薄板中的光聲相控陣聚焦技術(shù)研究

肖宇剛，程 灝，高椿明，張 萍

(電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對無損檢測技術(shù)的要求也在不斷提高。激光超聲檢測技術(shù)(LUT)囊括了激光技術(shù)和超聲技術(shù)的技術(shù)優(yōu)點，在日益復(fù)雜的工業(yè)檢測環(huán)境中，特別是在金屬、復(fù)合材料、陶瓷和液體的檢測中比其他檢測技術(shù)更具優(yōu)勢。它可以實現(xiàn)快速、遠(yuǎn)程、準(zhǔn)確、靈活地檢測固定或移動的金屬曲面工件，也可以在惡劣的環(huán)境(如在遠(yuǎn)高于其他儀器所能承受的溫度)中實現(xiàn)工業(yè)檢測。JIN H等[1]通過使用線聚焦激光和陣列技術(shù)改進(jìn)窄帶表面波的生成結(jié)果，使信噪比得到提高。Pei等[2]研究了利用光纖相控陣激光超聲波發(fā)生器和電磁聲學(xué)傳感器對內(nèi)表面裂紋進(jìn)行非接觸和非破壞性測量的相控陣激光超聲波生成系統(tǒng)。梁鵬[3]將激光超聲運用于壓力容器的檢測中，實現(xiàn)了高壓環(huán)境下的缺陷檢測，提高了激光超聲的應(yīng)用水平。裘進(jìn)浩等[4]通過對航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用激光超聲技術(shù)進(jìn)行研究，分別對航空材料的兩種不同缺陷進(jìn)行了損傷識別，并以此建立了航空復(fù)合材料的壽命預(yù)測系統(tǒng)。Hayashi等[5]將脈沖激光陣列產(chǎn)生的強超聲波用于對印版缺陷的成像，結(jié)果表明激光陣列比單個激光成像的效果明顯。Davis等[6]使用一個由空間陣列照明源組成的脈沖釔鋁石榴石晶體(Nd-YAG)激光系統(tǒng)產(chǎn)生了窄帶蘭姆(Lamb)波，使用一個基于雙波混合的激光干涉儀來檢測所產(chǎn)生的波模式，用于增材制造部件的現(xiàn)場檢查。Chen等[7]開發(fā)了一種利用激光超聲掃描進(jìn)行相鄰波減法的異常波傳播成像方法，以增強與損傷相關(guān)異常波的可見性。LEE等[8]研究了一種激光超聲傳播成像(UPI)技術(shù)的高速重復(fù)掃描技術(shù)，能夠在檢測真實世界的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時顯著提高信噪比。周正干等[9]利用激光干涉測量技術(shù)的高分辨率特點，在緊固孔邊沿測得分層缺陷導(dǎo)致激光超聲信號的反射和衰減，基于相控陣超聲技術(shù)研究了激光超聲技術(shù)用于脫黏缺陷檢測，緊固孔分層檢測的可行性。本文為了提高聲檢測的靈敏度及空間選擇能力，開展了強度調(diào)制的激光在金屬表面上激發(fā)出光聲信號，將多個這樣的激光陣元激發(fā)的光聲信號聚焦在指定位置的研究。

1 原理及仿真

1.1 光聲原理

強度周期性調(diào)制的激光照射金屬樣品后，樣品接收入射的光子能量后通過熱弛豫過程變?yōu)闊崮?，從而引起樣品溫度的周期性變化，形成熱波，熱波傳遞距離有限，其能量轉(zhuǎn)換成聲場在樣品中傳播，形成光聲。光聲作為激光激勵的聲，點聲源特性優(yōu)良，因此，利用其作為近場探測與成像得到廣泛使用。但因其聲源較淺，在激光未照射的地方難以形成有效探測，因此，發(fā)展基于光聲陣列的遠(yuǎn)距離聚焦技術(shù)具有突出的研究價值和推廣應(yīng)用的潛力。利用聲場互易原理，通過多通道光聲陣列泵浦可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的光聲聚焦。

1.2 共軛原理

根據(jù)聲學(xué)互易性，在發(fā)射點和接收點不變的情況下，當(dāng)發(fā)射點發(fā)射相位為0°的信號時，接收點接收到的相位為δ;將發(fā)射信號相位設(shè)置為2π-δ時，則對應(yīng)的信號接收相位此時改變?yōu)?°。圖1為發(fā)射點與接收點相位共軛示意圖。

