金屬表面裂紋脈沖壓縮增強(qiáng)型激光超聲檢測(cè)方法研究

韓 峰， 王春梅， 寇 興, 吳小雨， 裴翠祥

(1.南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，南京 210016； 2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210；3.西安交通大學(xué) 陜西省無(wú)損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程中心 機(jī)械機(jī)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

表面裂紋作為金屬材料的典型缺陷之一，是復(fù)雜循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義。近年來(lái)，針對(duì)金屬表面裂紋缺陷，基于聲表面波的全非接觸超聲檢測(cè)方法越來(lái)越受到人們的關(guān)注，尤其是激光超聲檢測(cè)方法[1-6]。

激光超聲檢測(cè)是一種利用激光激發(fā)和接收超聲波信號(hào)的新型超聲檢測(cè)技術(shù)，它具有非接觸、遠(yuǎn)距離、高分辨率、良好的可達(dá)性、可激發(fā)多模態(tài)超聲波等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)適用于復(fù)雜形貌的工件或高溫等危險(xiǎn)環(huán)境下的檢測(cè)。然而，由于激光超聲檢測(cè)過(guò)程中的靈敏度較差、且檢測(cè)信號(hào)的信噪比較低，仍需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究[3-9]。

脈沖壓縮技術(shù)是一種信號(hào)處理技術(shù)，其基本原理是在信號(hào)發(fā)射端通過(guò)發(fā)射不同頻率的脈沖串信號(hào)取代傳統(tǒng)的窄脈沖信號(hào)，從而增強(qiáng)信號(hào)的發(fā)射能量，在檢測(cè)端將接收到的寬頻脈沖串回波信號(hào)通過(guò)脈沖壓縮信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行壓縮處理，轉(zhuǎn)換成窄脈沖、高分辨率信號(hào)，從而使信號(hào)具有更好的空間分辨率和更高的信噪比。目前脈沖壓縮技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于超聲檢測(cè)中，例如周正干等[10]利用脈沖壓縮技術(shù)及其在超聲檢測(cè)中的實(shí)現(xiàn)，建立了空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)，并驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化后脈沖壓縮在空氣耦合超聲檢測(cè)中的良好應(yīng)用，然而在激光超聲檢測(cè)技術(shù)中還鮮有相關(guān)報(bào)道。

本文將脈沖壓縮技術(shù)與激光超聲相結(jié)合，針對(duì)金屬材料的表面裂紋缺陷，提出一種基于脈沖壓縮技術(shù)的新型增強(qiáng)型激光超聲無(wú)損檢測(cè)方法，可大幅度提高激光超聲檢測(cè)技術(shù)的信噪比和檢測(cè)精度，對(duì)解決現(xiàn)有激光超聲技術(shù)中的低靈敏度等問(wèn)題具有重大意義。第1章基于脈沖壓縮技術(shù)的基本原理，提出了基于線(xiàn)性調(diào)頻脈沖壓縮增強(qiáng)激光超聲檢測(cè)方法；第2章基于有限元法開(kāi)發(fā)了基于脈沖壓縮技術(shù)的新型增強(qiáng)型激光超聲數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮信號(hào)處理，并且通過(guò)對(duì)不同位置的表面裂紋缺陷進(jìn)行脈沖壓縮處理，研究了該方法的檢測(cè)能力；第3章，搭建了脈沖壓縮激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了該方法對(duì)于激光超聲檢測(cè)信號(hào)信噪比的增強(qiáng)能力。最后在第4章進(jìn)行了本文的總結(jié)和展望。

1 脈沖壓縮激光超聲檢測(cè)方法

新型脈沖壓縮增強(qiáng)激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)及方法如圖1所示。如圖1(a)所示，該檢測(cè)系統(tǒng)由脈沖激光器、光學(xué)掩模板，激光干涉儀、二向色鏡、示波器、掃描平臺(tái)和控制電腦等構(gòu)成。與傳統(tǒng)激光超聲檢測(cè)不同的是，由脈沖激光器發(fā)出的激光束沒(méi)有通過(guò)聚焦透鏡聚焦到被測(cè)試件上，而是通過(guò)一光學(xué)掩模板在試件表面形成寬度漸變的激光條紋，從而在試件表面激發(fā)脈沖寬度(頻率)連續(xù)變化的激光超聲表面波脈沖串信號(hào)。基于脈沖壓縮基本原理[11-12]，如圖1(b)所示，首先在激勵(lì)激光附近采集激光超聲表面波脈沖串信號(hào)(直達(dá)表面波)作為參考信號(hào)波形，將后續(xù)檢測(cè)信號(hào)與其進(jìn)行互相關(guān)處理獲得增強(qiáng)的脈沖壓縮信號(hào)。該方法與傳統(tǒng)基于聚焦激光激勵(lì)的激光超聲檢測(cè)方法的好處在于，由于其使用非聚焦激光束，即使使用更大能量脈沖激光進(jìn)行激發(fā)也不會(huì)對(duì)試件表面產(chǎn)生熱燒蝕，同時(shí)獲得更大的激光超聲信號(hào)強(qiáng)度。

