姚 東,高 波,何 兵,高貴龍,岳猛猛*

(1.火箭軍工程大學(xué),西安 710025;2.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109;3.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院 超快診斷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710119)

0 引言

結(jié)構(gòu)監(jiān)檢測(cè)領(lǐng)域多年來將超聲檢測(cè)作為研究重點(diǎn),相繼發(fā)展了基于壓電效應(yīng)的介質(zhì)耦合超聲、空氣耦合超聲以及貼片超聲等接觸式方案,并在航空航天、交通運(yùn)輸、能源化工等領(lǐng)域[1-7]開展了廣泛應(yīng)用。超聲檢測(cè)的技術(shù)流程可分解為超聲的受激激發(fā)、超聲的結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)的信號(hào)測(cè)量,以及信號(hào)與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的相關(guān)性研究。

對(duì)于超聲信號(hào)與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的相關(guān)性研究,其核心是建立信號(hào)(電壓、位移等)對(duì)健康狀態(tài)(缺陷、損傷、材料性能退化等)的表征模型,為結(jié)構(gòu)的運(yùn)行可靠性評(píng)估、使用安全性評(píng)價(jià)等提供輸入。接觸式超聲檢測(cè)的表征建模以掃描成像為主:通過多點(diǎn)位、陣列化的超聲激發(fā)-信號(hào)測(cè)量,以圖像方式對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷進(jìn)行直觀展示[8-9]。隨著微小缺陷探測(cè)的需求不斷涌現(xiàn),進(jìn)一步發(fā)展了相控陣成像等表征技術(shù)[10-11]。

近年來,高品質(zhì)脈沖激光器等激光器件取得長(zhǎng)足發(fā)展,推動(dòng)了熱彈效應(yīng)下激光-物質(zhì)作用機(jī)制與超聲檢測(cè)技術(shù)的融合[12-15],從而催生了激光激發(fā)+壓電測(cè)量等半接觸激光超聲方案,以及激光激發(fā)+激光測(cè)量等非接觸激光超聲方案。相比于傳統(tǒng)的接觸式超聲檢測(cè),激光激發(fā)+激光測(cè)量等超聲檢測(cè)無需粘貼傳感器或?qū)⑻筋^貼近結(jié)構(gòu),可應(yīng)用于高溫、輻照等極端條件,并滿足大范圍推掃等應(yīng)用需求,其不足在于:激光單色相干制約了束斑調(diào)制的能力,導(dǎo)致超聲的時(shí)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(dǎo)致超聲的信號(hào)強(qiáng)度不足。

本文聚焦結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的高分辨表征需求,從激光超聲技術(shù)原理出發(fā),概述典型應(yīng)用情況,梳理論述激光激發(fā)模式下超聲信號(hào)與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)性研究的難點(diǎn),分析總結(jié)當(dāng)前普遍運(yùn)用的成像和解析兩類方法,并針對(duì)性提出重點(diǎn)開展的工作等建議。

1 激光超聲技術(shù)

1.1 激光超聲的技術(shù)原理以及發(fā)展概況

(1)技術(shù)原理

激光與物質(zhì)相互作用的物理基礎(chǔ)是激光向結(jié)構(gòu)的能量傳遞。當(dāng)激光照射在物質(zhì)表面時(shí),一部分激光被反射,剩下部分進(jìn)入材料內(nèi)部并引起光化學(xué)過程[16]和光熱過程[17]。光化學(xué)過程打斷化學(xué)鍵使物質(zhì)發(fā)生變化,主要應(yīng)用于光刻等技術(shù)領(lǐng)域。光熱過程中,物質(zhì)吸收光子,溫度上升。

光熱過程通過電子和晶格的相互作用,實(shí)現(xiàn)激光與物質(zhì)的能量傳遞,按能量傳遞后溫度上升的程度,進(jìn)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;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。光熱過程的時(shí)間特性表述如下[18-19]:

階段1:電子吸收光子后,在大致10-13s時(shí)間內(nèi)達(dá)到準(zhǔn)熱平衡狀態(tài);階段2:10-13～10-12s時(shí)間內(nèi),電子能量的弛豫過程;階段3:10-12s之后進(jìn)入聲子動(dòng)力學(xué)階段,被吸收能量分布接近熱平衡狀態(tài);階段4:在10-11s量級(jí),能量在晶格間進(jìn)一步擴(kuò)散。若激光的時(shí)域分布滿足一定條件,上述4個(gè)階段在各脈沖之間循環(huán),形成超聲的激光激發(fā)效應(yīng):材料表面因激光的熱彈效應(yīng)形成瞬態(tài)溫度場(chǎng),瞬態(tài)溫度場(chǎng)導(dǎo)致熱膨脹,從而形成瞬態(tài)位移場(chǎng)并激發(fā)超聲。

