激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其應(yīng)用

方奔　戰(zhàn)宇　陳春明

摘 要：現(xiàn)代工業(yè)的跨越式發(fā)展給無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)在新材料及復(fù)雜環(huán)境下質(zhì)量評(píng)價(jià)方面存在難以解決的問題。激光超聲技術(shù)作為一種新興的檢測(cè)技術(shù)以其諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)中備受關(guān)注。本文闡述激光超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理與方法，概述相關(guān)的研究成果與工業(yè)應(yīng)用，討論激光超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿ΑＱ芯拷Y(jié)果表明，激光超聲技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)苛刻的條件限制與特殊的環(huán)境要求，解決極為復(fù)雜的實(shí)際問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：激光超聲 無損檢測(cè) 殘余應(yīng)力檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TN247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（c）-0106-03

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備和裝備的運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量的保證、降低成本、提高生產(chǎn)率等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法諸如X射線法、磁粉法、渦流法、滲透法等在放射性、有毒性、高溫、高壓等惡劣環(huán)境下應(yīng)用具有一定的局限性，嚴(yán)重地限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1]。激光超聲技術(shù)作為一種先進(jìn)的無損檢測(cè)方式，它既克服了傳統(tǒng)光測(cè)技術(shù)的非穿透性，又克服了傳統(tǒng)超聲技術(shù)的要求接觸檢測(cè)的弊端，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)試件進(jìn)行高精度、無損傷、非接觸的檢測(cè)，同時(shí)不受構(gòu)件形狀及惡劣環(huán)境等因素的影響，可以做到真正意義上的隨形、原位、綠色檢測(cè)[2]。激光超聲方法有點(diǎn)突出，首先，能夠?qū)崿F(xiàn)與被檢測(cè)材料表面非接觸式的激發(fā)超聲信號(hào)，即在材料表面無需添加任何耦合劑，可以避免耦合劑對(duì)檢測(cè)精度的影響以及對(duì)材料表面產(chǎn)生污染或破壞；其次，可實(shí)現(xiàn)在一些絕緣體、陶瓷及有機(jī)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(hào)；最后，對(duì)被檢材料表面的要求較低，對(duì)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(shí)現(xiàn)較好的缺陷檢測(cè)。

本文對(duì)激光超聲技術(shù)做了系統(tǒng)的總結(jié)，針對(duì)激光誘導(dǎo)超聲的機(jī)理以及激發(fā)系統(tǒng)做了詳細(xì)的闡述，闡明了不同接收系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)，為超聲信號(hào)的高精度檢測(cè)提供參考依據(jù)，討論了激光超聲系統(tǒng)在裂紋檢測(cè)、彈性常數(shù)測(cè)量、殘余應(yīng)力表征等領(lǐng)域的應(yīng)用以及需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本文的研究對(duì)于激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化以及拓展激光超聲技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

1 激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其原理

1.1 激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

激光超聲是通過脈沖激光與物體的相互作用在物體內(nèi)部及表面產(chǎn)生多模態(tài)超聲波，通過檢測(cè)和分析超聲信號(hào)反演材料固有的物理屬性及幾何特征的一門新興的交叉學(xué)科。激光超聲系統(tǒng)集聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科于一身，主要由4部分組成，即超聲波的產(chǎn)生部分、超聲波的接收部分、接收信號(hào)的處理和顯示部分與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制和執(zhí)行部分。