(a) 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

(b) 脈沖壓縮信號(hào)處理方法圖1 脈沖壓縮增強(qiáng)激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)及方法示意圖Fig.1 The laser ultrasonic testing method with pulsed compression

2 脈沖壓縮激光超聲檢測(cè)數(shù)值模擬

2.1 脈沖壓縮激光超聲檢測(cè)有限元模型

基于有限元方法建立空間調(diào)制激光超聲數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。左右兩側(cè)邊界及底部邊界設(shè)置為吸收邊界(AB)，從而避免模型中人工邊界引起的波反射，來(lái)模擬半無(wú)限大模型。吸收邊界條件的細(xì)節(jié)在參考文獻(xiàn)[13]中已詳細(xì)給出。為了節(jié)約計(jì)算量，在激光作用區(qū)域進(jìn)行局部的網(wǎng)格加密處理，在遠(yuǎn)離激光作用區(qū)域網(wǎng)格劃分較為稀疏。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical model

模型尺寸為20 mm×3 mm，設(shè)置一個(gè)表面裂紋缺陷，寬度設(shè)為0.05 mm，深度為d=0.30 mm，裂紋左端距離模型最左端為x1=3.85 mm。激光光斑寬度設(shè)為4 mm。檢測(cè)點(diǎn)設(shè)在激勵(lì)光斑的中心位置，即與激勵(lì)源重合。材料設(shè)置為鋁，具體參數(shù)如表1所示。其中，k為熱導(dǎo)率，c為比熱容，ρ為密度，λ和μ是拉梅常數(shù)，α為熱膨脹系數(shù)，γ為阻尼，A為介質(zhì)對(duì)光的吸收率。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.5 ns，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為4.5 μs。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameter

激光源加載時(shí)，設(shè)置模型上表面熱通量為

q=I0·f(x)·g(t)

(1)

式中：I0表示入射脈沖激光的峰值功率密度；f(x)表示脈沖激光源的能量在空間上的分布圖案，如圖3(a)所示；g(t)表示時(shí)間分布圖案，如圖3(b)所示。

(a) 空間分布函數(shù)

(b) 時(shí)間分布函數(shù)圖3 脈沖激光能量分布Fig.3 The energy distribution of pulsed laser

空間分布函數(shù)為

(2)

式中，0<40x

時(shí)間分布函數(shù)g(t)為

(3)

式中，pwt為脈沖寬度，設(shè)為10 ns。

當(dāng)脈沖激光照射在材料表面，被吸收的光能熱彈性地激發(fā)出超聲表面波。圖4為不同時(shí)刻的超聲場(chǎng)分布圖。超聲遇到缺陷后，聲波發(fā)生反射、透射等變化，從而檢測(cè)缺陷。在激勵(lì)光源中點(diǎn)處設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，得到的檢測(cè)信號(hào)如圖5所示。

圖4 不同時(shí)刻的聲場(chǎng)圖Fig.4 The ultrasonic field at different given time

圖5 數(shù)值模擬的檢測(cè)信號(hào)Fig.5 The received signal in the simulation model

2.2 脈沖壓縮信號(hào)處理

脈沖壓縮是通過(guò)匹配濾波器將回波和參考波形進(jìn)行相關(guān)處理，在到達(dá)脈沖壓縮的目的同時(shí)，提高信噪比。信噪比SNR可定義為

(4)

根據(jù)匹配濾波器的原理，若想獲得最大信噪比，匹配濾波器的參考波形應(yīng)取輸入信號(hào)的共軛函數(shù)。本文中選取在無(wú)缺陷情況下，遠(yuǎn)離激光源的信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)位置處回波信號(hào)為參考信號(hào)sr(t)，如圖6所示。

圖6 參考信號(hào)圖Fig.6 The reference signal

回波信號(hào)為sx(t)，脈沖壓縮后信號(hào)為sc(t)

(5)

通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行編程，對(duì)數(shù)值模擬得到的回波信號(hào)(如圖5所示)添加1%的白噪聲，得到帶噪的回波信號(hào)，可將帶噪的回波信號(hào)與參考波形進(jìn)行脈沖壓縮，脈沖壓縮前后波形圖分別如圖7(a)和(b)所示。

