基于表面波增强效应的圆柱表面缺陷检测方法研究

激光照射金属圆柱表面激发出的声表面波,在沿圆柱表面传播过程中产生色散和相移,并在表面缺陷前沿处幅值会有显著增强的现象,为表面缺陷的检测提供了新途径。基于激光激发的声表面波这一现象,提出通过扫描检测点的方法确定缺陷的位置,给出了表面波在表面缺陷附近的传播路径和缺陷深度计算公式。数值研究表明:(1)相对于脉冲回波法,扫查检测点方法提高了缺陷检测的位置精度,有效减小了圆柱表面波传播过程的色散和频移现象对缺陷位置精度的影响。(2)当缺陷深度范围为1~2 mm,通过给出的缺陷深度计算公式得到仿真缺陷深度与实际缺陷深度之间的误差控制在6 %以内,验证了提出的缺陷深度计算公式的有效性。以上研究结果为应用表面波检测圆柱类零件表面缺陷提供了有价值的参考。     

声表面波方法表征低k纳米多孔黑钻石绝缘薄膜的杨氏模量

激光激发声表面波技术探测薄膜的杨氏模量是一种快速、准确、无损的方法。在薄膜表面,声表面波通过激光短脉冲与介质材料之间的热弹作用被激发。在分层结构的薄膜上传播时,表面波会发生色散现象,通过对实验测得的表面波色散曲线和理论计算的到的色散曲线进行匹配,可以获得薄膜的杨氏模量。在本实验中,采用紫外波段激光脉冲可以产生具有很宽频谱范围的表面波信号,色散曲线的范围可达180 MHz。应用声表面方法对生长于Si(100)衬底上,具有不同厚度的低k纳米多孔黑钻石绝缘薄膜的杨氏模量进行了成功探测。     

激光冲击硬化层中激光声表面波的实验研究

激光冲击硬化通过在材料的近表面产生残余压应力来提高材料的表面硬度和抗疲劳寿命。材料近表面性质的变化能够导致在其中传播的声表面波发生色散。为了研究激光冲击硬化后金属Al合金样品中的激光声表面波(SAW)的传播,提出一种合理的宽带激发和接收方法,搭建了由激光激发、聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器接收超声信号的实验装置。分别对不同条件下激光冲击的Al合金样品中的激光声表面波进行了探测,通过对接收到的超声信号进行时频分析得到了信号的频谱以及声表面波的相速度色散曲线,速度色散主要是由于晶粒方向改变和错位密度的增加引起的。     

圆柱型涂层/基底系统中的激光超声表面波

为了分析圆柱型涂层/基底系统中声表面波的特点及其传播特性,以热弹激发机理为基础建立了脉冲激光在圆柱型涂层/基底系统中激发超声表面波的有限元程序。在此基础上,计算了激光在铝(涂层)/镍(基底)和镍(涂层)/铝(基底)系统中激发的超声表面波波形,它们分别对应了硬涂层系统和软涂层系统。结果表明,圆柱型涂层/基底系统中的超声表面波是色散的,并且其色散特性由弯曲柱面引起的几何色散和涂层/基底系统引起的色散共同决定,这使得圆柱型涂层系统中色散特性远比板状涂层系统杂,不存在简单的正常和反常色散规律。     

弹性声波与表面缺陷相互作用的数值模拟

为了分析材料表面缺陷对声表面波传播的影响,以弹性动力学理论为基础,采用有限元方法数值模拟了声表面波沿金属表面传播及其与表面缺陷的相互作用.通过数值模拟弹性声表面波与不同深度、不同宽度的表面缺陷相互作用过程,得到了声表面波经不同表面缺陷后的反射和透射表面波波形,并对波形进行快速傅里叶变换分析.结果表明,弹性声表面波与表面缺陷相互作用后,产生反射Rayleigh波和透射Rayleigh波:随着表面缺陷深度和宽度的增加,Rayleigh波反射率相应增加,而透射率相应减小.     

弹性声波与表面缺陷相互作用的数值模拟

为了分析材料表面缺陷对声表面波传播的影响,以弹性动力学理论为基础,采用有限元方法数值模拟了声表面波沿金属表面传播及其与表面缺陷的相互作用。通过数值模拟弹性声表面波与不同深度、不同宽度的表面缺陷相互作用过程,得到了声表面波经不同表面缺陷后的反射和透射表面波波形,并对波形进行快速傅里叶变换分析。结果表明,弹性声表面波与表面缺陷相互作用后,产生反射Rayleigh波和透射Rayleigh波;随着表面缺陷深度和宽度的增加,Rayleigh波反射率相应增加,而透射率相应减小。     

