激光－電磁超聲技術(shù)的檢測(cè)原理與應(yīng)用

趙 揚(yáng)，劉 偉，郭 銳，宋江峰，賈中青

（山東省科學(xué)院激光研究所，濟(jì)南 250014）

20世紀(jì)末至今，隨著激光、電子、計(jì)算機(jī)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，經(jīng)過(guò)十幾年的技術(shù)積累，激光超聲已從方法探索步入技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用階段，是傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展［1］。目前，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于研究利用激光干涉儀來(lái)測(cè)量超聲，這種方法對(duì)表面平整的樣品具有較高的檢測(cè)靈敏度，但隨著表面粗糙度的增加，靈敏度迅速下降。盡管采用短焦距物鏡接收盡可能多的散射光的方法可以改善檢測(cè)靈敏度，但也只能在一定程度上得到補(bǔ)償，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制［2－4］。因此，研究一種適用于粗糙表面材料的激光超聲檢測(cè)技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)人員研究的熱點(diǎn)。

筆者建立了一種適用于金屬材料的激光超聲檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)利用激光在被檢材料中激發(fā)超聲波，然后借助EMAT傳感器來(lái)接收超聲信號(hào)，即激光－電磁超聲技術(shù)。介紹了激光－電磁超聲技術(shù)的檢測(cè)原理和基于該原理所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)所激發(fā)出的瑞利波和橫波分別檢測(cè)了鋼坯表面（近表面）和內(nèi)部的缺陷。

1 激光－電磁超聲技術(shù)的檢測(cè)原理

1.1 激光激發(fā)超聲波機(jī)理

圖1 熱彈機(jī)制激發(fā)超聲波示意圖

（1）熱彈機(jī)制 高功率激光入射至物體表面，部分能量被材料表面吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致材料表面溫度迅速升高，進(jìn)而使得材料膨脹（圖1）。通過(guò)熱彈效應(yīng)形成應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，從而激發(fā)出超聲波［5］。熱彈機(jī)制可以同時(shí)激發(fā)出縱波、橫波和瑞利波，且聲波幅度隨激光能量增加而增大［6］。這種機(jī)制對(duì)于非金屬材料可以激發(fā)出很高的頻率（GHz），而在金屬材料里一般＜10MHz。這種機(jī)制的光聲能量轉(zhuǎn)化率通常＜1%。

（2）燒蝕機(jī)制 當(dāng)激光功率＞107W／cm2時(shí)，材料表面將有一薄層（微米）會(huì)被燒蝕而損失掉，部分原子將脫離材料表面并在表面形成等離子體，同時(shí)產(chǎn)生垂直方向的反作用力脈沖（圖2），進(jìn)而激發(fā)出超聲波［7］。燒蝕機(jī)制可以同時(shí)激發(fā)出縱波、橫波和瑞利波，在該機(jī)制下縱波和瑞利波幅值會(huì)明顯增大，而橫波幅度隨激光能量增加而增大至一定值，然后幅值會(huì)逐漸地減?。?］。這種機(jī)制的光聲能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)30%。

圖2 燒蝕機(jī)制激發(fā)超聲波示意圖

（3）表面自約束機(jī)制 為了提高所激發(fā)出的超聲波能量，同時(shí)又避免材料表面發(fā)生燒蝕損傷，可以在被檢材料表面涂覆一層透明的薄膜（圖3），這樣可以通過(guò)燒蝕該薄膜來(lái)產(chǎn)生能量較高的橫波、縱波和瑞利波［9］。實(shí)際上，這種激發(fā)超聲的方法同時(shí)包含了熱彈機(jī)制和燒蝕機(jī)制。

（4）沖擊機(jī)制 當(dāng)激光束聚焦至材料表面前很近的一點(diǎn)時(shí)，若功率密度足夠高，則會(huì)將該區(qū)域的空氣擊穿從而形成等離子體并產(chǎn)生一沖擊波，該沖擊波作用于材料時(shí)會(huì)瞬間產(chǎn)生一法向應(yīng)力（圖4），進(jìn)而激發(fā)出超聲波［10］。沖擊機(jī)制激發(fā)出縱波、橫波和瑞利波的幅值均會(huì)明顯增大。