圖1 發(fā)射點與接收點相位共軛示意圖

在已知聚焦位置和光聲陣列泵浦位置的情況下，根據(jù)互易性原理，利用共軛法設(shè)計各個通道的光聲泵浦強度和相位，保障每個通道的光聲傳播到聚焦點時均具有相同的相位，這樣所有通道的聲信號實現(xiàn)同相疊加，從而實現(xiàn)聚焦效果。

1.3 仿真及分析

使用COMSOL軟件開展仿真分析，建模如圖2(a)所示。由圖可知，薄板模型尺寸為200 mm×220 mm，8個激光泵浦點((65 mm,100 mm),(75 mm,100 mm),(85 mm,100 mm),(95 mm,100 mm),(105 mm,100 mm),(115 mm,100 mm),(125 mm,100 mm),(135 mm,100 mm))，聚焦目標(biāo)點(100 mm,150 mm)，根據(jù)互易定理，泵浦點相位為各陣元的相位,分別為17.3°、315.3°、270.6°、247°、247°、270.6°、315.3°、17.3°。仿真過程不考慮鋁板邊界回波。仿真參數(shù)：6061鋁合金板密度為2.70 g/cm3，楊氏模量為68.9 GPa，泊松比為0.33，熱膨脹系數(shù)為23.2×10-5K-1，比熱容為897 J/(kg·K)。

圖2 仿真建模示意圖

在目標(biāo)聚焦點獲得聚焦時，鋁合金板上的聲場分布如圖2(b)所示，仿真結(jié)果證明了相位共軛法用于聲聚焦的可行性。

為了表征聚焦性能的好壞，引進(jìn)聚焦度J，其表達(dá)式為

J=P焦點/P非焦平均

(1)

式中：P焦點為焦點處的最大聲壓值；P非焦平均為焦點附近去除焦點峰外的平均聲壓值。

為了表征聚焦焦點空間分辨率的好壞，引進(jìn)焦點等效半徑Reff，其定義為焦點附近振幅超過P焦點×10%區(qū)域范圍的等效半徑。

從泵浦的可調(diào)節(jié)性考慮,影響聚焦性能好壞的參數(shù)主要有頻率、泵浦源數(shù)量和泵浦間距。

首先，不同聲信號頻率直接影響相控陣聲場的聚焦性能，為此開展了頻率(f)為60 kHz、80 kHz和100 kHz時光聲相控陣聚焦的仿真分析,結(jié)果如圖3所示。由圖可知，頻率越高，Reff越小，聚焦度越高，這說明提高光聲系統(tǒng)工作頻率能有效提升光聲陣列的聚焦效果。

圖3 系統(tǒng)頻率對聚焦效果的影響仿真

其次，為了分析泵浦光間距對聚焦性能的影響，開展了頻率為100 kHz,間距分別為10 mm、20 mm、30 mm時的聲場仿真，焦點附近聲壓分布如圖4(a)所示，聚焦效果評價如圖4(b)所示。

圖4 陣元間距對聚焦效果的影響仿真

2 基于相位共軛法的光聲聚焦實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

為了實現(xiàn)對多激光泵浦光聲聚焦的實驗驗證，搭建了如圖5所示的實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)中8臺光纖激光器在電腦的控制下通過多通道激光調(diào)制控制器實現(xiàn)了對8臺激光輸出的強度正弦調(diào)制和相位控制，鋁合金板樣品中的振動由激光測振儀進(jìn)行測量，振動信息經(jīng)過多通道音頻采集卡送入電腦進(jìn)行后處理。8臺激光器出光的空間位置由激光出光夾具決定，本實驗中的激光布置是等間距為10 mm的線陣排列，聚焦位置選定距離線陣中軸線上50 mm的點。

圖5 實驗系統(tǒng)圖

為了驗證系統(tǒng)的性能，先逐個單獨開啟激光器探測焦點處的振幅，再開啟8個激光器同時探測焦點的振幅，結(jié)果如表1所示。由表可見,同時開啟時，相位得到了極大提升，系統(tǒng)能實現(xiàn)焦點的聚焦能力。

