航天泡沫材料的聲激勵激光錯位散斑檢測

程茶園,林 鑫,葛 麗,劉哲軍,伍 頌

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

鑒于泡沫缺陷類型和材料的特點，無法使用常用的檢測技術(shù)如超聲、X射線、紅外等進(jìn)行檢測，在國外文獻(xiàn)中有提出錯位散斑技術(shù)可以用于泡沫絕熱材料黏接質(zhì)量的檢測[1]。

針對泡沫絕熱材料，采用音頻掃描加載方式，進(jìn)行錯位散斑檢測試驗研究，結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效地表征和評價絕熱泡沫材料黏接質(zhì)量。

1 激光錯位散斑技術(shù)的檢測原理

用經(jīng)過擴(kuò)束的激光照射待檢測物體時，待檢測物體表面上反射的子波相互干涉，形成了明暗相間隨機(jī)分布的激光散斑場。通過光學(xué)錯位裝置(如圖1所示)在相機(jī)靶面上形成在特定方向有一錯位量的兩個散斑場。對待測物體施加一定的激勵(熱、壓力、振動等)，缺陷區(qū)域會產(chǎn)生微小的離面位移，將變形前后的兩個數(shù)字散斑場進(jìn)行相減運算，缺陷區(qū)域因離面位移場的影響，光學(xué)相位會產(chǎn)生“蝴蝶”狀特征條紋(見圖2)，可以此判定其是否有脫黏缺陷。

圖1 邁克爾遜錯位系統(tǒng)示意

圖2 錯位散斑缺陷特征條紋

2 泡沫材料的音頻掃描振動加載錯位散斑檢測

對于脫黏類缺陷，激光錯位散斑技術(shù)常用的加載(激勵)方法是熱加載和壓力差加載。泡沫材料由于其絕熱的特點，熱加載并不適用，壓力差加載可采用真空罩局部加載或采用真空箱整體加載。真空罩局部加載時，由于泡沫材料表面粗糙，所以局部密封在工藝上不易實現(xiàn)。真空箱整體加載需要建造能夠容納燃料箱的大型真空箱，技術(shù)上可行但成本較高。因此對于泡沫材料的錯位散斑檢測，嘗試采用音頻掃描振動加載的方法[2]。

音頻掃描振動加載是用大功率喇叭將一個周期性的正弦聲音信號經(jīng)空氣耦合作用在被檢泡沫材料上，使泡沫材料產(chǎn)生受迫振動。對于大小、形狀不同的缺陷，其共振頻率不同。采用音頻掃描加載的方式，當(dāng)音頻信號從低頻向高頻連續(xù)變化并作用于泡沫材料表面時，若某一頻率與缺陷處共振頻率相等或接近，缺陷處就會發(fā)生共振，其振幅最大。對于噴涂的泡沫材料，黏接界面的缺陷主要表現(xiàn)為分層、脫黏等?？蓪⑷毕莺喕芍苓吋s束的圓形缺陷，受到音頻激振時，其共振基頻頻率(f1)為[3]：

(1)

式中：h為泡沫厚度；a為缺陷半徑；ρ為泡沫材料密度;E為材料的彈性模量;u為泊松比。

與熱加載以及壓力差加載散斑檢測方法不同，振動加載檢測是采用時間平均法[4-5]來實現(xiàn)對振動表面的測量和振動模式分析的。對泡沫材料進(jìn)行的振動加載音頻激振頻率為千數(shù)量級，泡沫的振動頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般工業(yè)相機(jī)25 Hz左右的幀頻，相機(jī)記錄的每幀圖像是一段時間內(nèi)的平均圖像，圖像光強(qiáng)(I平均)可表示為[6]

I平均=

2I0{1+γcos[φ(x,y)J0(Ω)]

(2)

式中:T為相機(jī)采集一幀圖像的時間;I0為光強(qiáng);為條紋調(diào)制度;φ為隨機(jī)位相;Δ(x,y,t)為兩錯位點之間由振動引起的光波位相差;J0為零階一類貝賽爾函數(shù)Ω為相對相位差。

