激光超聲技術(shù)及其應(yīng)用

曾 偉，楊先明，王海濤，田貴云，3，方 凌

（1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016；2.煙臺富潤實業(yè)有限公司，煙臺 264670；3.紐卡斯爾大學(xué) 電子與計算機工程學(xué)院，紐卡斯爾 EU1 7RU）

近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，在一些惡劣的環(huán)境中，如高溫、高壓、易腐蝕及放射性強的條件下，傳統(tǒng)的無損檢測方法無法完全滿足檢測要求，需要尋求一種更有效的無損檢測方法對一些環(huán)境惡劣的工件進行檢測。激光超聲技術(shù)作為一種非接觸、遠距離的新興檢測技術(shù)，將激光技術(shù)與超聲技術(shù)進行了有機結(jié)合，與傳統(tǒng)意義上的超聲檢測技術(shù)相比，激光超聲技術(shù)的特點如下：

（1）可實現(xiàn)與被檢測材料表面非接觸激發(fā)超聲信號，因此，在材料表面無需添加任何耦合劑，避免耦合劑對檢測精度的影響，同時也避免對試件表面產(chǎn)生各種化學(xué)污染。

（2）可實現(xiàn)大面積、快速掃描及超聲成像等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)在實際工業(yè)生產(chǎn)中對一些快速運動的試件進行在線檢測的要求。

（3）可實現(xiàn)在一些絕緣體、陶瓷及有機材料中激發(fā)不同模式的超聲波。而傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)中一種換能器只能在材料表面產(chǎn)生一種超聲信號。

（4）激光器產(chǎn)生激光聲源，可大可小且易聚焦。在實際檢測中，可以自由選取點、線、環(huán)的激光聲源。

（5）對被檢材料表面的要求較低，對一些材料表面粗糙、形狀復(fù)雜的試件以及焊縫根部，可以實現(xiàn)較好的缺陷檢測。

激光超聲技術(shù)采用激光激發(fā)和超聲檢測，受到了各國研究學(xué)者的深入研究。1963年，R M White［1］和 A Askaryan［2］等人提出采用激光技術(shù)在固體材料中激發(fā)超聲信號的方法。1979年，Ledbetter［3］等人在一次激發(fā)中同時接收到縱波、橫波和表面波（SAW）。到了20世紀80年代中期，J P Monchalin［4］等人提出采用球面共焦法布里－珀羅（簡稱FP）干涉儀來檢測超聲信號的超聲測厚技術(shù)，首次實現(xiàn)了在1m遠處對未拋光的鋼板進行激光超聲試驗。俄羅斯的Alexander A［5－6］等人開發(fā)出一種集成激光激發(fā)超聲波和超聲波接收的接觸式的激光超聲探頭，在評估復(fù)合材料方面開展了一系列研究工作。Master ZM［7］等人提出采用從接收到的超聲波信號中提取缺陷散射波信號的算法，展開對材料缺陷的定量分析。

1 激光超聲技術(shù)原理

1.1 激光超聲的產(chǎn)生

根據(jù)激光是否與被測工件接觸產(chǎn)生超聲信號的方法，可將激光超聲檢測技術(shù)分為直接式與間接式兩大類。直接式主要采用激光與被測工件表面直接作用，一般這種方法主要通過熱彈效應(yīng)或熔蝕作用產(chǎn)生超聲信號；間接式則通過與被測工件周圍介質(zhì)產(chǎn)生超聲信號。直接式是激光束直接與被測材料表面直接作用產(chǎn)生超聲信號，因此產(chǎn)生的超聲信號不僅與激光束本身的時空特性有關(guān)，而且還與被測工件的材質(zhì)及表面特性有關(guān)。