基于激光超声的管道缺陷定量表征方法研究

为利用激光超声技术实现管道缺陷的定量表征,应用有限元方法分析被激光辐照金属管道表面产生的超声波与管道缺陷相互作用的过程。通过传播图像探究超声波在传递过程中的模式转换,在远场激发的方式下,分别探讨不同高度、宽度以及角度的缺陷对激光超声波的影响,结合接收点的位移信号分析超声波与缺陷作用的复杂过程,并应用惠更斯原理分析其产生的原因,最后提出一种管道缺陷定量表征的方法。通过试验研究对理论结论进行验证。试验研究和理论结论表明,缺陷位置可通过表面波遇到缺陷后产生反射回波信号的接收时间定量表征,缺陷深度可通过缺陷底部产生反射表面波信号的接收时间定量表征,缺陷角度可通过缺陷底部表面波转化纵波信号的接收时间定量表征,为逆向推算缺陷的尺寸奠定了理论基础。     

柱状材料声表面波相位变化与缺陷探测研究

激光在热弹效应下激发出的声表面波,在柱状材料表面传播过程中发生相移现象。通过有限元方法对铝材圆柱中表面波相位变化规律以及表面波与缺陷作用机理进行数值模拟。数值研究表明：激光产生的表面波负相位最强,传播过程中负相位向正相位移动,相位差逐渐减小,180°左右正负相位强度大致相等,之后正相位继续增强、负相位持续减弱,并且沿圆周每传播一周,其相位发生一次翻转,缺陷产生的表面反射波有同样的相位变化现象;通过B扫图发现RRcw随缺陷角度增大变得模糊,RRccw随缺陷角度增大变得明显。说明反射波产生时间的长短与受干扰程度成正比,针对柱状材料表面缺陷提出了合理的检测范围;对不同深度缺陷数值模拟发现,深度变化使得P波峰在接收时间上发生延迟,推测P波峰传播路径并提出相应公式进行证明,计算结果与模拟结果吻合度较高,可通过此公式定量缺陷深度信息。以上研究结果为超声波检测柱状材料表面缺陷提供了有效参考。     

电磁超声表面波产生机理的ANSYS仿真

针对电磁超声在金属表面缺陷检测的应用问题,研究了电磁超声表面波的产生和传播机理,根据电磁超声产生原理,采用有限元仿真分析软件ANSYS,对电磁超声表面波的产生过程进行了偏置磁场、工件表面感生涡流和所受洛伦兹力、振动产生超声波三部分的仿真.仿真结果表明通有交变的线圈在工件感生出交变的涡流,在偏置磁场的作用下,工件表面质点受到与激励电流和感生涡流频率相同的洛伦兹力,在这个力的作用下,质点发生位移,并以表面波的形式向外传播.     

声表面波弹性卷积器信号传播与相关

本文介绍了声表面波弹性卷积器的信号传播和相关,分析了卷积器的脉冲响应、自卷积及波导色散对相关峰值的影响.给出了实验结果.     

激光超声检测带涂层金属表面裂纹的数值研究

为了研究线源脉冲激光激发的超声波在带涂层金属板表面裂纹检测方面的应用，采用有限元模拟的方法，分别建立了含有裂纹的带镍涂层和不带镍涂层金属板模型，并模拟出激光激发出的瑞利波以及瑞利波的传播过程。通过对接收点处的波形进行理论分析，得出了涂层厚度、裂纹深度与瑞利波时频域信号的关系。结果表明，瑞利波波速随着涂层厚度h的不同而不断变化；当表面存在裂纹时，不带涂层模型的反射瑞利波与剪切瑞利波的到达时间差Δt与裂纹深度h_c成线性关系，带涂层模型的Δt与h_c以涂层厚度为分界点成分段线性关系。此研究结果为实际测量带涂层金属板的表面裂纹深度提供了参考。     

激光激发表面波测量表面缺陷深度的数值研究

为了研究声表面波与表面缺陷的作用机理,实现激光超声技术对表面微缺陷定量检测,本文采用有限元法首先分别研究了声表面波与缺陷前沿、缺陷后沿的作用,然后讨论了缺陷宽度的存在对缺陷前沿与声表面波作用的影响,最后通过分析矩形缺陷与声表面波的作用,给出了能定量表征表面缺陷的特征量。研究结果表明:RS波(特征点Q)后的振荡信号(特征点W、E)来源于透射表面波在缺陷后沿所产生的振荡。特征点Q的到达时间随表面缺陷深度或宽度增大都呈现微小的线性增长；特征点W、E的到达时间差随表面缺陷深度的增大呈线性增长,与缺陷宽度的变化无关。最后,根据特征点的到达时间实现了缺陷深度的定量计算。研究结果为表面缺陷的定量检测提供了理论依据。     

基于ABAQUS的Lamb波椭圆法探伤的仿真分析

以厚4 mm的铝板作为研究对象,研究了兰姆(Lamb)波在铝板中的传播问题。该文结合椭圆法的损伤定位原理和ABAQUS仿真软件对Lamb波在铝板中的传播方式进行研究。通过设置观测点并采集该点Lamb波的信号,计算出健康铝板与损伤铝板的差信号;结合Lamb波的频散特性计算出Lamb波的传播距离,从而定位缺陷位置。研究表明了基于椭圆法的铝板损伤识别的有限元模拟的准确性与可行性。     