將采集的兩幅散斑圖像進(jìn)行相減運算，即用物體靜止時所采集到的第一幅散斑圖像減去振動后采集的散斑圖像，得到振動散斑圖像光強(qiáng)分布為

Isub=2I0γcosφ(x,y)[1-J0(Ω)]

(3)

由式(2)可知，所得的散斑干涉圖含有一背景項，影響條紋質(zhì)量。為了提高條紋質(zhì)量，振動后通過壓電陶瓷(見圖1)驅(qū)動平面鏡2移動1/4波長，引入一180°的位相，相鄰兩幀圖像具有180°位相差，將相鄰兩幀具有180°的位相差的散斑圖進(jìn)行相減運算，可以消除背景項，如式(4)所示。

Isub=|4I0γcos[φ(x,y)J0(Ω)]|

(4)

式中：Isub為振動散斑圖像光強(qiáng)分布。

最終所得相反時間平均錯位散斑條紋如圖3所示，條紋質(zhì)量明顯提高。

圖3 相反時間平均錯位散斑條紋

3 應(yīng)用試驗及結(jié)果分析

試驗采用的錯位散斑檢測系統(tǒng)如圖4所示，錯位大小和錯位方向可調(diào)，儀器具備相移功能。加載系統(tǒng)采用音頻掃描加載，由信號發(fā)生器、功率放大器、高能喇叭等組成，信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)功率放大器驅(qū)動高能喇叭，高能喇叭額定功率為300 W。由于泡沫材料的厚度約為20 mm，錯位量設(shè)置為20 mm，此時檢測靈敏度最大[7]。泡沫平板試樣1尺寸(長×寬×厚)為400 mmX300 mm×30 mm，其中預(yù)置了4個缺陷，如圖5(a)所示，編號為1,2,3,4，尺寸(長×寬)為30 mmX30 mm,60 mmX60 mm,80 mmX80 mm,100 mmX100 mm，錯位方向為45°，音頻掃描加載頻率范圍為1 0004 000 Hz，如圖5(b)所示，該試驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)4個缺陷。

圖4 錯位散斑檢測系統(tǒng)示意

圖5 泡沫試樣人工缺陷布置及其錯位散斑條紋

圖6(a)為泡沫試樣2缺陷布置示意，泡沫平板試樣尺寸(長×寬×厚)為800 mmX600 mm×30 mm，采用貼膜噴涂方式，試樣上人工缺陷大小分別為φ60,φ70,φ100 mm，加載方式為聲振加載，錯位量設(shè)置為20 mm，錯位方向為y軸方向，掃描頻率范圍為(1 0004 000 Hz)，如圖6(b)所示，預(yù)制的φ60,φ70,φ100 mm缺陷能夠被分辨出來。

圖6 泡沫試樣2人工缺陷試樣布置示意及錯位散斑條件

圖7為實際產(chǎn)品檢測現(xiàn)場及錯位散斑圖像，左圖為噴涂后的低溫燃料箱箱體，對噴涂的聚氨酯泡沫塑料進(jìn)行了音頻掃描加載錯位散斑檢測，右圖為錯位散斑圖像，方框內(nèi)為脫黏缺陷，若要修補(bǔ)這些缺陷，還需根據(jù)檢測結(jié)果在產(chǎn)品上標(biāo)出缺陷的準(zhǔn)確位置，對缺陷部位進(jìn)行重新噴涂修補(bǔ)后重新檢測。

圖7 泡沫黏接質(zhì)量實際檢測現(xiàn)場及錯位散斑檢測圖像

4 結(jié)語

對于航天聚氨酯泡沫材料，由于其具有孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點，常規(guī)的檢測技術(shù)不適用于其黏接質(zhì)量檢測，故采用聲激勵加載錯位散斑無損檢測，可以有效檢測出脫黏缺陷。對于航天聚氨酯泡沫材料的黏接質(zhì)量檢測，還需要繼續(xù)開展研究，探求更環(huán)保高效的檢測技術(shù)。