(a) 加噪聲后的信號(hào)

由圖7可知，脈沖壓縮使得缺陷信號(hào)更易識(shí)別，信噪比得到了有效的提高，通過(guò)計(jì)算可知脈沖壓縮后信號(hào)信噪比提高了10.11 dB；脈沖壓縮后信號(hào)對(duì)于缺陷的位置分辨能力也得到明顯的提高。

在實(shí)際情況下，穩(wěn)定輸出的激光束為高斯分布。為使激勵(lì)信號(hào)與實(shí)際情況相符，將上述圖3(a)中的激光空間分布函數(shù)通過(guò)加高斯窗轉(zhuǎn)換成高斯分布的激光源，從而進(jìn)行脈沖壓縮激光超聲數(shù)值模擬與信號(hào)處理。考慮高斯窗的激光源空間分布函數(shù)如圖8所示，圖中的虛線(xiàn)為添加的高斯窗。

圖8 加高斯窗后的空間分布函數(shù)Fig.8 The spatial distribution function with Gaussian window

分析加高斯窗前后的原始檢測(cè)信號(hào)(未加噪聲)差異與脈沖壓縮后的信號(hào)差異，如圖9所示。根據(jù)圖9(a)可知，加高斯窗后檢測(cè)信號(hào)中缺陷信號(hào)變?nèi)?，但脈沖壓縮后仍能較好的分辨缺陷信息；相比未加窗的信號(hào)，在圖9(b)中可知脈沖壓縮后的最大幅值由0.041 4降至0.013 4，脈沖壓縮效果變?nèi)?，但缺陷最大振幅?duì)應(yīng)時(shí)刻相同。這表明脈沖壓縮技術(shù)具有良好的距離分辨能力。加窗后幅值雖然減小了，但信號(hào)旁瓣減小了，可以提高檢測(cè)分辨率。

(a) 原始檢測(cè)信號(hào)對(duì)比

(b) 脈沖壓縮后信號(hào)對(duì)比圖9 加高斯窗前后原始檢測(cè)信號(hào)及脈沖壓縮后信號(hào)對(duì)比Fig.9 The received signal without and with Gaussian window

2.3 不同位置的表面裂紋缺陷脈沖壓縮效果分析

對(duì)距離檢測(cè)點(diǎn)不同位置的缺陷進(jìn)行脈沖壓縮處理分析。裂紋深度為d設(shè)為0.30 mm，x1分別設(shè)為3.85 mm，3.90 mm，3.95 mm，4.00 mm，4.05 mm。圖10為不同位置的缺陷在加白噪聲1%的情況下脈沖壓縮后的波形圖。

圖10 不同位置的表面裂紋缺陷脈沖壓縮后的信號(hào)Fig.10 The signal of surface crack with different location

圖10中放大的部分為缺陷信號(hào)。從上圖可以看出，隨著x1的增加，脈沖壓縮后信號(hào)最大振幅所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1也在增加，因此繪制缺陷位置-缺陷信號(hào)的最大振幅對(duì)應(yīng)的時(shí)刻圖，如圖11所示。從圖中可以看出，隨著距離的增加，最大振幅對(duì)應(yīng)的時(shí)刻也出現(xiàn)了線(xiàn)性增加。根據(jù)兩者的線(xiàn)性關(guān)系可見(jiàn)，缺陷檢測(cè)的距離分辨率很好，脈沖壓縮技術(shù)能夠極大地提高檢測(cè)精度，通過(guò)脈沖壓縮能較為精確的得到缺陷所在位置。

圖11 缺陷位置-缺陷信號(hào)對(duì)應(yīng)的最大振幅時(shí)刻圖Fig.11 Crack location vs. the time of maximum amplitude

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

圖12為實(shí)驗(yàn)室中搭建的脈沖壓縮激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖。脈沖激光器產(chǎn)生一束脈寬為10 ns、波長(zhǎng)為1 064 nm、能量約為20 mJ的脈沖激光，激光束通過(guò)光學(xué)掩模板在試樣表面產(chǎn)生具有線(xiàn)性調(diào)頻分布的激光源。激光束的直徑約為4 mm。當(dāng)光斑尺寸和周期個(gè)數(shù)固定時(shí)，分布非均勻性1/k越高，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)后的脈沖壓縮信號(hào)信噪比將會(huì)越高，因此脈沖壓縮的效果也將提高，缺陷檢測(cè)能力越高。為了避免光斑不能經(jīng)過(guò)光柵，光柵總寬度應(yīng)小于原始激光束的直徑，又考慮到加工技術(shù)的限制，本試驗(yàn)最終采用的掩模版參數(shù)為：光柵總寬度為3.5 mm、光柵個(gè)數(shù)為n=5、非均勻度1/k=1.667，如圖12(b)所示。為了和套筒匹配，掩模版的外徑為25.4 mm、厚度為0.2 mm。

