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(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的要求也在不斷提高。激光超聲檢測(cè)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(diǎn)，在日益復(fù)雜的工業(yè)檢測(cè)環(huán)境中，特別是在金屬、復(fù)合材料、陶瓷和液體的檢測(cè)中比其他檢測(cè)技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。它可以實(shí)現(xiàn)快速、遠(yuǎn)程、準(zhǔn)確、靈活地檢測(cè)固定或移動(dòng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)檢測(cè)。JIN H等[1]通過(guò)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(duì)內(nèi)表面裂紋進(jìn)行非接觸和非破壞性測(cè)量的相控陣激光超聲波生成系統(tǒng)。梁鵬[3]將激光超聲運(yùn)用于壓力容器的檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了高壓環(huán)境下的缺陷檢測(cè)，提高了激光超聲的應(yīng)用水平。裘進(jìn)浩等[4]通過(guò)對(duì)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(duì)航空材料的兩種不同缺陷進(jìn)行了損傷識(shí)別，并以此建立了航空復(fù)合材料的壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)。Hayashi等[5]將脈沖激光陣列產(chǎn)生的強(qiáng)超聲波用于對(duì)印版缺陷的成像，結(jié)果表明激光陣列比單個(gè)激光成像的效果明顯。Davis等[6]使用一個(gè)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(gè)基于雙波混合的激光干涉儀來(lái)檢測(cè)所產(chǎn)生的波模式，用于增材制造部件的現(xiàn)場(chǎng)檢查。Chen等[7]開(kāi)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(qiáng)與損傷相關(guān)異常波的可見(jiàn)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(cè)真實(shí)世界的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)顯著提高信噪比。周正干等[9]利用激光干涉測(cè)量技術(shù)的高分辨率特點(diǎn)，在緊固孔邊沿測(cè)得分層缺陷導(dǎo)致激光超聲信號(hào)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(cè)，緊固孔分層檢測(cè)的可行性。本文為了提高聲檢測(cè)的靈敏度及空間選擇能力，開(kāi)展了強(qiáng)度調(diào)制的激光在金屬表面上激發(fā)出光聲信號(hào)，將多個(gè)這樣的激光陣元激發(fā)的光聲信號(hào)聚焦在指定位置的研究。

1 原理及仿真

1.1 光聲原理

強(qiáng)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(guò)熱弛豫過(guò)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(chǎng)在樣品中傳播，形成光聲。光聲作為激光激勵(lì)的聲，點(diǎn)聲源特性優(yōu)良，因此，利用其作為近場(chǎng)探測(cè)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(cè)，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?jī)r(jià)值和推廣應(yīng)用的潛力。利用聲場(chǎng)互易原理，通過(guò)多通道光聲陣列泵浦可實(shí)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(diǎn)和接收點(diǎn)不變的情況下，當(dāng)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射相位為0°的信號(hào)時(shí)，接收點(diǎn)接收到的相位為δ;將發(fā)射信號(hào)相位設(shè)置為2π-δ時(shí)，則對(duì)應(yīng)的信號(hào)接收相位此時(shí)改變?yōu)?°。圖1為發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)相位共軛示意圖。

圖1 發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)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(jì)各個(gè)通道的光聲泵浦強(qiáng)度和相位，保障每個(gè)通道的光聲傳播到聚焦點(diǎn)時(shí)均具有相同的相位，這樣所有通道的聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)同相疊加，從而實(shí)現(xiàn)聚焦效果。

1.3 仿真及分析

使用COMSOL軟件開(kāi)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(gè)激光泵浦點(diǎn)((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(diǎn)(100 mm,150 mm)，根據(jù)互易定理，泵浦點(diǎn)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(guò)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(diǎn)獲得聚焦時(shí)，鋁合金板上的聲場(chǎng)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(diǎn)/P非焦平均

(1)

式中：P焦點(diǎn)為焦點(diǎn)處的最大聲壓值；P非焦平均為焦點(diǎn)附近去除焦點(diǎn)峰外的平均聲壓值。

為了表征聚焦焦點(diǎn)空間分辨率的好壞，引進(jìn)焦點(diǎn)等效半徑Reff，其定義為焦點(diǎn)附近振幅超過(guò)P焦點(diǎn)×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(hào)頻率直接影響相控陣聲場(chǎng)的聚焦性能，為此開(kāi)展了頻率(f)為60 kHz、80 kHz和100 kHz時(shí)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(shuō)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(duì)聚焦效果的影響仿真