表1 陣列聚焦實驗表

為了進(jìn)一步分析在此種實驗條件下的聚焦性能，以焦點為中心、3 mm為探測步進(jìn)，向左、右均探測27個點，即在光聲聚焦點橫向上探測55個點的聲信號強度來表示光聲聚焦點的橫向聲場分布，測試結(jié)果如圖6所示。實驗表明在焦點附近實現(xiàn)了聚焦。

圖6 聚焦點橫向聲場分布實驗測試結(jié)果

2.2 不同調(diào)制頻率實驗研究

為了研究實驗條件下頻率對聚焦的影響，分別對5個頻率點(20kHz、40 kHz、60 kHz、80 kHz、100 kHz)進(jìn)行實驗測試，聲聚焦點均為陣列中軸線上距離陣列中心50 mm處，探測聲聚焦點橫向聲場分布如圖7(a)所示。聚焦參數(shù)的分析如圖7(b)所示。實驗表明與理論預(yù)測相同，頻率越高，聚焦性能越好。但是由于頻率越高，衰減越厲害，因此，針對不同應(yīng)用，應(yīng)選擇最佳頻率。

2.3 不同線陣列陣元數(shù)

為了驗證泵浦光源數(shù)量(陣元數(shù))對聚焦效果的影響，開展了相應(yīng)泵浦光個數(shù)分別為3、5、7、9個的聚焦測試，實驗中，激光功率為6 W，激光調(diào)制頻率100 kHz，聚焦位置仍為中軸線上距離50 mm處。實驗結(jié)果如圖8所示，隨著陣元數(shù)的增多，聚焦性能逐漸提高。

2.4 橫向/縱向光聲聚焦實驗與分析

為了進(jìn)一步研究陣列聚焦的特性，開展了橫、縱向上不同位置的聚焦點的橫向聲場分布實驗研究。

首先進(jìn)行橫向多點聚焦實驗，選取聲聚焦點的坐標(biāo)分別為(0,50 mm),(12 mm,50 mm),(24 mm,50 mm),(36 mm,50 mm),(48 mm,50 mm),(60 mm,50 mm)，調(diào)制頻率為100 kHz，其他實驗條件相同，為了方便比較，將6個不同位置的聲聚焦點位置統(tǒng)一為坐標(biāo)0位置，得到如圖9(a)所示的振幅分布圖，其聚焦統(tǒng)計分布如圖9(b)所示。實驗表明，越接近對稱中心點(0，50 mm)，聚焦性能越好。

圖9 橫向任意點光聲相控陣聚焦點聲場聚焦寬度對比圖

其次開展縱向聚焦實驗研究，選取縱向焦點分別為(0，30 mm)、(0，50 mm)、(0，70 mm)、(0，90 mm)，其他實驗條件不變，實驗測試結(jié)果如圖10(a)所示。不同點的聚焦特性研究如圖10(b)所示。實驗表明，越接近陣列位置，聚焦性能越好。

圖10 不同聚焦深度焦點橫向聲場分布對比圖

由圖10可以看出，隨著距離的增大，聚焦點聲場中聚焦寬度會隨之變寬，聲場的變化趨勢變緩，周圍的旁瓣幅值聚焦點的信號幅值也隨之減小。

3 結(jié)論

本文通過仿真和實驗研究，開展了多泵浦激光陣列下的光聲聚焦特性的研究，完成了泵浦源數(shù)量、間距、泵浦頻率、焦點空間位置等關(guān)鍵參數(shù)對光聲聚焦的特性影響的相關(guān)研究，研究表明：

1) 在金屬板材工件中，利用光聲泵浦陣列可以實現(xiàn)光聲聚焦。

2) 陣元數(shù)量、間距及焦點距離都會影響聚焦性能。

3) 頻率越高，聚焦性能越好，但信號衰減厲害，因此，實際應(yīng)用中需根據(jù)實際情況選擇合適頻率。本技術(shù)可實現(xiàn)光聲信號在離開泵浦點以外的地方進(jìn)行聚焦，從而提高在焦點處的聲信號強度及其探測靈敏度；同時，通過改變泵浦源的相位關(guān)系可以實現(xiàn)對不同位置的聚焦。因此，本技術(shù)可為高靈敏、快速掃描檢測提供一種新的技術(shù)手段。