1.2 聲磁法接收超聲波機(jī)理

EMAT傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)接收金屬材料中的超聲波信號(hào)，其能量轉(zhuǎn)換是在被測(cè)工件表面的集膚層內(nèi)直接進(jìn)行的，所以不需要與工件接觸并且不需要任何耦合介質(zhì)。EMAT傳感器對(duì)于被測(cè)物體表面要求不高，而且可對(duì)高溫物體和表面粗糙的物體直接檢測(cè)。當(dāng)被測(cè)物體表面有超聲自內(nèi)部投射時(shí)，質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，帶正電荷的晶格在偏置磁場(chǎng)的作用下受力，產(chǎn)生交變電流。該交變電流將導(dǎo)致被測(cè)導(dǎo)體的表層出現(xiàn)交變的磁場(chǎng)，這個(gè)交變磁場(chǎng)漏出導(dǎo)電體，在被測(cè)導(dǎo)體上方的線圈中感生出電動(dòng)勢(shì)。這樣，就可以被EMAT傳感器的檢測(cè)線圈接收到［11］。利用聲磁法接收超聲信號(hào)時(shí)，被測(cè)物體作為電磁超聲傳感器的一部分，必須是電導(dǎo)體或磁導(dǎo)體。若被測(cè)物體是鐵磁性材料，除洛侖茲力外，還受到磁致伸縮力的作用［12］。

EMAT傳感器接收超聲信號(hào)的要素是磁場(chǎng)和材料表面的微觀粒子的振動(dòng)狀態(tài)；所接收的超聲波波型取決于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波傳播方向的關(guān)系，因此外加磁場(chǎng)的方向、線圈的幾何形狀以及電磁場(chǎng)的頻率是設(shè)計(jì)不同波型EMAT傳感器的主要考慮因素［13］。下面給出瑞利波、縱波及橫波的EMAT接收原理：

（1）瑞利波 當(dāng)激光激勵(lì)出瑞利波時(shí)，質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移U，帶正電荷的晶格陣點(diǎn)具有速度U′。當(dāng)外磁場(chǎng)方向B與被檢材料表面垂直時(shí)（圖5），晶格將受力U′×B，從而產(chǎn)生電流密度為I的交變電流，交變電流將導(dǎo)致被測(cè)試件的表層出現(xiàn)磁場(chǎng)，若采用回折式線圈構(gòu)成的EMAT傳感器（線圈間距等于瑞利波長(zhǎng)的一半），根據(jù)電磁感應(yīng)原理則可以接收到該磁場(chǎng)引起的電動(dòng)勢(shì)變化，進(jìn)而獲得瑞利信號(hào)。

圖5 EMAT傳感器接收瑞利波示意圖

（2）縱波 當(dāng)被檢材料中激勵(lì)出超聲縱波，且外磁場(chǎng)方向B與被檢材料表面平行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如圖6所示的交變電流I，導(dǎo)致被測(cè)試件的表層出現(xiàn)磁場(chǎng)，則可由檢測(cè)線圈獲得該磁場(chǎng)引起的電動(dòng)勢(shì)變化，進(jìn)而獲得該縱波信號(hào)。

圖6 EMAT傳感器接收超聲縱波示意圖

（3）橫波 橫波與縱波的接收方式相似，所不同的是需將外磁場(chǎng)方向B與被檢材料表面呈垂直關(guān)系，此時(shí)所產(chǎn)生的交變電流I如圖7所示，則可由檢測(cè)線圈獲得該被測(cè)試件表面感生磁場(chǎng)引起的電動(dòng)勢(shì)變化，進(jìn)而獲得該橫波信號(hào)。

2 激光－電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)