(a) 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

(b) 光學(xué)掩模版的設(shè)計(jì)圖12 脈沖壓縮激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.12 The setup of the test system

采用基于雙波混頻原理的激光干涉儀(帶寬為200 MHz)測(cè)量超聲產(chǎn)生的表面位移。激光干涉儀產(chǎn)生的波長(zhǎng)為532 nm的檢測(cè)激光被一個(gè)二向色鏡反射，并聚焦到試樣表面的一點(diǎn)上。利用示波器的信號(hào)平均模式(平均次數(shù)為16次)記錄干涉儀檢測(cè)到的超聲信號(hào)?？刂朴?jì)算機(jī)用來(lái)采集和處理示波器得到的數(shù)據(jù)。選取具有表面裂紋的鋁塊進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試。裂紋長(zhǎng)度為10 mm，深度為2 mm。

3.2 試驗(yàn)信號(hào)分析

首先采集無(wú)缺陷位置處的信號(hào)作為參考信號(hào)，激光入射點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)間隔一定距離，如圖13(a)所示。將數(shù)值模擬的參考波形與試驗(yàn)測(cè)得的參考波形的時(shí)域圖進(jìn)行對(duì)比，如圖14所示。由于參考信號(hào)的起始時(shí)間不影響脈沖壓縮結(jié)果，所以此處都以0時(shí)刻作為起始時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比。從圖中可以看出，通過(guò)該脈沖壓縮激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)可以調(diào)制出與數(shù)值模擬中分布類(lèi)似的線(xiàn)性調(diào)頻激勵(lì)源，進(jìn)而證明光學(xué)掩模版可以用來(lái)調(diào)制激勵(lì)信號(hào)的空間分布。

(a) 參考信號(hào)的檢測(cè)

(b) 缺陷信號(hào)的檢測(cè)圖13 試驗(yàn)設(shè)置Fig.13 The setup of the test

圖14 模擬和試驗(yàn)的參考信號(hào)比較Fig.14 The reference signal in simulation and test

激光激勵(lì)位置點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)位置重合，對(duì)表面裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)，如圖13(b)所示，入射點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)和裂紋的距離約為6 mm。將采集到的檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理，處理前后的對(duì)比圖如圖15所示。通過(guò)計(jì)算可知脈沖壓縮后信號(hào)信噪比提高了3.22 dB。經(jīng)過(guò)脈沖壓縮之后，信號(hào)的噪聲被抑制，信噪比在一定程度上得到提高，缺陷位置很容易分辨，進(jìn)而驗(yàn)證了該試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)激光超聲信號(hào)信噪比的增強(qiáng)能力。

圖15 脈沖壓縮前后的試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)Fig.15 The detection signal before and after pulsed compression

4 結(jié) 論

本文將脈沖壓縮技術(shù)與激光超聲相結(jié)合，針對(duì)金屬材料表面裂紋缺陷的檢測(cè)問(wèn)題，提出一種基于脈沖壓縮技術(shù)的新型增強(qiáng)型激光超聲無(wú)損檢測(cè)方法，可大幅度提高激光超聲檢測(cè)技術(shù)的信噪比和檢測(cè)精度，克服常規(guī)激光超聲無(wú)損檢測(cè)存在的局限性。

首先，建立空間調(diào)制激光超聲數(shù)值計(jì)算模型，研究線(xiàn)性調(diào)頻激光超聲信號(hào)激勵(lì)方法；然后，基于數(shù)值模擬獲得的線(xiàn)性調(diào)頻激光超聲檢測(cè)信號(hào)，開(kāi)發(fā)基于匹配濾波器的激光超聲脈沖壓縮信號(hào)處理方法，并且通過(guò)對(duì)不同位置的表面裂紋缺陷進(jìn)行脈沖壓縮處理，研究了該方法的檢測(cè)精度；最后通過(guò)搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了該方法對(duì)于激光超聲檢測(cè)信號(hào)信噪比的增強(qiáng)能力。結(jié)論表明：基于脈沖壓縮技術(shù)的增強(qiáng)型激光超聲檢測(cè)方法，可以大幅度抑制噪聲信號(hào)，提高表面裂紋缺陷的檢測(cè)能力，解決激光超聲無(wú)損檢測(cè)信噪比低，靈敏度差的問(wèn)題，也為該方法的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)和試驗(yàn)指導(dǎo)。