(2)發(fā)展概況

激光超聲檢測(cè)發(fā)端于1963年WHITE提出的利用脈沖激光在固體材料中激發(fā)超聲波的理論,ROSE等通過點(diǎn)狀激光源在金屬表面激發(fā)超聲波的解析求解,闡述了脈沖激發(fā)的縱波、橫波等的指向特性[20],為激光超聲檢測(cè)的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。2001年,DUQUENNOY等利用激光在鋼棒表面激發(fā)的瑞利波,通過測(cè)量波速定性表征了鋼棒表面殘余應(yīng)力[21]。2007年,YASHIRE等將該類激光超聲技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)纖維復(fù)合材料層壓板的沖擊損傷以及剝離損傷[22]。LIM等與日本制鐵會(huì)社合作開發(fā)了一套基于激光超聲衰減法檢測(cè)晶粒尺寸的設(shè)備[23],并將該套設(shè)備成功的應(yīng)用在了熱軋鋼的試運(yùn)行生產(chǎn)線中。2008年,加拿大國(guó)家研究委員會(huì)工業(yè)材料學(xué)院和美國(guó)洛克希德·馬丁公司共同開發(fā)研制了名為激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)(Laser Ultrasonic Inspection System,LUIS)的裝置,通過激光激發(fā)、激光測(cè)量的非接觸優(yōu)勢(shì),用于飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵部位的脫粘進(jìn)行檢測(cè)。莫斯科國(guó)立大學(xué)較早開展激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)的研究,并于2011年左右開發(fā)了多通道數(shù)字化激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)。

2010年以來,美國(guó)PaR Systems公司采用CO2點(diǎn)源激發(fā)、Nd:YAG激光干涉檢測(cè)的技術(shù)路線,開發(fā)了激光超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)(圖1),用于F-35機(jī)翼等大型復(fù)合材料缺陷檢測(cè);其檢測(cè)距離大于0.5 m,單次檢測(cè)區(qū)域1.3 m×1.3 m@1.8 m,最大檢測(cè)深度50 mm,檢測(cè)精度2 mm,最高掃查速率14.4 m2/h。

圖1 美國(guó)PaR systems公司開發(fā)的激光超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)

2019年,麻省理工學(xué)院與桑迪亞實(shí)驗(yàn)室基于干涉陣列線源激發(fā)、激光干涉檢測(cè)的技術(shù)路線[24],采用激勵(lì)光與探測(cè)光的一體化結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了輻射條件下材料性能參數(shù)的原位監(jiān)測(cè),見圖2和圖3。

圖2 鎳暴露于550 ℃、31 MeV自離子時(shí),離子束電流、聲表面波速度和表面溫度隨聲激發(fā)深度上線性平均劑量變化[23]

圖3 鎳暴露于550 ℃、31 MeV自離子時(shí),熱擴(kuò)散率隨熱擴(kuò)散深度平均劑量變化[23]

2011年,沈中華團(tuán)隊(duì)基于激光聲表面波的光熱調(diào)制原理,針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片研究了疲勞裂紋的檢測(cè)。2012年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用激光超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非接觸檢測(cè)高溫下藍(lán)寶石彈性模量[25]。2021年,袁久鑫等[26]基于點(diǎn)源激發(fā)、激光測(cè)振的方案,研究了激發(fā)源接收源同步移動(dòng)掃描檢測(cè)方式,通過傳播路徑和檢測(cè)波型的分析,得到了增材制件缺陷反射波成像,準(zhǔn)確探測(cè)出10 mm深度內(nèi)直徑為1 mm的內(nèi)部缺陷。該方法采用點(diǎn)源激發(fā)超聲,激光單脈沖能量為50 mJ,見圖4和圖5。

圖4 電弧增材制造試塊的人造缺陷[25]

圖5 電弧增材制造試塊10 mm深度缺陷的B掃結(jié)果[25]