激光－電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光超聲激勵(lì)系統(tǒng)、超聲信號(hào)電磁接收系統(tǒng)、信號(hào)放大濾波系統(tǒng)和信號(hào)采集處理系統(tǒng)四部分組成。圖8給出了由筆者所在研究所自主設(shè)計(jì)的激光－電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。其中聚焦系統(tǒng)包括點(diǎn)聚焦和線聚焦兩種，該系統(tǒng)的使用是為了增強(qiáng)激光束的能量，并提高其指向性，產(chǎn)生能量較強(qiáng)、穩(wěn)定性較好的超聲波，試驗(yàn)中使用線型聚焦系統(tǒng)?？紤]到EMAT傳感器與被檢材料的間距會(huì)影響接收超聲信號(hào)的靈敏度，以及為了準(zhǔn)確定位缺陷的位置，將EMAT傳感器固定于三維步進(jìn)系統(tǒng)，其步進(jìn)精度為0.01mm。

圖8 激光－電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

3 激光－電磁超聲技術(shù)特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)，激光－電磁超聲技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）非接觸式檢測(cè) 利用激光激發(fā)超聲波時(shí)，被檢材料本身充當(dāng)了探頭；接收超聲信號(hào)時(shí)，則是利用EMAT傳感器完成，因此不需要使用耦合劑，檢測(cè)靈敏度不受耦合狀態(tài)限制，也在一定程度上擺脫了環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)工作的限制。

（2）不受被檢材料的幾何形狀和表面粗糙度限制 激光激勵(lì)超聲波時(shí)，所激發(fā)的超聲波波型與激光入射角度無(wú)關(guān)，并且利用EMAT傳感器接收超聲信號(hào)時(shí)，傳感器與材料表面亦無(wú)需保持嚴(yán)格的垂直等固定的角度關(guān)系，可解決復(fù)雜幾何形狀和表面粗糙工件的檢測(cè)難題。

（3）可激發(fā)多種波型 利用激光脈沖，可同時(shí)產(chǎn)生縱波、橫波和瑞利波。所產(chǎn)生的縱橫波的方向性主要取決于聲源的大小和能量分布。利用熱彈機(jī)制激發(fā)超聲波時(shí)，其方向性為：縱波和橫波都為中空指向，縱波幅度約在60°時(shí)取得最大值，而橫波約在30°。利用燒蝕機(jī)制激發(fā)超聲波時(shí)，它的方向性為：縱波為中強(qiáng)指向性，在垂直方向達(dá)最大值，而橫波在約35°取得最大值，沖擊機(jī)制尚未有文獻(xiàn)報(bào)道。利用激光超聲具有的這些特點(diǎn)，分析缺陷對(duì)波的衍射和反射作用，對(duì)于缺陷信號(hào)的提取有指導(dǎo)意義［14］。

（4）對(duì)檢測(cè)部位的空間位置要求不高 激光聲源十分靈活，聲源的形狀有點(diǎn)源、盤源、線源、環(huán)源等，這取決于光學(xué)元件和系統(tǒng)。小點(diǎn)源或細(xì)線源具有很好的局域性，且可以通過(guò)光導(dǎo)纖維將激光誘導(dǎo)到難以接近的區(qū)域，這為形狀較為復(fù)雜的構(gòu)件提供了一種檢測(cè)手段［15］。

4 激光－電磁超聲技術(shù)的應(yīng)用

由于利用燒蝕或沖擊機(jī)制可以激發(fā)較大能量的超聲波，因此結(jié)合EMAT傳感器電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將EMAT傳感器與被檢材料的間距增大至5～15mm范圍。激光－電磁超聲技術(shù)特別適用于高溫、腐蝕和高速運(yùn)動(dòng)等苛刻環(huán)境下金屬材料的檢測(cè)，下面給出利用自主設(shè)計(jì)的激光－電磁超聲系統(tǒng)對(duì)鋼坯表面、近表面裂紋以及內(nèi)部孔洞的檢測(cè)方法和結(jié)果。

4.1 表面及近表面裂紋的檢測(cè)

利用線型激光光源激發(fā)出能量較強(qiáng)的瑞利波作為檢測(cè)超聲波，瑞利波遇到裂紋或孔洞時(shí)會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換生成橫波（圖9）。采用EMAT傳感器接收超聲信號(hào)，它對(duì)于垂直切割磁場(chǎng)磁感應(yīng)線的超聲波具有最佳靈敏度，因此EMAT傳感器位于缺陷正上方時(shí)，所接收到的信號(hào)能量最強(qiáng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位。圖10為激光－電磁超聲法檢測(cè)鋼坯表面裂紋及近表面孔洞的結(jié)果，其中裂紋尺寸為30mm×0.2mm×0.2mm，孔洞尺寸為φ3mm×30mm，缺陷信號(hào)的幅值均超過(guò)了0.5V。

