Page 70 - 应用声学2019年第5期

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小，对观测点 Re7 接收到的反射表面波信号与 Re8 560 µm 两组表面波。首先利用两组数值实验研究
接收到的透射表面波信号进行详细分析。发现当 了表面波在圆弧处的反射现象。仿真计算分析发现
r < 0.5λ时，随着圆弧半径的增加，反射表面波的能 即当圆弧半径小于一个表面波中心波长的时候，表
量是不断增大的；当r > λ时，随着圆弧半径的增加， 面波主要以反射与模式转化为主；当圆弧半径约为
反射表面波的能量是不断减少的，如图 10(c) 所示， 二分之一表面波中心波长时，反射表面波的能量最
说明此时表面波是以透射为主的，这一结论与前文 大。然后又研究了表面波在圆弧处的透射现象。计
的研究结果是一致的。 算分析发现即当圆弧半径大于一个表面波中心波
若将激光源与观测点 Re8 的水平距离设为 L， 长时，随着圆弧半径的增加，反射表面波的能量不断
如图9(b)所示。根据透射表面波出现的时刻t，估算 减小，透射表面波的能量不断增大；并且透射表面波
圆弧凹痕的半径r ： 位移幅值的增长率逐渐减小，表明当曲率半径增加
′
v · t − L 到某一数值时，表面波将能够完全通过圆弧过渡面。
′
r = , (6)
2π − 4 利用声表面波在圆弧过渡面处的传播性能与
式 (6) 中，L (单位：mm) 代表从激光源处至观测点 曲率半径之间的关系，模拟了激光激发声表面波与
Re8的水平距离，t (单位：µs) 代表透射表面波的到 材料表面圆弧形凹痕的相互作用，并与之前学者研
达时间，r (单位：mm) 代表圆弧的估算半径，v (单 究的表面波与矩形凹痕的作用机理进行了对比。结
′
位：km/s)代表表面波在材料中的传播速度。 果表明：圆弧形裂痕和矩形裂痕对于直达表面波的
将圆弧实际半径和估算半径之间的相对误 响应存在明显的区别。当裂痕深度较深时 (裂痕深
差 (|r − r |/r) 与圆弧实际半径的拟合结果绘制在 度大于两个声表面波的波长)，对于矩形缺陷而言，
′
图 10(d) 中。发现当 r < λ 时，二者之间的相对误 绕行而过的透射表面波能量很微弱；对于圆弧形缺
差较大，考虑原因是此时直达表面波在圆弧过渡 陷而言，随着裂痕深度增加，绕行而过的表面波能
面处会发生反射和波形转化的现象，情况相比于曲 量越来越多，根据透射表面波的到达时间反演裂痕
率半径大于一个表面波中心波长时要复杂得多；当 深度大小，其估算值与实际值之间的相对误差在2%
r > λ 时，实际值与估算值之间的相对误差控制在 以内。这一结论为利用透射表面波时域信号估算圆
2%以内，说明此时直达表面波在圆弧过渡面处是以 弧半径的大小奠定了理论基础，也为表面含有弧形
透射为主的。这与文献 [9] 中提及到的利用反射表 凹痕构件的健康检测提供了理论依据，更加促进了
面波信号与透射表面波信号定量检测表面矩形裂 激光超声无损检测领域的进步。
纹深度的结论恰恰相反。原因在于声表面波的能量 后续将利用激光超声场检测仪对含有不同曲
主要集中于表面以下一至两个波长量级深度范围 率半径圆弧凹痕的铝块进行激光超声实验，通过对
内，随着矩形裂纹深度 (h) 增加，表面波被裂痕阻挡 采集到的超声波信号进行数据分析来验证数值计
发生反射的能量逐渐增多，而绕过裂痕继续向前传 算的结果，相应的工作仍在进行当中。
播的能量逐渐减少；但是对于圆弧形凹痕而言，随着
圆弧半径的增大，即裂痕深度(h = 2r)越深，反射回
参 考 文 献
去的表面波能量越少，沿着凹痕绕行而过的表面波
能量越多。因此，对于较深裂痕的情形，根据透射表 [1] 马保全, 周正干. 航空航天复合材料结构非接触无损检测技术
面波信号到达的时间，利用公式 (6) 可以实现对弧 的进展及发展趋势 [J]. 航空学报, 2014, 35(7): 1787–1803.
形缺陷形状和大小较为精确的测量。这也说明了利 Ma Baoquan, Zhou Zhenggan. Progress and develop-
ment trends of composite structure evaluation using non-
用表面波在边缘处的传播性能对材料进行健康检
contact nondestructive testing techniques in aviation and
测时，圆弧形凹痕和矩形凹痕在检测方法上存在的 aerospace industries[J]. Acta Aeronautica ET Astronau-
区别。 tica Sinica, 2014, 35(7): 1787–1803.
[2] 周正干, 孙广开, 马保全, 等. 先进复合材料超声无损检测新
3 结论与展望 技术的应用 [J]. 科技导报, 2014, 32(9): 15–20.
Zhou Zhenggan, Sun Guangkai, Ma Baoquan, et al. Ap-
plication of new developed techniques for ultrasonic non-
本文通过改变激光脉冲的上升时间，根据有限
destructive testing for advanced composite materials[J].
元建模仿真计算获得了中心波长分别为 430 µm 和 Science & Technology Review, 2014, 32(9): 15–20.