2021年,西安交通大學(xué)裴翠祥團(tuán)隊(duì)基于相位掩膜板產(chǎn)生的激光超聲,開展了微應(yīng)力、微裂紋檢測(cè)等大量研究工作[27-28]。

盧明輝等[29]從激光檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)出發(fā),總結(jié)了激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用案例,梳理分析了存在的問題,并對(duì)其在先進(jìn)制造中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1.2 在固體發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的應(yīng)用

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭,具有結(jié)構(gòu)可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。受到固化成型以及長(zhǎng)期貯存、勤務(wù)處理、點(diǎn)火發(fā)射等階段機(jī)械載荷的作用,其推進(jìn)劑、襯層及絕熱層等發(fā)生物理和化學(xué)性質(zhì)的變化,從而導(dǎo)致氣孔、裂紋、界面脫粘等缺陷的發(fā)生[30]。針對(duì)這些缺陷,行業(yè)內(nèi)發(fā)展了射線探傷等非接觸無損檢測(cè)方法,以及空氣或介質(zhì)耦合超聲、聲發(fā)射等接觸式無損檢測(cè)方法[30-33]。

2019年,中北大學(xué)金永團(tuán)隊(duì)[34]針對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)粘接材料差異帶來的頻率差別,通過小波變換實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)降噪處理、界面附近特征提取,完成了對(duì)熱防護(hù)層厚度測(cè)量,2.03 mm厚度絕熱層/10 mm厚度鋼板試件的測(cè)量相對(duì)誤差為3.9%～6.4%。

針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備廣泛采用的層壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu),陳友興[35]基于透射法開展了復(fù)合材料粘接板超聲C掃信號(hào)的時(shí)頻分析:通過不同分解層數(shù)和不同閾值處理函數(shù)下的小波函數(shù)特征提取與比對(duì),提高了激光超聲信號(hào)的信噪比,實(shí)現(xiàn)了成像探測(cè)。

上述工作發(fā)揮了激光超聲非接觸激發(fā)的優(yōu)勢(shì),對(duì)降低“面對(duì)面”操作帶來的安全隱患、杜絕對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的附加損傷等具有廣泛前景。

1.3 激光激發(fā)模式下相關(guān)性研究面臨的技術(shù)難點(diǎn)

相比于壓電效應(yīng)下的電致激發(fā),熱彈效應(yīng)下的激光激發(fā)受到激光衍射極限和結(jié)構(gòu)損傷閾值的共同限制。

(1)單色相干制約了束斑調(diào)制的能力,導(dǎo)致超聲的時(shí)頻模式受限。對(duì)于相關(guān)性研究,激發(fā)環(huán)節(jié)模式受限帶來的表面波、體波等相互混疊[36-38]與缺陷附近的模式轉(zhuǎn)換[39-41]進(jìn)一步耦合,直接湮沒了系列模式特征,造成了波形分析等傳統(tǒng)解析方法輸入數(shù)據(jù)的缺失。

(2)結(jié)構(gòu)損傷閾值限制了脈沖激光的能量,導(dǎo)致超聲的信號(hào)強(qiáng)度不足。對(duì)于相關(guān)性研究,激發(fā)環(huán)節(jié)信號(hào)微弱限制了測(cè)量環(huán)節(jié)的信號(hào)強(qiáng)度[42-43],在前述模式耦合、湮沒特征等問題的基礎(chǔ)上,引入了信噪比低下的新難點(diǎn)。

(3)以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)超聲可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位傳感器的陣列化部署,隨著新型壓電傳感器向著陣列集成、單片封裝、收發(fā)一體等方向發(fā)展,可實(shí)現(xiàn)超聲聲場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)、聚焦等選擇性調(diào)控。相比之下,不同光源之間時(shí)延協(xié)調(diào)等控制的難度極大,尚未形成多光源多點(diǎn)位等激發(fā)技術(shù),導(dǎo)致現(xiàn)有激發(fā)以單一激光束斑空間展開后的點(diǎn)源、線源或陣列線源為主,進(jìn)一步限制了激光激發(fā)的時(shí)空調(diào)制能力。

