 垂 直 分 度 为 每 格 。 图 铝样品 中 激 发 的 超声 波 形 。 ， 粤铲守

纵波和横波幅度随激光脉冲能量投射到样品表面的变化情况如图4所示。随着投射到样 品表面激光功率密度的增长，纵波和横波幅度也随之大。当功率密度大于10×10？W/cm2时， 纵被幅度增大速度开始加快，并且开始超过横波幅度。而在10×107W/cm2以内纵波和横波 幅度之和基本上随功率密度而线性增大，但横波的幅度大于纵波的幅度。从波形图变化还可 以看出，在激光能量小于5mJ,或功率密度小于10？W/cm时，纵被只有向下脉冲。这时金 属中的超声休冲是由热弹性激励的。当激光脉冲投射到样品表面时，部分能量被材料吸收， 温度迅速升高引起快速热膨胀激励超声脉冲，在样品另一面引起负位移的纵波脉冲。而在入 射到样品表面的激光功率密度大于10？W/cm2时，超声是由烧蚀激励的，这时表面温度非常 高，部分金属被蒸发甚至形成等离子体。它们 ,x107/cm2 以很高的速度离开表面，同时对表面有一个反 0 8 12 作用压力而激励超声。在样品的另一面引起正 80 位移的纵波脉冲，烧蚀激励超声的效率较高， 它激励的纵波幅度比横波幅度大。 60 0 2.3样品表面状态对激励超声脉冲的影响 ● 40 ●0 在60mJ激光照射下，测定了不同表面状星 0 态下激励的超声脉冲的波形和幅度，表1为测 20 0 量结果。 ●00 0 在金属表面涂以漆等不同复盖层，当激光 射到金属表面外的复盖层时，引起的烧蚀作用 20 40 60 70 Pulse energy/mJ 更大，因此激励的超声脉冲幅度比激光直接投 图4脉冲能量与波幅的关系 射到金属表面大几倍到十几倍，波形也要发生 Fig.4 Relation between pulse cnergy 一定的变化。 and ultrasonic amplitude 表1表面状态对激励超声脉冲的影响 Tablel Effect of the conditions of metal surface on the ultrasonic pulse 表面状态 A1表面 朱红漆 黄漆 酒精 凡士林 机油 纵波幅度 0.1 0.73 0.84 0.55 0.7 1.6 增加倍数 7.3 8.4 5.5 5 增加dB数 17 18 15 17 24 2.4材料中人工缺陷对超声脉冲的影响 图5为一组具有不同人工缺陷的样品、不同激光投射点和接收位置得到的激光超声脉波 形照片。与无缺陷材料中激光超声波形相比，波形的变化是非常明显的。这是由于缺陷的存 在改变了激光激励的边界条件，也使点声源发射的声波传播到接收器的声程发生了变化。入 280

纵波和 横波幅 度随激光脉冲能 量投射到样品表 面的 变化情况如图 所示 。 随着投射到择 品表 面激光 功率密度的 增长 ， 纵波和 横波幅 度也随之 大 。 当功率密度大于 ’ 时 ， 纵波幅度增大速度开始加快 ， 并且 开始超过 横波 幅度 。 而 在 ， “ 以内纵波 和横波 幅度之 和基本上随功率密 度而线性 增大 ， 但横波 的幅 度大于 纵波 的幅度 。 从波 形 图变化还可 以看出 ， 在激光能 量小于 ， 或功率密 度小于 。 ， 时 ， 纵波只 有向下脉 冲 。 这 时 金 属 中的 超 声泳冲 是 由热弹性激励的 。 当激光脉 冲投射到样品表 面时 ， 部分能 量徽材料吸收 ， 温 度迅速升高 引起快速热膨胀激励 超 声脉冲 ， 在样品 另一面引起负位移的纵波脉 冲 。 而 在入 射到样 ， 品表 面的 激光功率密度大于 二 “ 时 ， 超 声是 由烧蚀 激励的 ， 这时表 面温度非常 高 ， 部分 金属被蒸 发甚 至形成等离 子体 。 它们 以很高的速 度离开表 面 ， 同时对表 面有一个反 作用 压力而激励超 声 。 在样 品的另一面引起正 位移的纵波脉冲 ， 烧蚀激励超 声的 效率较高 ， 它激励的纵波幅度比 横波幅度大 。 口 ， ‘ 样 品表 面状态对激 励超声脉冲的影 晌 在 激光 照射 下 ， 测定 了不同表 面状 态下激励的超 声脉冲的波形和幅度 ， 表 为测 量结果 。 在金属表 面涂 以漆等不同复盖层 ， 当激光 射到金属表 面外的复盖层时 ， 引起的烧蚀作用 更大 ， 因此激励的超 声脉冲幅度比 激光直接投 射到金属表面大几 倍到十几倍 ， 波 形 也要发生 一定的变化 。 占 － 一、 门 。 二 脚 。 咬名豆国雇晋 图 脉冲能 量 与波幅的关 系 刁 表 表 面状态对激励 超声脉冲的影晌 五 表面状态 表面 朱红漆 黄漆 酒精 凡士林 机油 纵彼幅度 增加倍数 增 加 数 ﹄ 净 。 。 匀︸ 口目 区‘ 八沙一 口 、，乍，几‘， 一丹 只上， 材料中人工缺 陷对超声脉冲的影晌 图 为一组具有不同人工 缺陷的样品 、 不同激光投射点和接收位置得到的激光超 声 脉 波 形 照片 。 与无缺陷材料 中激光超 声波 形相比 ， 波形的 变化是非常 明显的 。 这是 由于缺陷的存 在改变了激光激励的边界条件 ， 也使点 声源发射的声波 传播到探收器的声程发生 了变化 ， 入 冬

