姚東，高波，宋英政，李群，高貴龍

（1 火箭軍工程大學，西安 710025）

（2 上海航天技術(shù)研究院，上海 200233）

（3 西安交通大學，西安 710049）

（4 中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119）

0 引言

超聲無損檢測支持現(xiàn)場使用且分辨能力強，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)檢測領(lǐng)域重點發(fā)展的手段。近年來，相繼形成了基于壓電傳感器的貼片檢測、介質(zhì)耦合檢測、空氣耦合檢測等接觸式技術(shù)路線，廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)［1-5］。隨著無接觸、大范圍等應(yīng)用需求的涌現(xiàn)，以及高品質(zhì)脈沖激光器技術(shù)與激光-物質(zhì)作用機理研究［6-7］的融合，脈沖激光激發(fā)超聲的檢測技術(shù)逐步從實驗室研究走向工程應(yīng)用［8-11］，并發(fā)展了壓電測量等半接觸激光超聲方案、激光測量等非接觸激光超聲方案。

激光超聲檢測的基本原理是激光與物質(zhì)的相互作用：脈沖激光向結(jié)構(gòu)傳遞能量，按能量傳遞后溫度上升的程度，進一步分為熱蝕效應(yīng)和熱彈效應(yīng)；熱蝕效應(yīng)下，物質(zhì)發(fā)生熔化甚至氣化，表現(xiàn)為質(zhì)量損失、局部結(jié)構(gòu)缺損，而熱彈效應(yīng)下溫度升高、能量積累的程度不足以產(chǎn)生融化或氣化。脈沖激光激發(fā)的不足在于：激光的單色相干制約了束斑調(diào)制能力、導致了超聲時頻模式受限，結(jié)構(gòu)損傷閾值則限制了脈沖激光的能量、導致超聲信號強度的不足。蘇琨、宋潮等相繼結(jié)合實驗比較了線光源與點光源所產(chǎn)生超聲信號的差異［12-13］，證實了線源激發(fā)的優(yōu)勢。NISHINO H 采用10 組分光-光纖模塊得到了窄帶且相移的陣列脈沖［14］，ANTONELLI G A 提出了基于透射衍射光柵的空間分布調(diào)制技術(shù)［15］，裴翠祥發(fā)展了基于同一激光源的光纖束陣列傳輸時空調(diào)制方法［16］并研究了結(jié)構(gòu)的超聲響應(yīng)規(guī)律。

本文基于雙光束干涉形成的柵形空間調(diào)制，從數(shù)值分析及實驗研究兩方面研究了激光瞬態(tài)光柵作用于鋁合金平板的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性，分析了相比于點源、線源等激發(fā)模式的優(yōu)勢。

1 激光瞬態(tài)光柵激勵鋁板的數(shù)值分析

1.1 熱彈效應(yīng)及其控制方程

對于金屬等不透光材料，激光照射時存在反射及吸收等現(xiàn)象。激光瞬態(tài)光柵激勵下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超聲的熱彈機制描述為：脈沖激光輻照材料表面后，激光一部分能量被材料表面反射、其余能量被表面吸收，使表面溫度快速上升形成大的溫度梯度產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象。

據(jù)熱彈耦合理論，激光瞬態(tài)光柵的時域熱彈波動方程表示為［17］

式中，k為熱傳導率，c為比熱容，T（x，y，t）為溫度，Q（x，y，t）為脈沖熱源。脈沖激光熱源可以表示為

式中，f（t）、g（x）、h（y）分別表示脈沖激光時間分布函數(shù)和脈沖激光空間分布函數(shù)，I0是入射到材料表面的激光功率密度。I0表示為

式中，E是泵浦光束的激光入射能量。

脈沖激光激勵的超聲包含縱波、橫波及表面波，其傳播速度和材料的密度和彈性常數(shù)有關(guān)。根據(jù)固體力學理論，可知

式中，CL為縱波波速，CS為橫波波速，CR為表面波波速，E為彈性模量，μ為泊松比，ρ為材料的密度。

1.2 仿真模型及參數(shù)

結(jié)構(gòu)尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，網(wǎng)格離散情況見圖1，網(wǎng)格數(shù)量為189 062 個，計算節(jié)點32 028 個；在鋁板上表面中心位置附近進行網(wǎng)格加密，并按一定范圍進行過渡處理，以滿足加載區(qū)域收斂及整體計算規(guī)?？煽氐木C合要求。