基于EMD的激光声表面波仿真分析

激光超声凭借其具有非接触、信号的信噪比高、灵敏度高、频带宽等特点,在材料的检测方面有着独特优势。本文利用有限元软件针对激光激励声表面波过程进行了数值模拟,得到了声表面波的传播特性;对实际检测信号进行了EMD去噪,得到了去噪后的重构信号,将去噪后的信号同仿真信号对比。结果证明激光超声激发的声表面波主要沿着材料表层向四周发散,其在远场区域会有小幅度的衰减,并且经过EMD去噪后的信号具有和仿真信号相同的特征,对今后激光超声的实验具有重要的参考价值。     

左右手材料光子晶体能带结构及表面波色散关系

根据平面波展开的传输矩阵理论及布洛赫定理,通过参数匹配的方式,研究零平均折射率及表面含覆盖介质层条件下左右手材料光子晶体的能带结构和表面波的色散关系,结果表明:零平均折射率条件下,左右手材料光子晶体不同于正折射率材料光子晶体,能带结构中出现半封闭状禁带、封闭状禁带和通带,且通带中的分立能级沿着低频方向呈现振荡衰减和多重简并趋势,能带结构沿着波矢绝对值增大方向趋于简并至消逝。添加表面覆盖介质层的左右手材料光子晶体支持正反表面波和反向表面波的传播,部分半封闭状或封闭状禁带边缘出现简并能级分裂,形成禁带中斜率有正有负的分立色散曲线。表面覆盖介质层厚度可调制色散曲线的频率位置和数目,随覆盖介质层厚度增大,分立色散曲线向波矢减小方向移动,且高频区域半封闭状禁带中的色散曲线在覆盖介质层厚度达到一定数值时还出现耦合分裂现象,但覆盖介质层厚度变化对能级的多重简并和通带与禁带的简并态不产生影响。左右手材料光子晶体的能带结构特点和表面波色散特性,可为新型光波导器件的研究和设计等提供指导。     

透射法的红外热波缺陷定量检测研究

脉冲红外热波检测是一种新兴的无损检测技术,通常采用反射型激励方式。针对反射法缺陷深度检测误差大的不足,系统分析了透射法的红外脉冲热波定量检测缺陷深度。通过分析材料在脉冲热激励下的一维热传导模型,探讨了缺陷深度的红外测量原理。利用表面温度一阶微分峰值时间法建立特征时间与缺陷深度的关系,实现对缺陷深度的定量检测。以PVC板人工楔形槽缺陷为例,采用透射法与反射法对比实验分析缺陷深度的测量误差。结果表明,反射法在对缺陷进行定量计算时需要选取参考区域,而透射法对数据的处理不依赖参考区域,避免参考区域所带来的误差。透射法直接加热缺陷面,响应时间短,通过求解缺陷处的特征时间计算缺陷深度,检测精度得到大幅度提高。     

基于横波衍射法应用激光-电磁超声检测内部缺陷

为了有效评估出工件内部缺陷的深度,提出了脉冲激光激励和电磁超声换能器接收的非接触式检测方法。分析了超声波的烧蚀激励原理,体波作用于缺陷后的衍射现象,以及电磁超声的接收过程。依据横波衍射理论,当电磁超声换能器处于缺陷正上方时,衍射信号的渡越时间将取得最小值,基于此推导了缺陷深度计算公式并讨论了检测盲区。搭建了工件内部缺陷的激光-电磁超声检测系统,先后测量了内部含有圆孔和不同倾角裂纹的工件试样。在固定激励点的前提下,移动电磁超声换能器,观察信号渡越时间的变化规律,以及分析衍射横波的相位特征。提取衍射横波的最小渡越时间并求得缺陷深度值,其相对误差均在±3之内。实验结果表明,激光-电磁超声检测方法能够有效测量出缺陷深度,可作为接触式压电超声检测技术的一种补充方案,应用于无法满足耦合条件的场合。     

激光瑞利波的时间依赖性探测表面缺陷深度

针对金属构件表面微小缺陷非接触式定量检测的难题,本文采用有限元法模拟了激光产生的瑞利波与不同深度的表面缺陷的相互作用,研究了瑞利反射波与表面缺陷深度的时间依赖关系。通过分析该时间依赖关系的产生机制,提取出能够定量表征表面缺陷深度的时域特征量,得出了该时域特征量与表面缺陷深度的数学关系表达式,并利用该数学关系表达式进行了激光超声表面缺陷检测实验中的深度计算。结果表明,实验结果与数值模拟结果具有良好的一致性,该时域特征量与缺陷深度呈线性关系,能够定量表征表面缺陷深度的范围为0.1~0.5 mm,最大误差≤0.06 mm。