工缺陷的大小和位置对激光超声的影响也是不同的，甚至是相反的。比较图5的(a)可以看 出，如果缺陷是沿着激光投射方向，则孔径大的缺陷引起的脉冲幅度比孔径小的缺陷引起的 脉冲幅度大，而缺陷垂直于敬光投射方向影响正好相反，即缺陷小的远比缺陷大的彩响大， 图5(b)所示。如 中2×5 中8×25 中8×25 神量 图5不同人工缺陷(a、b)和接收位置(c)的激光超声波形 Fig.5 Laser ultrasonic waveforms variable artificial defect 3结 论 用Q开关YAG激光器在铝、钢和铜等金属样品中激励出超声脉冲，用5MHz、中20mm的压 电探头探测到激光在材料中激励的L波、S波和LS波。由于中20mm压电换能器接收到的是激 光薇刷的各种波型的超声及回波的送加，因此波形呈现出有多个脉冲组成的复杂形状，超声脉 仲的幅度随投射样品表面的功率密度的增大而增大。功率密度小于10？W1cm2，超声脉冲是 由热弹性激励的，大于10？W/cm2是由热烧蚀激励的，两种机制激励的超声脉冲具有不同的 特点。样品表面涂以适当的复盖层，可以使激励的超声脉冲幅度提高几倍到十几倍。初步实 验还表明，激光激励的超声脉冲对缺陷的反应是灵敏的，而且不同部分不同方向的缺陷对脉、 冲的反应是明显不同的，甚至是相反的。上述研究成果尽管的初步的，但对于进一步开展激 光超声及其在无损检测上的应用是很有意义的。 参考文献 1 Aussd J D,et al,Ultrasonics.1988,(26):245 2 Michel J,Beranek and Newman Inc,Combridge,MA 02238 3 Michel J.Beranek and Newman Inc,Combridge,MA 02238 281

工 缺陷的大小和位置 对激 光超声的影响 也是不 同的 ， 甚至是相反的 。 比 较 图 的 可 以着 出 ， 如果 缺陷是 沿着激光投射 方 向 ， 则 孔径大 的 缺陷 引起 的脉冲幅 度比孔 径小 的 缺陷 弓起的 脉 冲幅 度大 ， 而 缺陷垂 直 于激 光投射 方向影响 正好相 反 ， 即 缺陷小 的远 比 缺陷大 的影响大 ， 图 所示 。 如 图 不 同人 工 缺 陷 、 和 接 收位置 的激 光 超声波形 结 论 用 开 关 激光 器在铝 、 钢和铜 等金属样 品 中激励 出超 声脉 冲 ， 用 、 小 的 压 电探头探测 到激光 在材料 中激励的 波 、 波 和 波 。 由于小 压 电换能 器接 收到 的是激 羌蔽励的客彩菠型的忽声及由破的送布 ， 因此渡形皇现苗有多个脉冲组成的夏杂形状 ， 超声〕泳 冲 的 幅度随投射样品 表 面的功率密度的增大 而增大 。 功 率密度小于 口 价 “ ， 超声脉 冲是 由热弹性激励的 ， 大于 是 由热烧蚀 激励 的 ， 两种机 制激励 的 超 声脉 冲具有 不同的 特点 。 样 品表 面涂 以适 当的 复盖 层 ， 可 以使激励 的超 声脉 冲幅 度提高 几倍 到十 几 倍 。 初 步实 验还表 明 ， 激光激励的超 声脉冲对 缺陷的 反应 是灵 敏 的 ， 而且 不 同部分 不 同方 向的 缺 陷 对 脉 ‘ 冲的 反应是明显 不 同的 ， 甚至是相 反的 。 上述 研究 成果 尽 管的初步 的 ， 但 对于 进 一步开 展激 光 超 声及其在无损检测上 的应 用是 很有意 义 的 。 参 考 文 献 ， 。 ，。 ， 。 ， ， ， ， 毛