超聲紅外熱波技術(shù)的研究現(xiàn)狀

馮輔周，張超省，張麗霞，閔慶旭

（裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072）

超聲紅外熱波技術(shù)的原型是20世紀(jì)70年代末期出現(xiàn)的振動熱像檢測［1］。受到當(dāng)時計算機(jī)和熱像儀性能的限制，仿真計算和試驗(yàn)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)非常困難，對該方法的研究一直沒有太大進(jìn)展。直到20世紀(jì)90年代末，計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和熱像儀性能的大幅提升，使得振動熱像檢測的研究進(jìn)入了一個嶄新的發(fā)展階段。2000年以來，美國韋恩州立大學(xué)的X Han等人對該檢測方法進(jìn)行了深入的研究，由于他們采用超聲塑焊槍作為激勵源，該檢測方法與后來興起的紅外熱波技術(shù)存在相通之處，隨后的研究人員將這種采用超聲脈沖作為激勵源的振動熱像檢測稱為超聲紅外熱波技術(shù)［2－3］。

1 基本原理及特點(diǎn)

超聲紅外熱波技術(shù)采用超聲脈沖作為激勵源，注入被測對象的振動能量傳播至裂紋、分層、脫粘等接觸界面類型缺陷區(qū)域時，缺陷區(qū)域因摩擦生熱、塑性變形等產(chǎn)生熱量，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生的熱量以熱波的形式向試件表面?zhèn)鲗?dǎo)，從而在被測對象表面溫度場上表現(xiàn)出來。采用熱像儀獲取表面溫度分布可以判斷被測對象內(nèi)部或表面缺陷，這是超聲紅外熱波技術(shù)用于缺陷檢測的基本原理［4－5］。超聲紅外熱波檢測系統(tǒng)主要由熱像儀、采集控制終端、超聲電源、超聲槍和其它輔助設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。超聲激勵系統(tǒng)主要包含超聲槍和超聲電源兩部分，超聲激勵參數(shù)主要包括激勵頻率、激勵時間、激勵強(qiáng)度等，是影響超聲紅外熱波檢測的最直接因素。

圖1 超聲紅外熱波檢測系統(tǒng)示意圖

與其它紅外熱波技術(shù)相比，超聲紅外熱波技術(shù)具有如下特點(diǎn)［6］：① 不需要考慮加熱均勻性，即使被測對象幾何形狀復(fù)雜，也可得到很好的檢測效果。② 對于大多數(shù)固體，聲波傳到裂紋幾乎是瞬時的，由于聲波衰減相對較低，因此對于某些材料，聲波能夠在距離激發(fā)源較遠(yuǎn)或較深的地方產(chǎn)生有效的激勵，故較脈沖閃光熱激勵方式，超聲激勵方式可以對更深的內(nèi)部分層或裂紋等進(jìn)行熱激勵。③ 超聲激勵注入試件后只對缺陷加熱，圖像信噪比高，對缺陷的檢測能力大大增強(qiáng)。④超聲脈沖激勵強(qiáng)度大、作用時間短，能檢測出其它紅外熱波技術(shù)難以檢測的微裂紋，可用于大范圍、快速檢測。

超聲紅外熱波技術(shù)對金屬試件疲勞裂紋、復(fù)合材料沖擊損傷有非常好的檢測效果［7］。該技術(shù)可以用于復(fù)雜形狀、大重量級（＞80kg）零部件的裂紋檢測，并可檢測＜20μm的微裂紋，由于無需進(jìn)行表面預(yù)處理以及對復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的適應(yīng)性，該技術(shù)應(yīng)用潛力巨大［8－10］。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

作為一種新型的無損檢測技術(shù)，超聲紅外熱波技術(shù)受到了國內(nèi)外無損檢測研究小組的廣泛關(guān)注，研究人員開展了大量的試驗(yàn)、理論和缺陷識別等方面的研究工作。