產(chǎn)生超聲波的部分主要是大功率激光器，一般使用脈沖激光器。目前主要有：（1）Nd：YAG激光器。該激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)是1064nm，激光器的典型參數(shù)為能量300mJ，脈寬5ns，激光光斑直徑為6.5mm，Nd：YAG激光器具有量子效率高、受激輻射界面大的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用上與金屬耦合效率高，但其能量轉(zhuǎn)化率較低，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常選用Nd：YAG激光器。（2）二氧化碳激光器。該激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)是10600nm，激光脈沖的持續(xù)時(shí)間為70ns左右，根據(jù)制造需要，二氧化碳激光束的形狀可以是長(zhǎng)方形的，激光光斑直接大約為5nm，二氧化碳激光器除了具有一般氣體激光器的高度相干性和頻率穩(wěn)定性的特點(diǎn)，還可以達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)化率，檢測(cè)非金屬材料包括復(fù)合材料，脈沖氣體激光器的激光激光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，具有一些優(yōu)勢(shì)。（3）XeCI激光器。該激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)是308nm，脈寬5ns，其與二氧化碳激光器有相似的光束形狀，光斑直接大約為3nm，由于“準(zhǔn)分子”壽命極短，在共振腔內(nèi)往復(fù)次數(shù)少，缺乏共振，因此光束指向性差，發(fā)散角一般為2～10毫弧度。

接收超聲波的部分主要是激光器和激光干涉儀。通常使用的連續(xù)激光器有倍頻的Nd：YAG半導(dǎo)體激光器（波長(zhǎng)532nm，綠光）、紅寶石固體激光器（波長(zhǎng)694.3nm，紅光）、氦氖氣體激光器（波長(zhǎng)632.8nm，紅光）。氦氖激光器是使用時(shí)間最早、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的激光器之一，因其極大的相干長(zhǎng)度、激光不受溫度波動(dòng)影響、激光輸出具有良好的準(zhǔn)直性、使用壽命比較長(zhǎng)等特點(diǎn)，在材料檢測(cè)具有廣泛的應(yīng)用。而激光干涉儀的組成包含復(fù)雜的光路系統(tǒng)，分為單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀兩種，因其高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)在高精度測(cè)量中具有極大的使用價(jià)值。

接收信號(hào)的處理和顯示部分主要是鑒頻器、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、信號(hào)傳輸、信號(hào)存儲(chǔ)、信號(hào)顯示等以及相應(yīng)的軟件，眾多功能集成在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中。機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制和執(zhí)行部分包括計(jì)算機(jī)的控制軟件和機(jī)械掃描的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等外圍設(shè)備。

1.2 激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

1.2.1 激光激發(fā)超聲的機(jī)理

利用激光產(chǎn)生超聲波主要有以下兩種方式。

第一種方式叫作熱彈機(jī)制激發(fā)超聲，當(dāng)一束脈沖激光入射到固體表面時(shí)，由于其極高的能量密度，部分激光能量被固體吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，使得材料局部受熱迅速膨脹，由于周圍材料的約束，這個(gè)作用區(qū)域就形成一個(gè)高頻振動(dòng)源，其產(chǎn)生的超聲波在材料內(nèi)部傳播。這種方式所加載的能量不足以融蝕材料，不會(huì)破壞材料表面，在無損檢測(cè)領(lǐng)域具有很重要的研究意義。

第二種方式叫作融蝕機(jī)制激發(fā)超聲。融蝕激發(fā)的原理和熱彈性激發(fā)的原理一樣，都是通過激光入射材料表面產(chǎn)生超聲波。不同的是這種方式使用的激光能量過高，材料表面被融蝕汽化。材料表面的汽化會(huì)給材料一個(gè)法向的沖力，形成一個(gè)法向脈沖力源，導(dǎo)致在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波。

1.2.2 激光接收超聲的機(jī)理

激光接收超聲，是連續(xù)或脈寬足夠長(zhǎng)的激光入射樣品表面，散射或者反射的光攜帶了超聲信息，再由干涉型或非干涉型的光學(xué)接收器收集后進(jìn)行信號(hào)解調(diào)分析。在激光超聲技術(shù)中，最常用的是基于光學(xué)干涉技術(shù)的光學(xué)測(cè)振技術(shù)。

