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摘要：本文介绍了一种基于激光超声的非接触检测方法用于绝对声学非线性参数测量和铝合金板粘接强度的评估。通过测量铜和6061铝的声学非线性系数并与接触式压电超声测量对比，结果呈现了很好的一致性。利用激光超声的激发的蓝姆波评估了多层粘接结构铝合金板的粘接强度，并进一步探讨了定量评价的可行性。

关键字：激光超声 声学非线性 粘接强度

背景：

非接触超声无损检测一直是无损检测研究领域的热点，因其无需接触，免耦合的特点在很多特定检测场景备受推崇。其中非接触超声主要的技术手段有：电磁超声，空气耦合超声和激光超声。激光超声因其较大的检测提离距离，较高较宽的检测频率以及多种波形模式激发等特点在航空航天，军工，特检行业始终占有一席之地。

实验一：声学非线性系数测量

非线性超声检测是一种用于评估材料早期微损伤的创新性技术手段。已有诸多文献将该技术用于评价材料热老化，疲劳损伤，微裂纹等。与传统线性超声通过声速和衰减不同，非线性超声技术通过测量材料的声学非线性系数在材料的微结构表征更为有效，诸如：晶界测定，第二相沉淀和夹杂和位错密度。

传统的非线性超声测定的声学相对非线性系数：通过测量超声探头接收的信号幅度作为指标计算系数，然而相对系数仅限于材料损伤前后的相对比较。为了解决这个问题，本文采用了通过测量声波引起的位移振幅作为指标计算绝对系数。该绝对声学非线性系数可用于定量评估材料微结构参数和微损伤，是一种潜在的可用于定量无损评估的技术。

非线性系数与材料的二阶非线性弹性常数直接相关，当平面纵波在各向同性媒介中传播时，非线性系数β可定义为：

此处，A1和A2即为基频波和谐波的位移振幅。K为波数，Xu为超声传播距离。

本实验采用基于TWM的光折变干涉方法测量样品的位移振幅，经过分析计算，该设备最小可检测的位移振幅约为0.01 nm

图1. 激光接收器原理图

图2. LUS-Discovery 激光接收器实物图

图3. 铜和6061铝试样参数

图4. 实验装置原理图

图5. 两种材料的位移振幅-频率谱

图6. 两种材料的绝对非线性声学系数（斜率）分析

图7. 激光超声法和压电接触法测得声学非线性系数对比表

实验二：粘接强度评估研究

基于体波的反射或透射法因其在界面处高声阻抗失配下的高敏感性，往往仅用于空隙或完全脱粘检测，是一种不完美的评价手段。本文采用基于蓝姆波零群速模态衰减及频率定量分析了铝板间的粘接强度。共测量了5块不同机械强度的铝合金粘接板（铝合金板-胶-铝合金板）

图8.  1.5mm 铝板 - 150 um胶水 - 3 mm铝板粘接结构检测示意图

图9. 六种样品（1.单层1.5 mml铝板；2.固化时间减半；3.第一层铝板与胶水之间有脱模剂；4. 第二层铝板与胶水之间有脱模剂；5.两层铝板与胶水之间均有脱模剂；6. 正常粘接固化）

图10. 各种样品得到的蓝姆波共振频率强度对比@2MHz附近

图11. 六种试样的信号衰减对比

总结：

     LUS激光超声检测在用于绝对非线性声学参数测量时具有更高的可靠和稳定性，同时具备定量评估微损伤和微结构的可能性。在粘接强度评价应用中我们同样挖掘除了该技术收到可用于定量评价粘接强度的可行性。

参考文献：

Nondestructive evaluation of structural adhesive bonding using the attenuation of zero-group-velocity Lamb modes，Applied Physics Letters，doi: 10.1063/1.5143215

Measurement of Absolute Acoustic Nonlinearity Parameter Using Laser-Ultrasonic Detection，applied sciences, doi.org/10.3390/app11094175