2.1 試驗(yàn)研究

針對超聲紅外熱波技術(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用，研究人員提出不同改進(jìn)和優(yōu)化方案，并在不同領(lǐng)域進(jìn)行了嘗試。2003年，美國海空武器中心航空部的I Perez和W R Davis提出了改進(jìn)超聲紅外熱波技術(shù)的試驗(yàn)裝置，通過調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)可達(dá)到優(yōu)化檢測結(jié)果的目的［11］。2006年，英國巴斯大學(xué)的D P Almond等人選用長脈沖低功率調(diào)制超聲激勵構(gòu)件得到了滿意的檢測效果，指出對不同直徑的CFRP平板缺陷的檢測僅需1W功率的電源來驅(qū)動超聲波換能器即可完成，但超聲功率小、激勵時間長，該方法不適合熱導(dǎo)率較高的金屬試件［12］。2007年，加拿大拉瓦爾大學(xué)的X Maldague等人對涂覆材料的微裂紋進(jìn)行了檢測，指出超聲紅外熱波技術(shù)對亞表面缺陷具有很好的檢測能力［13］；隨后，他們分別采用脈沖、鎖相和超聲作為激勵源，對航天用CFRP蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和玻璃鋼擋風(fēng)板上存在的缺陷進(jìn)行檢測，通過對比給出了各種方法的特點(diǎn)及適用范圍，指出與以光作為激勵源的脈沖及鎖相紅外技術(shù)相比，超聲紅外熱波技術(shù)具有激勵能量低，檢測深度深等優(yōu)越性［14］。

國內(nèi)的南京大學(xué)、首都師范大學(xué)等單位相繼開展了超聲紅外熱波技術(shù)的試驗(yàn)研究工作。2003年，南京大學(xué)的張淑儀等人對HWRX－3型紅外熱像儀系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展改進(jìn)，研制了與計算機(jī)連接的數(shù)據(jù)采集卡、硬件驅(qū)動程序和用戶軟件［15］；之后，他們利用鋁合金平板作為研究對象，通過扭力制作了含疲勞裂紋的平板試件，利用該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)［4］。2008年，首都師范大學(xué)的張存林等人開展了該技術(shù)在工程領(lǐng)域的試驗(yàn)研究，他們采用超聲紅外熱波技術(shù)對碳纖維、有機(jī)玻璃和焊接鋼板三種對象進(jìn)行檢測，表明該方法對不同材料和結(jié)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)靈敏快速的檢測［16］。

2.2 理論研究

圍繞超聲激勵下被測對象缺陷區(qū)域的生熱現(xiàn)象和內(nèi)在機(jī)理，研究人員進(jìn)行了大量的理論分析和探索。2004年，X Han等人建立了用于分析超聲聚能桿和試件接觸產(chǎn)生聲混沌的理論模型，證明了聲混沌的產(chǎn)生源于超聲聚能桿和試件之間的接觸，并不依賴于被測對象中缺陷的存在情況［17］；隨后，他們提出了一種計算裂紋區(qū)域能量擴(kuò)散的有限元方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了聲混沌現(xiàn)象具有增強(qiáng)裂紋生熱，進(jìn)而提高裂紋可檢測性的作用［18］。2007年，J Lu等人設(shè)計了改變裂紋閉合度的夾具，揭示了裂紋生熱與裂紋面閉合狀態(tài)存在密切關(guān)系，指出裂紋面承受的壓應(yīng)力越高，生熱就越不明顯，過高的壓應(yīng)力甚至?xí)?dǎo)致裂紋生熱現(xiàn)象的終止，初步探索了被測對象的缺陷可檢測性問題［19］。2009年，英國倫敦帝國學(xué)院的M Morbidini等人指出裂紋的形貌與裂紋振動阻尼之間有著較為密切的關(guān)系，并進(jìn)一步建立了振動能量衰減和溫升之間的關(guān)系［20］。2011年，美國愛荷華州立大學(xué)的S D Holland等人分析了超聲激勵下含缺陷試件的熱量空間分布特征，并設(shè)計了相關(guān)的試驗(yàn)，證明缺陷區(qū)域熱量的生成主要由摩擦、塑性變形和粘彈性損失等因素構(gòu)成［7］。

南京大學(xué)近代聲學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對超聲激勵下微裂紋的生熱機(jī)理進(jìn)行了深入研究。2004年，米小兵等人對超聲波引起固體微裂紋局部發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行討論，建立了相應(yīng)的理論計算模型［21］；2006年，鄭凱等人針對文獻(xiàn)［17］模型存在的問題和不足提出了改進(jìn)的動態(tài)分析模型，更為合理地揭示了聲混沌產(chǎn)生的基本規(guī)律［22］；2010年，陳趙江等人運(yùn)用有限元分析對裂紋區(qū)域的溫度場進(jìn)行了模擬計算，在此基礎(chǔ)上對裂紋生熱現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)地描述，深入探討了聲混沌現(xiàn)象對檢測效果的影響［23］。

