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(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.煙臺富潤實(shí)業(yè)有限公司，煙臺 264670；3.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué) 電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，紐卡斯?fàn)?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(qiáng)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(jìn)行檢測。激光超聲技術(shù)作為一種非接觸、遠(yuǎn)距離的新興檢測技術(shù)，將激光技術(shù)與超聲技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)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(diǎn)如下：

（1）可實(shí)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(shí)也避免對試件表面產(chǎn)生各種化學(xué)污染。

（2）可實(shí)現(xiàn)大面積、快速掃描及超聲成像等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中對一些快速運(yùn)動(dòng)的試件進(jìn)行在線檢測的要求。

（3）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。

（4）激光器產(chǎn)生激光聲源，可大可小且易聚焦。在實(shí)際檢測中，可以自由選取點(diǎn)、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(shí)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(shí)接收到縱波、橫波和表面波（SAW）。到了20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)了在1m遠(yuǎn)處對未拋光的鋼板進(jìn)行激光超聲試驗(yàn)。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(shí)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(jī)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(gè)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(jī)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(dāng)激光束的功率密度較低時(shí)，其值低于被測工件材料表面的損傷閾值時(shí)，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(shí)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(jī)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(jī)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(shí)在實(shí)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(jī)理原理如圖1所示。

1.3 熔蝕機(jī)制

圖1 熱彈機(jī)制

在熔蝕機(jī)制中，當(dāng)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(dá)到材料的熔點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)致被照射材料表面產(chǎn)生等離子體，這時(shí)在被檢測材料表面有小部分物質(zhì)會(huì)以很高的速度噴射出來，并在被檢測材料表面產(chǎn)生一個(gè)垂直的反作用力，同時(shí)在激光照射的表面產(chǎn)生一個(gè)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(qiáng)。這種熔蝕機(jī)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(jī)制下能獲得較大強(qiáng)度的縱波和表面波，因此這種機(jī)制適用于某些對超聲信號強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(shí)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(dòng)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(dāng)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(shí)，表面反射的光束會(huì)受到表面超聲波的振動(dòng)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(diǎn)，是對一些拋光材料表面進(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)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(qiáng)輻射、有毒等惡劣環(huán)境下對材料進(jìn)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(jī)葉片、機(jī)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(shí)時(shí)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(shí)，其材料內(nèi)部的性能參數(shù)變化會(huì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行裂縫檢測。

（5）對介質(zhì)的聲衰減進(jìn)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(gè)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(shí)用價(jià)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?yàn)V波法對超聲信號進(jìn)行處理，對超聲信號進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行有效的分離提取，對缺陷進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確分離出缺陷產(chǎn)生的散射波信號，對散射波信號進(jìn)行傳播映像，實(shí)現(xiàn)對散射波信號動(dòng)態(tài)圖像可視化，可對一些復(fù)雜形狀的設(shè)備進(jìn)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(shí)時(shí)、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(jìn)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(jià)格高等缺點(diǎn)。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(dāng)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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