需注意的是,針對(duì)激光激發(fā)的時(shí)空調(diào)制,研究者相繼發(fā)展了掩模版、微透鏡陣列、光纖束陣列等方案:通過激光束斑的空間展開獲得一定間距(空間周期)的柵形條紋序列,在降低被測(cè)結(jié)構(gòu)單位面積激光能量、避免結(jié)構(gòu)燒蝕風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了超聲波的高頻激發(fā)和信號(hào)增強(qiáng),提升了傳統(tǒng)點(diǎn)源激發(fā)、線源激發(fā)等方案下的缺陷分辨能力。由于超聲對(duì)缺陷外型尺寸的分辨極限為其特征波長(zhǎng)的1/2、正相關(guān)于柵形條紋的空間周期,前述柵形條紋激發(fā)技術(shù)空間周期固定化、不可調(diào)的局限性,難以滿足宏觀-細(xì)觀-微觀等多尺度下的高分辨需求。

2 面向激光激發(fā)-壓電測(cè)量的成像法

成像法是傳統(tǒng)接觸式超聲檢測(cè)進(jìn)行相關(guān)性研究的主要方法,原因在于多點(diǎn)位壓電傳感器的陣列化部署以及新型壓電傳感器的陣列化發(fā)展,賦予了結(jié)構(gòu)信號(hào)測(cè)量更多的數(shù)據(jù)維度和信息豐度。激光激發(fā)、壓電測(cè)量的半接觸式方案保留了結(jié)構(gòu)信號(hào)測(cè)量的數(shù)據(jù)維度和信息豐度,掃描、相控陣等傳統(tǒng)成像方法以及時(shí)間反轉(zhuǎn)、時(shí)域合成孔徑等超分辨成像方法均適用。本文做簡(jiǎn)要總結(jié)。

2.1 傳統(tǒng)成像技術(shù)

(1)掃描成像

掃描成像是廣泛使用的超聲無損檢測(cè)方法[44],按掃查方式分為B掃、C掃、D掃、S掃、P掃等。張鵬輝[45]對(duì)部分掃描方式的作用原理進(jìn)行了比對(duì)示意:B掃描得到平行于聲束傳播方向且垂直于試件表面的斷面圖,C掃描得到垂直于聲束傳播方向且平行于試件表面的斷面圖。

上述掃描接收回波信號(hào)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在灰度圖上以不同亮度顯示缺陷或材料性能的突變;由于單一掃描成像存在分辨率較差、定位準(zhǔn)確性低等問題,通常將其中兩種或多種掃描方式結(jié)合使用。

(2)相控陣成像

相控陣成像依托一定數(shù)量傳感器的陣列化分布,通過激發(fā)環(huán)節(jié)的時(shí)序控制對(duì)聲束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和定向,以提高檢測(cè)距離和信噪比。

鮑曉宇全面闡述了相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)及其若干關(guān)鍵技術(shù)[46],王志凌[47]通過控制信號(hào)的延時(shí)進(jìn)而控制波束指向,實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)的多方位多損傷掃描,相關(guān)技術(shù)在鋁板上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:超聲相控陣對(duì)多損傷信號(hào)的延時(shí)疊加能夠有效地提高多損傷信號(hào)的能量,同時(shí)減少非損傷處的能量,從而增強(qiáng)了信號(hào)的信噪比,見圖6和圖7。

圖6 掃描成像原理示意圖[45]

圖7 鋁板90°方向各組延時(shí)后損傷散射信號(hào)及其合成[47]

2.2 超分辨成像技術(shù)

根據(jù)瑞利準(zhǔn)則,超聲對(duì)兩個(gè)點(diǎn)特征之間的距離d或線特征長(zhǎng)度l的分辨大于閾值R,R與超聲波波長(zhǎng)等有關(guān)。為提高成像分辨率,需要使用高頻率、短波長(zhǎng)的超聲,其矛盾在于超聲波頻率越高,在介質(zhì)中傳播時(shí)的衰減就越強(qiáng)、檢測(cè)深度越小。隨著激光激發(fā)對(duì)超聲頻率的提升、頻帶的拓寬,該矛盾尤為突出。

目前,國(guó)內(nèi)外圍繞時(shí)間反轉(zhuǎn)、時(shí)域合成孔徑等方法,開展了超分辨率成像研究,為該問題的解決提供了思路。

(1)時(shí)間反轉(zhuǎn)方法

時(shí)間反轉(zhuǎn)(Time Reversal, TR)從自適應(yīng)聚焦特性出發(fā),可在介質(zhì)屬性、傳感器陣型等先驗(yàn)信息不足的情況下實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)。該方法由巴黎大學(xué)FINK教授提出,從光學(xué)領(lǐng)域的相位共軛鏡(Phase-conjugated Mirror,PCM)擴(kuò)展到聲學(xué)領(lǐng)域,為復(fù)雜介質(zhì)中目標(biāo)檢測(cè)提供了新型超聲成像方法。