2.3 缺陷識別

缺陷識別是超聲紅外熱波技術(shù)的最后環(huán)節(jié)，其研究不僅在于解決工程實(shí)際問題，更能反作用于試驗(yàn)和理論研究，為試驗(yàn)和理論研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。2010年，美國愛荷華州立大學(xué)的S D Holland等人為消除熱擴(kuò)散對裂紋信息識別的影響，設(shè)計了一套圖像處理算法，通過濾波、空間二階求導(dǎo)、時間一階求導(dǎo)等圖像處理過程，消除熱擴(kuò)散的影響并提取出了熱量，生成了對應(yīng)的獨(dú)立區(qū)域［24］。2008年，南京大學(xué)的鄭凱等人根據(jù)裂紋區(qū)域溫度隨時間變化的基本規(guī)律開發(fā)了基于時間序列的缺陷信息識別算法，提高了缺陷信號的識別精度［25］，但最終的識別依然依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷。2011年，裝甲兵工程學(xué)院的馮輔周等人根據(jù)超聲激勵下裂紋區(qū)域溫度空間分布的規(guī)律，提出了采用骨骼化算法進(jìn)行裂紋重構(gòu)的理論基礎(chǔ)和相應(yīng)算法，并將該算法成功應(yīng)用于裝甲板的裂紋形狀重構(gòu)［26］。

3 存在的不足及對策

總體來講，已有研究多數(shù)局限于平板試件的裂紋生熱或驗(yàn)證超聲紅外熱波技術(shù)的可行性，屬于正問題研究；而針對缺陷檢測方案制定和缺陷識別等反問題的研究還不夠系統(tǒng)，而這正是該技術(shù)走向工程應(yīng)用的突破口。針對現(xiàn)有研究中存在的不足，提出以下對策：

（1）試驗(yàn)研究 絕大多數(shù)研究人員試圖通過試驗(yàn)手段直接建立缺陷生熱與激勵參數(shù)、接觸狀態(tài)、固定方式等檢測條件之間的對應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到優(yōu)化檢測方案的目的，但效果并不理想。實(shí)際上，檢測條件通過被測對象振動特性的變化來間接影響缺陷區(qū)域熱量生成。因此只有對超聲激勵下被測對象的振動特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，才能建立缺陷生熱和檢測條件的對應(yīng)關(guān)系，為檢測方案的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

（2）理論研究 目前，針對超聲紅外熱波技術(shù)中缺陷區(qū)域生熱機(jī)理的研究還局限于平板結(jié)構(gòu)的裂紋區(qū)域發(fā)熱計算層面，研究成果難以直接推廣到復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其它接觸界面類型缺陷的檢測，不利于超聲紅外熱波技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此，針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)常見缺陷生熱機(jī)理的研究還需要進(jìn)一步深入，為超聲紅外熱波技術(shù)在工程領(lǐng)域的推廣奠定理論基礎(chǔ)。

（3）缺陷識別 如前所述，圖像增強(qiáng)算法和鎖相技術(shù)已經(jīng)引起了研究人員的足夠重視，但最終的識別仍然依賴于肉眼和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對缺陷類型、缺陷程度的判斷很難定量把握，缺陷的自動識別和重構(gòu)尚屬空白。要解決這個問題，就必須深入研究缺陷區(qū)域熱量的空間和時間分布規(guī)律，并運(yùn)用圖像處理技術(shù)和智能識別算法，開發(fā)常見缺陷的自動識別和重構(gòu)算法。隨著圖像處理和智能識別算法的廣泛應(yīng)用，缺陷的識別能力和精度必將大大增強(qiáng)。

4 結(jié)語

超聲紅外熱波技術(shù)憑借適用性強(qiáng)、速度快、靈敏度高等優(yōu)勢受到了越來越多的重視。介紹了超聲紅外熱波技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，著重歸納總結(jié)了國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有研究中存在的不足和未來研究中應(yīng)該采取的對策。隨著超聲紅外熱波技術(shù)工程應(yīng)用的不斷深化，其試驗(yàn)、理論和缺陷識別技術(shù)等方面的研究必將逐步走向完善。

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