1.2 熱彈機制

激光束在固體材料中激發(fā)出超聲信號主要是由于激光源與被測試件表面的相互作用。這個相互作用主要是將激光源的電磁能轉(zhuǎn)換成聲能的過程。在熱彈機制中，激光束直接照射到試件材料表面的某一區(qū)域，被照射區(qū)域中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷至高能態(tài)，處于高能態(tài)的電子通過輻射躍遷產(chǎn)生發(fā)光，其中無輻射躍遷及化學(xué)作用將導(dǎo)致超聲信號的產(chǎn)生。對于一些表面材料干凈、無約束的固體來說，當激光束的功率密度較低時，其值低于被測工件材料表面的損傷閾值時，被測工件表面由于吸收激光束輻射能導(dǎo)致材料局部溫度上升而不足以使其材料熔化，由于熱膨脹而在其表面產(chǎn)生切向壓力，可同時在被測工件表面產(chǎn)生橫波、縱波及表面波信號。在這種熱彈機制下，產(chǎn)生的超聲波信號幅度隨著激光束功率的增加而增加。由于激光束的功率較低，其在材料表面完全無損。但是在這種機制中，其光熱轉(zhuǎn)換效率比較低，為了提高其轉(zhuǎn)換效率，一般在其激光束照射的區(qū)域內(nèi)涂各種涂層（如水或油），可以提高被測材料表面吸收系數(shù)。同時在實際檢測中，采用一些脈沖寬度較窄的激光束同樣可以提高超聲信號的能量。熱彈激發(fā)機理原理如圖1所示。

1.3 熔蝕機制

圖1 熱彈機制

在熔蝕機制中，當激光束功率密度很大，被照射材料表面的瞬態(tài)溫度迅速達到材料的熔點時，導(dǎo)致被照射材料表面產(chǎn)生等離子體，這時在被檢測材料表面有小部分物質(zhì)會以很高的速度噴射出來，并在被檢測材料表面產(chǎn)生一個垂直的反作用力，同時在激光照射的表面產(chǎn)生一個壓縮脈沖，產(chǎn)生的應(yīng)力波和表面波的波形振幅顯劇增強。這種熔蝕機制對被測物體表面有一定的損傷（每次對表面產(chǎn)生約0.3μm的損傷），但是在此機制下能獲得較大強度的縱波和表面波，因此這種機制適用于某些對超聲信號強度有較高要求的無損檢測場合。

為了降低被檢測材料的表面損傷度，近年來產(chǎn)生了一些表面修飾技術(shù)，如濕表面技術(shù)。該技術(shù)主要在試件照射區(qū)的表面涂一層油或一滴水，同樣也可以產(chǎn)生燒蝕激發(fā)效果，而在材料中激發(fā)產(chǎn)生足夠強度的超聲波，而不對試件表面產(chǎn)生損傷。熔蝕激發(fā)原理如圖2所示。

圖2 熔蝕機制

1.4 激光超聲的接收

激光超聲信號的檢測方法主要有傳感器檢測和光學(xué)法檢測。傳感器檢測法主要是采用PVDF壓電薄膜直接與被測材料表面進行耦合接觸，接收激光產(chǎn)生的超聲信號。一般說來，這種檢測方法具有較高的檢測靈敏度。但這種接觸式的檢測超聲信號方法，在使用時需要在傳感器與被測材料之間添加耦合劑，一般對檢測材料表面要求較高。常見的換能器一般有電磁、壓電陶瓷換能器和電容換能器，這些換能器具有較寬的頻帶，可在被檢測材料表面接收到超聲信號。但對于一些復(fù)雜形狀的材料來說，該檢測方法無法使用且靈敏度低。

光學(xué)檢測法是一種非接觸、寬帶的超聲信號檢測方法。該方法通過連續(xù)激光照射被檢測表面，接收表面產(chǎn)生的反射光，從接收到的反射光的幅值等特征值的變化中得到超聲信號。該檢測方法又分為干涉檢測與非干涉檢測。干涉法檢測主要是將接收的反射光與參考光束發(fā)生干涉，得到頻移信號，從而檢測出被測材料表面的振動位移。一般在檢測系統(tǒng)中引入外差干涉檢測儀，以提高檢測信號的抗干擾能力。非干涉檢測法是利用當被檢測材料表面照射檢測光束小于接收的超聲信號波長時，表面反射的光束會受到表面超聲波的振動而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)大小直接與超聲波信號的幅值及性質(zhì)有關(guān)。該檢測方法具有裝置簡單、頻帶寬等特點，是對一些拋光材料表面進行超聲波檢測的有效工具。