參數(shù)取值見表1。

表1 參數(shù)取值Table 1 Parameter value

1.3 結(jié)構(gòu)粗糙表面對激光吸收率的分析

在激光處理與激光加工領(lǐng)域，針對粗造表面對激光的吸收過程，發(fā)展了反射-吸收綜合模型和集總測試法等測定激光吸收率的方法。

本文按反射-吸收綜合模型處理。對于一定的表面形貌，對其做倒三角下折處理，如圖2 所示［18］。

定義宏觀尺度的取樣長度L、輪廓算術(shù)平均偏差Ra（粗糙度）、波谷數(shù)N，則有等效粗糙度傾角θ滿足

求解θ后，根據(jù)其數(shù)值大小落到的范圍，可判定激光全反射的次數(shù)及占比，進而按理論公式獲得吸收率A。

1）若0＜θ≤（π/6），為1 次反射，A同垂直理想表面的吸收率。

2）若（π/6）＜θ≤（π/4），為全部1 次反射、部分2 次發(fā)射，A與入射角、垂直理想表面吸收率等相關(guān)。

本文采用表面粗糙度儀對所用鋁合金上表面靠近中間位置進行了測試，結(jié)果為：粗糙度Ra=0.584 μm、波谷數(shù)N=94、取樣長度L=287.3 μm。

求得吸收率為A=11.29%。

1.4 仿真結(jié)果分析

以脈沖寬度1 ns、單脈沖6 mJ 為輸入激光束斑，對應(yīng)的瞬態(tài)激光光柵的直徑為1 mm、條紋數(shù)量為11。結(jié)果提取時，均按圖3 部署觀察點；其中，X方向為垂直于瞬態(tài)光柵條紋方向、Y方向為沿瞬態(tài)光柵條紋方向。

1）瞬態(tài)光柵激勵的結(jié)果

圖4 為1 μs 時刻的縱向位移云圖，可以看出：a）以瞬態(tài)光柵作用區(qū)域為中心，其位移場呈現(xiàn)明顯的“線陣列”特性，實現(xiàn)了傳統(tǒng)點源激發(fā)、線源激發(fā)到本項目預(yù)期的線陣列激發(fā)；b）遠場位移呈現(xiàn)環(huán)狀分布，符合結(jié)構(gòu)載荷的局部作用原理。

圖5 為沿X軸、垂直于瞬態(tài)光柵方向，距離中心點1 mm、2 mm、4 mm、10 mm 位置的縱向位移隨時間的變化情況，比對表明：a）隨著距離的增加，位移幅值降低、峰值時刻后延；b）各觀測點的位移-時間響應(yīng)規(guī)律均呈現(xiàn)先上升、后下降；圖6 為沿Y軸、垂直于瞬態(tài)光柵方向，距離中心點1 mm、2 mm、4 mm、10 mm 位置縱向位移隨時間的變化情況，其整體規(guī)律與沿X軸一致。

為比對不同方向位移響應(yīng)的特征，以圖5 所示沿X方向、圖6 所示沿Y方向數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，取距離中心1 mm、2 mm、4 mm 觀測點，比對分析見圖7：1）相同距離下，X方向與Y方向的響應(yīng)規(guī)律，負向峰值略低；2）相同距離下，X方向峰值局部存在小幅震蕩，Y方向的響應(yīng)曲線更為光滑。

圖7 的分析表明，為避免局部震蕩帶來的檢測難度，后續(xù)應(yīng)觀察位置沿Y方向部署。取圖5 以及圖7 中正向峰值、負向峰值及其時刻數(shù)據(jù)，見表2。

表2 沿X 軸、Y 軸不同距離處峰值位移數(shù)據(jù)Table 2 Peak displacement data at different distances along X axis and Y axis

2）相同能量輸入時傳統(tǒng)點源/線源激發(fā)模式的結(jié)果

維持結(jié)構(gòu)形式、材料性能以及激光脈寬不變，對點源、線源等傳統(tǒng)激發(fā)模式進行仿真分析，并開展比對分析。其中：1）點源直徑按0.1 mm，線源寬度按0.1 mm、長度按1 mm；2）點源、線源對應(yīng)的功率，由線陣列6 mJ 按面積均勻折算。

考慮脈沖光柵特性對響應(yīng)模式的影響，結(jié)合圖7 的分析結(jié)論，3 類激發(fā)模式下均對沿Y方向設(shè)置且距離中心1 mm、2 mm、4 mm 的觀測點進行分析，見圖8 至圖10。比對表明：1）初始時間段內(nèi)的響應(yīng)均呈現(xiàn)“正峰值-負峰值-正峰值”的規(guī)律；2）觀測距離小于等于4 mm 的范圍內(nèi)，位移響應(yīng)的峰值大小依次為瞬態(tài)光柵激發(fā)、點源激發(fā)和線源激發(fā)，瞬態(tài)光柵激發(fā)下峰值為點源激發(fā)的2～5 倍。

