表面裂紋的激光超聲可視化蘭姆波檢測(cè)研究

李陽(yáng)，楊連杰，孫俊杰，路培鑫，鄒云

表面裂紋的激光超聲可視化蘭姆波檢測(cè)研究

李陽(yáng)1,2，楊連杰1，孫俊杰1,2，路培鑫1，鄒云1,2

(1. 鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2. 抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450001)

蘭姆波在板材的缺陷檢測(cè)中具有重要的地位，但蘭姆波在裂紋檢測(cè)過(guò)程的可視化實(shí)驗(yàn)研究較少。通過(guò)激光超聲可視化技術(shù)，觀察了激光激勵(lì)出的寬頻蘭姆波在0.4 mm深、0.2 mm寬的裂紋上的反射和透射現(xiàn)象；并利用帶通濾波技術(shù)，研究了不同中心頻率的蘭姆波在裂紋上的散射特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蘭姆波在裂紋上發(fā)生了模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，出現(xiàn)了傳播速度較快的蘭姆波模態(tài)；并隨著蘭姆波頻率的增加，反射蘭姆波的能量增強(qiáng)。該研究為板中裂紋的蘭姆波檢測(cè)提供了實(shí)驗(yàn)參考。

檢測(cè)；激光超聲；可視化；蘭姆波；散射

0 引言

蘭姆波是導(dǎo)波的一種形式，在工程應(yīng)用上也稱(chēng)之為板波，因其有傳播距離遠(yuǎn)，可檢測(cè)整個(gè)壁厚上缺陷的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用較為廣泛[1-3]。蘭姆波在板中缺陷檢測(cè)方面已有諸多研究，如：Alleyne等[4]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究了蘭姆波與裂紋的散射作用，發(fā)現(xiàn)：蘭姆波在裂紋上的反射率和透射率與蘭姆波的波長(zhǎng)和裂紋深度的比值有關(guān)。但上述的結(jié)論是基于傳統(tǒng)的壓電探頭得到的結(jié)果，存在一定的測(cè)量誤差，另外，上述結(jié)果未能直觀地顯示蘭姆波在裂紋上的散射現(xiàn)象。Benmeddour等[5-6]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)，研究了蘭姆波在板上對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)幾何體上的散射特性，發(fā)現(xiàn)A0模態(tài)的蘭姆波在非對(duì)稱(chēng)幾何體上發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換形成了S0模態(tài)，同樣S0模態(tài)在非對(duì)稱(chēng)幾何體上也形成A0模態(tài)。但Benmeddour的實(shí)驗(yàn)和有限元結(jié)果未能直觀地給出蘭姆波的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。吳斌等[7]通過(guò)數(shù)值仿真研究了蘭姆波在搭接板上的傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：搭接長(zhǎng)度對(duì)S0和A0模態(tài)的反射率和透射率有周期性的影響，但未能通過(guò)實(shí)驗(yàn)反映出蘭姆波在搭接板上的傳播特性。Kazys等[8]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究了蘭姆波在T型接頭中缺陷上的散射現(xiàn)象，由于該實(shí)驗(yàn)通過(guò)水浸聚焦探頭完成，其分辨率和超聲波頻率受到一定的限制。

激光超聲技術(shù)的應(yīng)用使得超聲波傳播過(guò)程的可視化成為了現(xiàn)實(shí)，如Yashiro等[9]利用激光超聲實(shí)現(xiàn)了超聲波傳播的可視化，并對(duì)不同的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)研究。Urabe等[10]采用脈沖激光激勵(lì)出周向?qū)Р?，利用空氣耦合探頭接收，使得鋁管上的缺陷檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了可視化。朱紅玲等[11]利用罰函數(shù)圖像處理方法，改善了激光超聲可視化的圖像質(zhì)量，為缺陷的圖像識(shí)別提供了數(shù)據(jù)處理手段。李巧霞等[12]利用激光超聲實(shí)現(xiàn)了表面缺陷深度的B掃描檢測(cè)，研究了表面波在缺陷處的反射和透射波的特性，為研究表面波在缺陷處的散射奠定了基礎(chǔ)。

