表面垂直裂痕诱发瑞利波散射的数值分析

　　1引言

　　表面缺陷的检测在无损检测领域占据了非常重要的地位。因为由材料应变而产生的应力极大值通常分布在工件的表面，如果不能及时检测出工件表面的微小裂痕，它们就会快速地生长以至发生危险。超声波诊断技术是无损检测中广泛应用的方法之一，国内、外诸多学者围绕着超声波与材料表面缺陷之间的相互作用过程展开了大量的_L作[l，2]。传统的超声检测方法利用压电换能器作为声波的激发源，具有接触激发，且激发出的声波具有模式单一，频带窄等特点，因而严重的限制了其适用范围;而激光超声以其可实现非接触激发，能一次性激发出纵波、横波，头波及表面波等模式成份，并且各种声波都具有较宽的频带，从而使激光超声在无损检测领域得到越来越广泛的应用[3、6]。

　　沿材料表面传播的瑞利波(RayleighWave)具有激发效率高，衰减小和易于检测等优点，可以实现对表面裂痕与亚表面缺陷的检测和定位。1056年eooper[7]等人在实验上利用脉冲激光激发以及干涉仪接收技术，研究了声表面波与表面垂直裂痕的相互作用过程，详细地分析了表面反射的瑞利波波形特征以及由此判定缺陷形状和深度的方法。1993年Q.shanandR.、r.Dew恤rst[8]利用飞行时l’ed法(time一of-ffight)，把表面垂直裂痕的底尖作为超声的衍射源，从测量相关衍射波的到达时间来判定表面缺陷的垂直深度，由于衍射波的能量很微弱，需要进行多次测量并利用时间平均法来降低噪声。1996年s.w.Liu[9]等人利用有限元及边界积分法数值模拟了Ricker脉冲经过表面缺陷后的瑞利散射波场，然而Ricker脉冲与激光激发的表面声脉冲存在很大差别。2000年，Younhoeh。andJosephL.Rose[10]利用边界元法结合弹性动力学的积分方程以及Lallll〕波的模式分解技术研究了超声导波经过表面缺陷后的透射波和反射波的模式特征。

　　IreneArias与JanD.Aehe汕aeh[1‘]于2004年提出了移动激光源扫描技术(SLs)，在两维截面内将超声场视为激发场和散射场的叠加，分别利用联合的Fourier一Laplace变换技术以及频域的边界元素法计算出了激发场与散射场在表面上的波形特征，然而计算过程极为复杂且无法摆脱对频域分解技术的依赖以至于无法即时跟踪表面位移响应的瞬态过程。

　　由于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。近来沈，许等人提出利用轴对称的有限元模型计算出了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[lz}，双层(薄膜/基底系统)[l3]，多层材料恤4}中激光点源激发声表面波的物理过程。在本文的研究中，我们采用平面应变的有限元模型模拟了Gauss线源脉冲激光作用于铝板表面产生的瑞利波经过表面垂直裂痕所发生的散射过程;并引入了wigner一Ville分布的时频分析方法将时域超声脉冲所携带的能量映射到时间一频率平面内。分析结果建立了表面裂痕深度和产生的表面波反射和透射系数之间的对应关系，为进一步应用激光超声进行无损检测提供了依据。