其次，為了分析泵浦光間距對(duì)聚焦性能的影響，開(kāi)展了頻率為100 kHz,間距分別為10 mm、20 mm、30 mm時(shí)的聲場(chǎng)仿真，焦點(diǎn)附近聲壓分布如圖4(a)所示，聚焦效果評(píng)價(jià)如圖4(b)所示。

圖4 陣元間距對(duì)聚焦效果的影響仿真

2 基于相位共軛法的光聲聚焦實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多激光泵浦光聲聚焦的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)中8臺(tái)光纖激光器在電腦的控制下通過(guò)多通道激光調(diào)制控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)8臺(tái)激光輸出的強(qiáng)度正弦調(diào)制和相位控制，鋁合金板樣品中的振動(dòng)由激光測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)量，振動(dòng)信息經(jīng)過(guò)多通道音頻采集卡送入電腦進(jìn)行后處理。8臺(tái)激光器出光的空間位置由激光出光夾具決定，本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，先逐個(gè)單獨(dú)開(kāi)啟激光器探測(cè)焦點(diǎn)處的振幅，再開(kāi)啟8個(gè)激光器同時(shí)探測(cè)焦點(diǎn)的振幅，結(jié)果如表1所示。由表可見(jiàn),同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，相位得到了極大提升，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)的聚焦能力。

表1 陣列聚焦實(shí)驗(yàn)表

為了進(jìn)一步分析在此種實(shí)驗(yàn)條件下的聚焦性能，以焦點(diǎn)為中心、3 mm為探測(cè)步進(jìn)，向左、右均探測(cè)27個(gè)點(diǎn)，即在光聲聚焦點(diǎn)橫向上探測(cè)55個(gè)點(diǎn)的聲信號(hào)強(qiáng)度來(lái)表示光聲聚焦點(diǎn)的橫向聲場(chǎng)分布，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明在焦點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)了聚焦。

圖6 聚焦點(diǎn)橫向聲場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.2 不同調(diào)制頻率實(shí)驗(yàn)研究

為了研究實(shí)驗(yàn)條件下頻率對(duì)聚焦的影響，分別對(duì)5個(gè)頻率點(diǎn)(20kHz、40 kHz、60 kHz、80 kHz、100 kHz)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，聲聚焦點(diǎn)均為陣列中軸線上距離陣列中心50 mm處，探測(cè)聲聚焦點(diǎn)橫向聲場(chǎng)分布如圖7(a)所示。聚焦參數(shù)的分析如圖7(b)所示。實(shí)驗(yàn)表明與理論預(yù)測(cè)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(duì)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(yàn)證泵浦光源數(shù)量(陣元數(shù))對(duì)聚焦效果的影響，開(kāi)展了相應(yīng)泵浦光個(gè)數(shù)分別為3、5、7、9個(gè)的聚焦測(cè)試，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與分析

為了進(jìn)一步研究陣列聚焦的特性，開(kāi)展了橫、縱向上不同位置的聚焦點(diǎn)的橫向聲場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)研究。

首先進(jìn)行橫向多點(diǎn)聚焦實(shí)驗(yàn)，選取聲聚焦點(diǎn)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(shí)驗(yàn)條件相同，為了方便比較，將6個(gè)不同位置的聲聚焦點(diǎn)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(jì)分布如圖9(b)所示。實(shí)驗(yàn)表明，越接近對(duì)稱中心點(diǎn)(0，50 mm)，聚焦性能越好。

圖9 橫向任意點(diǎn)光聲相控陣聚焦點(diǎn)聲場(chǎng)聚焦寬度對(duì)比圖

其次開(kāi)展縱向聚焦實(shí)驗(yàn)研究，選取縱向焦點(diǎn)分別為(0，30 mm)、(0，50 mm)、(0，70 mm)、(0，90 mm)，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖10(a)所示。不同點(diǎn)的聚焦特性研究如圖10(b)所示。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)橫向聲場(chǎng)分布對(duì)比圖

由圖10可以看出，隨著距離的增大，聚焦點(diǎn)聲場(chǎng)中聚焦寬度會(huì)隨之變寬，聲場(chǎng)的變化趨勢(shì)變緩，周圍的旁瓣幅值聚焦點(diǎn)的信號(hào)幅值也隨之減小。

3 結(jié)論

本文通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)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(diǎn)空間位置等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)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(shí)現(xiàn)光聲聚焦。

2) 陣元數(shù)量、間距及焦點(diǎn)距離都會(huì)影響聚焦性能。

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