由于激光超聲在板中激勵(lì)出的蘭姆波具有寬頻帶、多模態(tài)的特性，所以現(xiàn)階段很少有蘭姆波在裂紋上散射特性方面的報(bào)導(dǎo)。本文利用激光超聲可視化技術(shù)，研究蘭姆波在裂紋上的散射特性，并觀察到蘭姆波在裂紋上的模態(tài)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，為蘭姆波在裂紋上散射的可視化研究奠定了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試樣及實(shí)驗(yàn)裝置

本文所用的試樣為6061鋁合金板，試樣規(guī)格為100 mm′100 mm′2 mm，在試樣長(zhǎng)度為40 mm處，利用線切割預(yù)制深為0.4 mm、寬為0.2 mm的裂紋。

激光超聲設(shè)備采用西安金波檢測(cè)設(shè)備公司研制的LUVI-LL2系統(tǒng)，如圖1所示，其中，脈沖激光器的最大脈沖能量為2 mJ，脈沖時(shí)間寬度為2 ns。通過(guò)控制電動(dòng)小鏡的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)行脈沖激光的掃查。激光干涉儀接收超聲波信號(hào)的離面位移，干涉儀的接收帶寬為0.5～24 MHz。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

掃查區(qū)域覆蓋預(yù)制的人工裂紋和接收激光點(diǎn)，其檢測(cè)過(guò)程如圖2所示。掃查區(qū)域?yàn)?0 mm′40 mm，掃查間隔為0.18 mm。激光超聲檢測(cè)設(shè)備通過(guò)激勵(lì)和接收超聲波信號(hào)，根據(jù)聲波可逆的原理，實(shí)現(xiàn)超聲波點(diǎn)源激勵(lì)并傳播的動(dòng)態(tài)圖像。

2 結(jié)果及討論

通過(guò)激光超聲設(shè)備的掃查，可得到蘭姆波在板中隨時(shí)間傳播的動(dòng)態(tài)圖像，這里選取第8.8 μs時(shí)刻的圖像，如圖3所示。

從圖3中可以看出，激光激勵(lì)出的蘭姆波花紋分布情況無(wú)規(guī)律，說(shuō)明蘭姆波存在多種模態(tài)(如果是單一模態(tài)，蘭姆波將會(huì)呈現(xiàn)有規(guī)律間隔的花紋)。這個(gè)現(xiàn)象也直觀地說(shuō)明了激光超聲的多模態(tài)特點(diǎn)；而且，蘭姆波在裂紋處發(fā)生了反射和透射現(xiàn)象，同時(shí)出現(xiàn)了模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，產(chǎn)生了較原模態(tài)傳播速度快的新模態(tài)(新模態(tài)的傳播速度快，所以新模態(tài)的波前在原波形前方)。由于激光激勵(lì)過(guò)程中在空氣中會(huì)產(chǎn)生能量較強(qiáng)的聲波信號(hào)，直接被激光干涉儀接收到，該聲波信號(hào)會(huì)影響蘭姆波信號(hào)的信噪比。

圖2 檢測(cè)過(guò)程示意圖

圖3 第8.8 μs時(shí)刻蘭姆波在板中隨時(shí)間傳播的圖像

在圖3上選取位于聲源和裂紋之間的一點(diǎn)，取其A掃數(shù)據(jù)，并做傅里葉變換，結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出：激勵(lì)出的蘭姆波(入射波)存在傳播速度不同的多個(gè)模態(tài)，并隨著傳播距離的增加，波包逐漸地分離開(kāi)來(lái)。將點(diǎn)入射波的A掃數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到蘭姆波的頻譜圖，如圖4(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)：激勵(lì)出的蘭姆波能量主要集中在1～6 MHz之間，并且在1.2、2.8、3.4、4.2和5.0 MHz處的能量較大，說(shuō)明上述5個(gè)頻率分量的蘭姆波能量較強(qiáng)。