2 激光超聲技術(shù)的應(yīng)用

目前激光超聲技術(shù)被應(yīng)用于材料評估、生物醫(yī)學(xué)工程和無損檢測等很多工業(yè)領(lǐng)域。

2.1 無損檢測

激光超聲技術(shù)可對材料內(nèi)部缺陷進行定性與定量檢測。激光器產(chǎn)生的脈沖寬度很窄，其最高頻率可達幾千兆赫，產(chǎn)生的波長只有幾微米，可以提高對材料內(nèi)部微缺陷的檢測能力，一般精度可達0.1mm。激光超聲技術(shù)作為一種非接觸的無損檢測方法，可在高溫、高壓、強輻射、有毒等惡劣環(huán)境下對材料進行高精度的無損檢測。對于一些形狀復(fù)雜的試件（如楔形結(jié)構(gòu)、V型結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層等），激光超聲技術(shù)能在一次激發(fā)過程中產(chǎn)生多種模式的超聲波信號，因此可應(yīng)用于對風(fēng)機葉片、機翼主軸的零部件以及核電材料中的一些關(guān)鍵零部的裂紋缺陷實時檢測。

2.2 材料特性測量

激光超聲技術(shù)為材料提供了一種非接觸、精確地測量超聲速度及衰減的新方法。激光產(chǎn)生的超聲波在材料內(nèi)部傳播時，其材料內(nèi)部的性能參數(shù)變化會影響超聲信號的波速或?qū)Τ暜a(chǎn)生衰減，因此，一般采用激光超聲技術(shù)來對材料的以下特性進行檢測：

（1）對材料的尺寸測量，如寬度、厚度及形狀面積等?？稍诟邷貤l件下對試件進行在線測厚。

（2）測量材料內(nèi)部的力學(xué)特性，如殘余應(yīng)力、硬度等參數(shù)。

（3）檢測材料內(nèi)部、表面及亞表面的微缺陷。

（4）材料內(nèi)部及表面應(yīng)力分布。激光超聲技術(shù)能檢測金屬、鋁合金等材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力及疲勞損傷等［8］，在材料生產(chǎn)加工過程中，對零件進行裂縫檢測。

（5）對介質(zhì)的聲衰減進行精確測量。激光超聲技術(shù)為介質(zhì)的聲衰減檢測提供了一個寬帶、可重復(fù)的超聲信號，這為精確測量衰減提供了保障。激光超聲技術(shù)可應(yīng)用于在納米材料的檢測，研究不同納米材料的物理化學(xué)特性，這對于研究納米材料內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)，具有十分廣泛的實用價值。

2.3 超聲快速掃描與成像

在激光超聲技術(shù)應(yīng)用于快速成像方面，Ruzzene M ，Michaels TE［9－10］等人提出采取頻域濾波法對超聲信號進行處理，對超聲信號進行傅里葉變換，濾除正向傳播的超聲信號，得到反向傳播的散射波信號，對缺陷進行位置識別和定量分析。Jung－Ryul Lee［11－12］等人提出采取異常波傳播圖像法對一些復(fù)雜形狀的采集進行激光超聲可視化檢測，這種異常波傳播圖像法不僅能有效抑制事件波信號，而且能對異常波信號進行有效的分離提取，對缺陷進行位置檢測和定量，取得較好的缺陷定量分析結(jié)果。M Kaphle，V Giurgiutiu和 W Fan［13－14］等人提出采取小波變換的方式對超聲信號進行分析。小波分析的方法能很好地識別超聲波模式，提供了一種提取超聲波有用信號的有效方法。研究不同的散射波分離算法對從超聲信號中準確分離出缺陷產(chǎn)生的散射波信號，對散射波信號進行傳播映像，實現(xiàn)對散射波信號動態(tài)圖像可視化，可對一些復(fù)雜形狀的設(shè)備進行缺陷的定量分析。

2.4 生物組織光聲成像

激光超聲技術(shù)還可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程中。該技術(shù)主要采用超聲波信號在生物組織中傳播成像方法，為醫(yī)學(xué)提供了一種無損傷、實時、高分辨力的成像技術(shù)。該光聲成像的基本原理是：脈沖激光束照射至生物體，生物組織吸收激光束的能量，由于熱膨脹效應(yīng)，產(chǎn)生的超聲波信號在人體中傳播，利用檢測到的超聲波信號對其圖像進行重建，從而得到生物組織影像。該光聲成像技術(shù)［15－16］主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程方面，例如口腔癌、血管病變［17］等方面，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

激光超聲技術(shù)作為一種在無損檢測和無損評估領(lǐng)域的重要檢測技術(shù)，已經(jīng)取得了許多令人矚目的成就。但是，激光超聲檢測技術(shù)存在靈敏度低、系統(tǒng)復(fù)雜、價格高等缺點。盡管激光超聲技術(shù)在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域中仍有一段相當長的路要走，但是隨著激光超聲技術(shù)的發(fā)展，其將在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。

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