激光超声在缺陷材料中散射波形的声谱分析

引　言

由于激光超声具有非接触激发,且激发的声波具有模式丰富、频带宽等特点,在无损检测领域得到越来越广泛的应用[1~3]。当激光能量较低,未引起材料的熔融时,激光超声的主要激发机理是热弹性激发。热弹激发超声时,样品表面没有受到破坏以至由激光产生的超声波形可以重复测量,所以热弹机制产生超声更适宜无损检测,尤其是沿材料表面传播的声表面波(Rayleighwave)具有激发效率高,无衰减和易于检测等优点,可以实现对表面裂痕与亚表面缺陷的检测和定位。

在模拟激光热弹机制激发超声的理论研究工作中,主要采用的研究方法有:双积分变换方法[4]、格林函数法[5]和本征函数展开法[6~8]等解析方法。而这些解析方法要求处理十分复杂的数值计算,且要求模型大量的简化,其次适用范围也存在着相应的局限性。同时,所有这些解析方法都无法考虑材料热物理参数随温度变化的实际情况,再加之裂痕模型的几何形状比较复杂,这将使得上述的各种解析算法更加困难。近年来,许伯强等人提出利用有限元模拟金属材料中激光超声的产生和传播,并成功地计算出了单层[9],双层(薄膜/基底)[10],多层材料[11]中激光激发声表面波的物理过程。有限元方法能够灵活处理复杂的几何模型与边界条件,并且能够得到全场数值解。因而,在研究中,采用有限元法模拟了能量密度呈高斯型线源分布的脉冲激光作用于铝板表面产生超声波,以及声表面波经过表面裂痕及亚表面裂痕时所发生的散射过程。数值模拟结果建立了输入裂痕深度的参数和产生的反射和透射的表面声波形中某一即定时刻信号中的频率成分之间的对应关系,为进一步应用激光超声的无损检测提供了依据。

另外,鉴于超声波与材料微结构相互作用的复杂性,导致了接收到的反射及其透射信号都是一种非平稳的合成信号,它们都具有比较丰富的频谱成分[12],为此,利用了信号的时频分析工具去提取非平稳信号中的各种频率成分在即定时刻所占的比重,通过计算不同频率成分的比例来达到缺陷尺寸定量诊断的目的,比较常用的时频分析工具有:短时傅里叶变换(STFT),W igner2Ville分布(WVD)。STFT分析超声信号时,由于采用恒定的窗函数对宽带超声信号不能提供足够的时间频率分辨率[13]。小波变换(WT)是在处理奇异信号中可以充分地展现信号中所含有的频率成分,可是无法直观地展现超声信号的能量在时2频空间分布的局域化特征[14]。在信号分析过程中,采用基于光滑的W igner2Ville分布的时间2频率分析方法,这是一种典型的双线性时频分析方法,其分布结果使信号的能量沿着瞬时频率集中,有着非常直观的物理意义。