為了更清楚地看出蘭姆波在裂紋上的散射特性，在=10 mm處(圖3中的虛線)取方向上的B掃描圖像，結(jié)果如圖5(a)所示。

將帶通濾波的通帶設(shè)置為2 MHz，中心頻率分別為能量幅值較高的頻率(1.2、2.8、3.4、4.2和5.0 MHz)，帶通濾波后的結(jié)果如圖5(b)～5(f)所示。

圖4 點(diǎn)D處的A掃圖像和入射波的頻譜圖

從圖5(a)中可知：點(diǎn)源激勵(lì)出的蘭姆波在=10 mm處的方向上接收到的波前呈雙曲線函數(shù)分布，并在=18 mm處的預(yù)制人工裂紋(0.4 mm深、0.2 mm寬的裂紋)上發(fā)生反射和透射，由于反射波能量相對(duì)于入射波較小，反射波清晰度較低；另外，蘭姆波經(jīng)過(guò)裂紋后，波包明顯變寬，這一方面是由于隨著傳播距離的增加，頻散效應(yīng)加大，另一方面是由于裂紋處的模態(tài)轉(zhuǎn)換形成了新的蘭姆波模態(tài)。為了更清晰地看出蘭姆波在裂紋上的散射特性，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，以觀察不同頻率時(shí)的蘭姆波特性。

從圖5(b)中可知：當(dāng)中心頻率為1.2 MHz時(shí)，蘭姆波的能量較弱，信噪比較低；由于激勵(lì)頻率低，蘭姆波的波長(zhǎng)較大；透射蘭姆波清晰可見(jiàn)并存在模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，而反射蘭姆波幾乎不存在。從圖5(c)、5(d)中可知：當(dāng)中心頻率升高為2.8、3.4 MHz時(shí)，蘭姆波的能量明顯增強(qiáng)；同時(shí)反射蘭姆波清晰可見(jiàn)，這是由于隨著蘭姆波頻率的增高，其波長(zhǎng)相應(yīng)地減小，相對(duì)于裂紋的尺寸有小的波長(zhǎng)裂紋比，故出現(xiàn)反射蘭姆波，和已有的數(shù)值模擬結(jié)果相符[2]。這一現(xiàn)象也從實(shí)驗(yàn)上反映了選擇適當(dāng)?shù)摹⑤^高的蘭姆波頻率，可以增強(qiáng)其裂紋檢測(cè)能力。另外，反射波和透射波以裂紋呈對(duì)稱(chēng)分布。從圖5(e)、5(f)中可知：當(dāng)中心頻率分別升高為4.2 MHz和5.0 MHz時(shí)，蘭姆波的能量較弱，信噪比較低，反射和透射波模糊不清。

3 結(jié)論

通過(guò)激光超聲可視化技術(shù)研究了蘭姆波在裂紋上的反射和透射特性，可得到如下結(jié)論：(1) 激光超聲可視化技術(shù)可動(dòng)態(tài)顯示蘭姆波在裂紋上的檢測(cè)過(guò)程，裂紋上的反射波和透射波關(guān)于裂紋呈對(duì)稱(chēng)分布；(2) 蘭姆波在裂紋上反射和透射過(guò)程中，存在模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，多模態(tài)的存在造成蘭姆波的波包變寬；(3) 隨著激勵(lì)頻率的增加，蘭姆波在裂紋上的反射能量增強(qiáng)。

[1] 李陽(yáng), 蔡桂喜, 董瑞琪. 蘭姆波在搭接焊縫上的反射和透射[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 42(4): 495-503.

LI Yang, CAI Guixi, DONG Ruiqi. The reflection and transmission of Lamb waves at overlap joints[J]. Acta Acustica, 2017, 42(4): 495-503.

[2] 李陽(yáng), 韓曉輝, 周慶祥, 等. 識(shí)別薄板中蘭姆波和體波的階梯板方法[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2016, 35(5): 398-402.

LI Yang, HAN Xiaohui, ZHOU Qingxiang, et al. A method of using step plates to distinguish Lamb waves from bulk waves in thin plates[J]. Technical Acoustics, 2016, 35(5): 398-402.

[3] 張海燕, 李加林, 徐夢(mèng)云. 多缺陷蘭姆波拓?fù)涑上馵J]. 聲學(xué)技術(shù), 2019, 38(5): 520-525.