光學(xué)測(cè)振的原理是：物體表面的機(jī)械振動(dòng)會(huì)使散射光產(chǎn)生多普勒頻移，機(jī)械振動(dòng)的位移和速度等物理量被調(diào)制到多普勒頻移中；利用光學(xué)干涉技術(shù)可以把光的多普勒頻移除以差頻的方式轉(zhuǎn)換成為光強(qiáng)變化的頻率，應(yīng)用鑒頻技術(shù)可以將頻率拾撿出來，從而獲得物體表面的機(jī)械振動(dòng)狀況。

2 激光超聲技術(shù)的發(fā)展

工程應(yīng)用方面，1963年，R.M.White發(fā)現(xiàn)激光超聲現(xiàn)象。自20世紀(jì)80年代，美國(guó)學(xué)者開始研究將激光超聲應(yīng)用于無損檢測(cè)，1998年，為了配合美國(guó)軍方聯(lián)合攻擊機(jī)JSF的競(jìng)爭(zhēng)，洛馬公司建造了第一套激光超聲系統(tǒng)（LUS）；2000年和2004年，又分別為F22和F35戰(zhàn)機(jī)建造了第二套和第三套激光超聲系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的超大尺寸復(fù)雜形狀構(gòu)建的非接觸式快速測(cè)量；TECNAR公司研制出了商業(yè)化的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，用于航空復(fù)合材料構(gòu)件的檢測(cè)與評(píng)價(jià)；Bossa Nova Tech公司研制出適用于多種材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)的激光超聲系統(tǒng)。

科學(xué)研究方面，S.G.Pierce等研究了碳/玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的光致寬帶蘭姆波測(cè)量方法；S.Guilbaud等通過激光激發(fā)、探測(cè)聲波的方式，研究了C-PMR15復(fù)合材料剛度隨溫度的變化特征；J.C.Adamowski等利用具有聚偏氟乙?。≒VDF）80mm孔徑薄膜的接受器，用激光超聲的方法測(cè)量了復(fù)合材料的楊氏模量，且誤差在1%以內(nèi)；S.K. Rathore等應(yīng)用名為C-ART的新造影技術(shù)，結(jié)合激光超聲的實(shí)驗(yàn)及理論數(shù)據(jù)，求出了復(fù)合材料的彈性常量。

國(guó)內(nèi)對(duì)激光超聲的研究起步較晚，始于20世紀(jì)90年代末。國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)的T.-T.Wu教授使用傳統(tǒng)超聲法激發(fā)體波和激光激發(fā)板波（Lamb波）相結(jié)合的方法測(cè)量了一塊各向異性薄板的彈性參數(shù)，同時(shí)利用反演算法，通過測(cè)量表面波波速得到了一塊環(huán)氧樹脂粘結(jié)的分層樣品的層厚度以及彈性參數(shù)[3]；同濟(jì)大學(xué)錢夢(mèng)騄等進(jìn)行了激光超聲產(chǎn)生機(jī)理研究并建立了理論模型[4]；南京大學(xué)張淑儀對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)（液體和固體）中多種模式的超聲波傳播規(guī)律進(jìn)行了較深入細(xì)致的實(shí)驗(yàn)和理論研究[5]。南京理工大學(xué)沈中華研究了點(diǎn)光源和線光源激勵(lì)表面波的數(shù)值模擬方法；北京航空航天大學(xué)周正干研究了復(fù)合材料層壓板鉆孔分層激光超聲檢測(cè)方法[6]。

總體而言，國(guó)外經(jīng)過50多年的發(fā)展，已經(jīng)將激光超聲技術(shù)成熟應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展，形成科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用同步進(jìn)行、相互促進(jìn)的發(fā)展方式；國(guó)內(nèi)經(jīng)過20年左右的發(fā)展，在激光超聲技術(shù)方面取得了一定的成績(jī)，但是從科學(xué)研究到工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，與國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定的差距。

3 激光超聲系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 裂紋、脫粘等缺陷的檢測(cè)