圖9 表面及近表面缺陷檢測(cè)示意圖

圖10 表面及近表面缺陷檢測(cè)結(jié)果

4.2 內(nèi)部孔洞的檢測(cè)

利用線型激光光源可以激發(fā)出橫波，其聲束與法線間夾角為30～38°。檢測(cè)時(shí)，利用EMAT傳感器接收缺陷在法線方向產(chǎn)生的衍射波即可對(duì)缺陷進(jìn)行水平定位（圖11），深度則可由聲時(shí)計(jì)算得出。

圖11 內(nèi)部缺陷檢測(cè)示意圖

圖12 給出了激光－電磁超聲法檢測(cè)鋼坯內(nèi)部孔洞的結(jié)果，其中孔洞尺寸為φ3mm×30mm，缺陷信號(hào)的幅值約為0.6V。

圖12 內(nèi)部缺陷檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論與展望

金屬材料的缺陷檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分。激光－電磁超聲檢測(cè)技術(shù)利用光聲轉(zhuǎn)化的原理在被檢材料中激發(fā)超聲波，利用基于電磁效應(yīng)轉(zhuǎn)化的EMAT傳感器來(lái)接收超聲信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量缺陷的回波信號(hào)來(lái)確定物體中缺陷的位置。該技術(shù)無(wú)需耦合劑，且不受被檢材料形狀及表面粗糙度的限制，在高溫、腐蝕和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的金屬材料和結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大應(yīng)用價(jià)值。

［1］錢夢(mèng)騄.激光超聲學(xué)的若干進(jìn)展［J］.聲學(xué)技術(shù)，2002，21（1）：19－24.

［2］Pouet B，Breugnot S，Clémenceau P.An innovative interferometer for industrial laser ultrasonic inspection［J］.Review of Progress in QNDE，2005（760）：273.

［3］李曉春，孫培懋，金國(guó)藩.激光超聲及其在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.光電子技術(shù)，2000，1（17）：37－44.

［4］Wagner J W.Breaking the sensitivity barrier：The challenge for laser－ultrasonics［J］.Ultrasonics Symposium，1992：791－800.

［5］Scruby C B.Some applications of laser ultrasound［J］.Ultrasonics，1989，27（4）：195－209.

［6］Davies S J，Edwards C，Taylor G S，et al.Laser－generated ultrasound：its properties，mechanisms and multifarious applications［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1993，26（3）：329－348.

［7］Aussel J D，Brun A L，Baboux J C.Generating acoustic waves by laser：theoretical and experimental study of the emission source［J］.Ultrasonics，1988，26（5）：245－255.

［8］Murray T W，Wagner J W.Laser generation of acoustic waves in the ablative regime［J］.Journal of Applied Physics，1999，85（4）：2031－2040.

［9］Scruby C B，Drain L E.Laser ultrasonics：Techniques and Applications［M］.Briston，U K：Adam Hilger，1990.

［10］Edwards C，Taylor G，Palmer S.Ultrasonic generation with a pulsed TEA CO2laser［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1989，22（9）：1266－1270.

［11］MacLauchlan D，Clark S，Cox B.Recent advancements in the application of EMATs to NDE ［C］.16th World Conference on NDT，2004.

［12］應(yīng)崇福.超聲學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1990.

［13］李倩，林書玉，王春玲.電磁超聲換能器（EMAT）的應(yīng)用技術(shù)研究［J］.技術(shù)前沿，2009，10（10）：71－73.

［14］Scruby C B.Study of laser－generated ultrasonic waveforms at different orientations ［J］.Applied Physics Letters，1986（48）：100－102.

［15］Jarzynski J，Berthelot Y H.The use of optical fibers to enhance the laser generation of ultrasonic waves［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，1989，85（1）：158－162.