表3 列出了不同激發(fā)模式下，初始階段“正峰值-負峰值-正峰值”的數(shù)值-時間數(shù)據(jù)，以及結(jié)構(gòu)表面單位面積的能量。表3 的數(shù)據(jù)表明：1）瞬態(tài)光柵激發(fā)模式下，靠近中心區(qū)域附近的響應(yīng)程度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的點源、線源激發(fā)模式，為提升信噪比奠定了良好基礎(chǔ)；2）鑒于3 類激發(fā)模式下總的輸入能量一致，具備更大作用面積的瞬態(tài)光柵激發(fā)模式，大幅降低了結(jié)構(gòu)表面單位面積的能量，從而遠離激光熱燒蝕閾值、具有更好的結(jié)構(gòu)安全性。

表3 不同激發(fā)模式下特征數(shù)據(jù)比對Table 3 Comparison of feature data in different excitation modes

2 激光瞬態(tài)光柵激勵鋁板的實驗研究

2.1 實驗原理及實驗裝置

圖11 為實驗原理，脈沖激光器產(chǎn)生的激光束斑經(jīng)瞬態(tài)光柵模塊的分束、干涉，形成“亮暗”相間的激光瞬態(tài)光柵；激光瞬態(tài)光柵作用到鋁板表面，經(jīng)熱彈效應(yīng)在鋁板內(nèi)部激發(fā)超聲波，超聲波引起結(jié)構(gòu)表面的縱向位移；采用激光干涉儀對距離光柵作用中心2 mm、10 mm 的結(jié)構(gòu)表面位移進行采集，采集信號由示波器展示。

實驗裝置含脈沖激光器、瞬態(tài)光柵模塊、激光干涉儀、示波器及鋁合金板。圖12 為布局情況以及光路示意。激光器用于產(chǎn)生脈沖激光。選用北京卓鐳TINY-100L 型，激光波長532 nm，重復(fù)頻率10 Hz，單脈沖能量6 mJ，與仿真分析的參數(shù)選取一致。瞬態(tài)光柵模塊對脈沖激光器產(chǎn)生的束斑進行展開，產(chǎn)生陣列化空間分布的瞬態(tài)光柵。該模塊主要包括分束鏡、光學延遲線、水平方向可調(diào)反射鏡、光衰減器和合束鏡等，輸出光斑尺寸為直徑1 mm、條紋數(shù)11，與仿真分析的參數(shù)選取一致。激光干涉儀用于檢測結(jié)構(gòu)表面的位移信號，選用Polytec.Inc 公司VibroFlex Neo 型。示波器選用Tektronic MDO3052 型，采樣率為500 MHz。鋁合金板吸收瞬態(tài)光柵能量后，經(jīng)熱彈效應(yīng)產(chǎn)生超聲波并在表面產(chǎn)生位移。實驗選用市售ZL101，規(guī)格為49.36 mm×49.80 mm×4.97 mm。

2.2 實驗結(jié)果

提取示波器信號、將信號電壓值轉(zhuǎn)化為位移值后，經(jīng)標定相對時延，得到位移數(shù)據(jù)見圖13，噪聲幅值約為1 nm。與仿真數(shù)據(jù)比對如圖14 所示，整體規(guī)律一致，峰值點數(shù)據(jù)的相對偏差最大值位于負向，約為8.81%。

同時，提取了距離光柵中心位置10 mm 處的響應(yīng)。其峰值的信號時延為3.35 μs；按10 mm 布設(shè)距離，3.35 μs 的峰值信號時延對應(yīng)的聲表面波速度2 974.3 m/s。由彈性波理論求得的速度為2 789.5 m/s，兩者偏差為6.62%。

3 結(jié)論

仿真分析及實驗驗證表明，柵形激發(fā)技術(shù)通過分散降低單位面積的能級，并沿柵形方向形成了超聲增強。對于距離中心相同距離的觀測點，垂直于瞬態(tài)光柵方向與沿瞬態(tài)光柵方向的響應(yīng)規(guī)律、峰值大小一致；相同距離下，垂直于瞬態(tài)光柵方向的響應(yīng)存在峰值附近的小幅震蕩，沿瞬態(tài)光柵方向的位移曲線更為光滑。為避免近場檢測時因局部震蕩的干擾，應(yīng)將觀察采樣位置沿瞬態(tài)光柵方向部署。點源激發(fā)、線源激發(fā)以及瞬態(tài)光柵激發(fā)的位移響應(yīng)均呈現(xiàn)“正峰值-負峰值-正峰值”的規(guī)律；小于等于4 mm 的觀測距離范圍內(nèi)，位移響應(yīng)的峰值大小依次為瞬態(tài)光柵激發(fā)、點源激發(fā)和線源激發(fā)，瞬態(tài)光柵激發(fā)下峰值為點源激發(fā)的2～5 倍，為提升信噪比、減小近場盲區(qū)奠定了良好基礎(chǔ)。鑒于3 類激發(fā)模式下總的輸入能量一致，瞬態(tài)光柵激發(fā)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)表面能量密度約為點源模式的1%、線源模式的12.7%，可降低激光熱燒蝕風險、具有更好的結(jié)構(gòu)安全性。