利用激光作為超聲激發(fā)＼探測(cè)源來探測(cè)缺陷，在具備超聲波法無損、可側(cè)任何深度的缺陷分布的優(yōu)點(diǎn)以外，還可發(fā)揮激光易掃描、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。按照檢測(cè)原理，可將激光超聲檢測(cè)基本方法分為脈沖反射法和穿透法兩類[7]。脈沖回波法主要是靠監(jiān)測(cè)由裂紋反射的超聲信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的檢測(cè)；穿透法主要靠監(jiān)測(cè)由裂紋透射的超聲信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的檢測(cè)。激光超聲技術(shù)對(duì)裂紋的位置、尺寸等測(cè)量難點(diǎn)在于如何處置超聲波在傳遞過程中產(chǎn)生反射衍射現(xiàn)象模態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，在復(fù)雜的超聲信號(hào)中提取出準(zhǔn)確的裂紋信息。

3.2 材料彈性常數(shù)的測(cè)量

若已知材料的幾何尺寸，則可測(cè)量超聲波波速，從而進(jìn)一步推導(dǎo)出材料的彈性常數(shù)[8]。常用的彈性常數(shù)聲學(xué)測(cè)量方法是脈沖回波法。該測(cè)量方法的誤差主要來源于測(cè)量縱波、橫波、Rayleigh波速度的誤差，主要難點(diǎn)在于如何確定各向異性材料波速與材料力學(xué)常數(shù)之間的本構(gòu)關(guān)系。

3.3 材料殘余應(yīng)力的測(cè)量

利用激光超聲技術(shù)測(cè)量材料殘余應(yīng)力技術(shù)主要包括以下幾種：聲雙折射法、表面波法、反射縱波法等。檢測(cè)材料殘余應(yīng)力難點(diǎn)在于：（1）聲彈性常數(shù)的確定。材料的力學(xué)性質(zhì)（尤其是新型材料，比如功能梯度材料）對(duì)于工程設(shè)計(jì)具有很大的影響，材料的彈性常數(shù)更是表征其力學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)。材料的二階、三階彈性系數(shù)是波速與應(yīng)力關(guān)系系數(shù)——材料聲彈性系數(shù)的組成部分，因此對(duì)其的精確檢測(cè)也是聲彈性檢測(cè)不可忽略的。（2）復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力表征問題以及應(yīng)力主方向的確定。構(gòu)件或材料被研究區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)為非均勻（存在應(yīng)力梯度）、雙軸和三軸應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力隨著被測(cè)位置、方向的變化而發(fā)生變化，從而增加了準(zhǔn)確定性、定量表征應(yīng)力的測(cè)量難度。目前針對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的激光超聲測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，并未真正應(yīng)用于工程測(cè)量中[9]。

3.4 其他領(lǐng)域

激光超聲憑借其極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以做到真正意義上的隨形、原位、綠色檢測(cè)，在其他領(lǐng)域亦有很重要的應(yīng)用空間，如薄膜力學(xué)性質(zhì)表征[10]、晶粒尺寸的測(cè)量、材料發(fā)生相變過程的監(jiān)測(cè)?？梢哉雇す獬曈捎谄浞墙佑|、高精度、無損傷的檢測(cè)特點(diǎn)，未來將在先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)代工業(yè)的跨越式發(fā)展給無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)在新材料及復(fù)雜環(huán)境下質(zhì)量評(píng)價(jià)方面存在難以解決的問題。（2）本文對(duì)激光超聲技術(shù)做了系統(tǒng)的總結(jié)，針對(duì)激光誘導(dǎo)超聲的機(jī)理以及激發(fā)系統(tǒng)做了詳細(xì)的闡述，闡明了不同接收系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)，為超聲信號(hào)的高精度檢測(cè)提供參考依據(jù)，討論了激光超聲系統(tǒng)在裂紋檢測(cè)、彈性常數(shù)測(cè)量、殘余應(yīng)力表征等領(lǐng)域的應(yīng)用以及需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。（3）研究結(jié)果表明，激光超聲技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)苛刻的條件限制與特殊的環(huán)境要求，解決極為復(fù)雜的實(shí)際問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文的研究對(duì)于激光超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化以及拓展激光超聲技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

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