ZHANG Haiyan, LI Jialin, XU Mengyun. Multi-defect Lamb wave topological imaging[J]. Technical Acoustics, 2019, 38(5): 520- 525.

[4] ALLEYNE D N, CAWLEY P. The interaction of Lamb waves with defects[J]. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, 1992, 39(3): 381-397.

[5] BENMEDDOUR F, GRONDEL S, ASSAAD J, et al. Study of the fundamental Lamb modes interaction with asymmetrical discontinuities[J]. Ndt & E International, 2008, 41(5): 330-340.

[6] BENMEDDOUR F, GRONDEL S, ASSAAD J, et al. Study of the fundamental Lamb modes interaction with symmetrical notches[J]. Ndt & E International, 2008, 41(1): 1-9.

[7] 吳斌, 周偉, 何存富. Lamb波在搭接板中傳播規(guī)律的數(shù)值仿真研究[J]. 壓力容器, 2011, 28(6): 24-30.

WU Bin, ZHOU Wei, HE Cunfu. Experimental and numerical study of the Lamb waves propagation in overlapping plates[J]. Pressure Vessel Technology, 2011, 28(6): 24-30.

[8] KAZYS R, MAZEIKA L, BARAUSKAS R, et al. 3D analysis of interaction of Lamb waves with defects in loaded steel plates[J]. Ultrasonics, 2006, 44: E1127-E1130.

[9] YASHIRO S, TAKATSUBO J, MIYAUCHI H, et al. A novel technique for visualizing ultrasonic waves in general solid media by pulsed laser scan[J]. NDT & E International, 2008, 41(2): 137-144.

[10] URABE K, TAKATSUBO J, TOYAMA N, et al. Flaw inspection of aluminum pipes by non-contact visualization of circumferential guided waves using laser ultrasound generation and an air-coupled sensor[C]//3rd International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing, 2014: 012009.

[11] 朱紅玲, 劉暢, 張博, 等. 激光超聲可視化圖像處理研究[J]. 中國(guó)激光, 2018, 45(1): 1-8.

ZHU Honglin, LIU Chang, ZHANG Bo, et al. Research on Laser Ultrasonic Visual Image Processing[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(1): 1-8.

[12] 李巧霞, 李海洋, 王召巴, 等. 針對(duì)金屬表面缺陷深度的激光超聲檢測(cè)研究[J]. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 32(1): 81-85.

LI Qiaoxia, LI Haiyang, WANG Zhaoba, et al. Study on laser ultrasonic technology for depth detection of metal surface defects[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2018, 32(1): 81-85.

Surface cracks testing by laser-ultrasonic visualization inspection of Lamb waves

LI Yang1,2, YANG Lianjie1, SUN Junjie1,2, LU Peixin1, ZOU Yun1,2

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China; 2. Henan Province Engineering Laboratory for Anti-Fatigue Manufacturing Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China)

Lamb wave plays a significant role in plate defect testing, but the visualized research on Lamb wave scattering at cracks is still not enough. In this paper, the laser-ultrasonic visualization inspection method is used to inspect the reflection and transmission of the laser excited broadband Lamb wave at a crack of 0.4 mm deep and 0.2 mm wide. In addition, the scattering characteristics of Lamb wave with different center frequencies at cracks are studied by band-pass filtering technique. It is found that the mode transformation of Lamb wave occurs at cracks and a mode with faster velocity is found. As the frequency increases, the reflected Lamb wave is getting more energy. This research offers an experimental reference for the crack detection of Lamb wave.

testing; laser ultrasonic; visualization; Lamb waves; scattering

TB551

A

1000-3630(2020)-02-0157-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2020.02.006

2018-11-02;

2018-12-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51705470)、河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專(zhuān)項(xiàng)(18A460032)、河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(18A460032)

李陽(yáng)(1988－), 男, 河南焦作人, 博士, 副教授, 研究方向?yàn)榧す獬?、超聲?dǎo)波、材料無(wú)損評(píng)價(jià)。

李陽(yáng),E-mail: yangli@zzu.edu.cn