對(duì)于具有一定輪廓或曲面型缺陷,ANTHONY[48]將時(shí)間反轉(zhuǎn)方法和多信號(hào)分類方法相融合,提出了時(shí)間反轉(zhuǎn)多信號(hào)分類法(TR Multiple Signals Classification,TR-MUSIC),并驗(yàn)證了其超分辨率特性。2006年,SIMONETTI利用TR-MUSIC方法對(duì)鋼試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行了探測(cè)[49],區(qū)分了距離為1/2波長(zhǎng)的兩個(gè)貫通孔,克服了衍射限制,見圖8。

圖8 相控陣成像(a)與TR-MUSIC成像結(jié)果[40]

中科院聲學(xué)研究所利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法的自聚焦特性,先后對(duì)各向異性介質(zhì)等應(yīng)用背景進(jìn)行了成像驗(yàn)證[50]。2014年,樊程廣[51]從提高成像分辨率、改善超聲圖像質(zhì)量的需求出發(fā):針對(duì)強(qiáng)噪聲環(huán)境下TR-MUSIC失效的問題提出了多頻時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)分類方法,針對(duì)TR-MUSIC成像縱向分辨率不高的問題提出了相位補(bǔ)償?shù)南辔幌喔蓵r(shí)間反轉(zhuǎn)多信號(hào)分類法,并研究了成像函數(shù)中參數(shù)的選取原則,完成了在鉛、銅試塊上的驗(yàn)證。

(2)時(shí)域合成孔徑方法

合成孔徑聚焦技術(shù)最早應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域,20世紀(jì)70年代由FLAHERTY[52]與BURCKHARDT等[53]拓展到超聲檢測(cè)領(lǐng)域。

2018年,VARNOSFADERANI等[54]將合成孔徑技術(shù)與MV波束形成器技術(shù)相結(jié)合,抑制了二次諧波超聲成像的噪聲,在信噪比低的條件下顯著提高了成像分辨率和對(duì)比度。PEYTON等[55]提出了用于B掃成像的正交合成孔徑前端接收技術(shù):使用單個(gè)信道以順序方式處理信號(hào),并與正交采樣相結(jié)合,降低了計(jì)算量和系統(tǒng)復(fù)雜度。

1993年,孫寶申等詳細(xì)闡述了時(shí)域合成孔徑的基本理論及實(shí)現(xiàn)方法[56]。2017年,陳玲等將時(shí)域成像過程映射為正向畫圓弧的操作[57],提升了雙介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的成像速度;羅嶸等[58]通過角譜運(yùn)算對(duì)頻域內(nèi)聲場(chǎng)進(jìn)行重建,結(jié)合時(shí)域合成孔徑實(shí)現(xiàn)了鋼制主軸內(nèi)部缺陷的成像;2019年,王濤等研究了基于信號(hào)相關(guān)性對(duì)相位畸變的校正,從而對(duì)估計(jì)信號(hào)相位偏差量等進(jìn)行了優(yōu)化研究[59],解決了非均勻介質(zhì)和表面不平整等因素引起的相位聚焦畸變問題。張婉[60]基于橫波波形的分離,實(shí)現(xiàn)了鉛樣品內(nèi)部缺陷的成像;其研究去除了近表面區(qū)域出現(xiàn)的幅值和面積都較大的偽像,提高了成像精度和對(duì)比度,能夠檢測(cè)出鉛板中0.1 mm的缺陷,見圖9。

圖9 直徑0.1 mm圓形缺陷檢測(cè)結(jié)果[60]

3 面向激光激發(fā)-激光測(cè)量的解析法

激光測(cè)量模式下,不同光源之間時(shí)延協(xié)調(diào)等控制難題限制了多點(diǎn)位測(cè)量的運(yùn)用,典型方案為單點(diǎn)位、小區(qū)域(束斑直徑一般在百微米以內(nèi))。

相比于壓電傳感器的陣列化部署、陣列化發(fā)展,激光測(cè)量帶來的不同在于:(1)單點(diǎn)位測(cè)量,同一時(shí)刻結(jié)構(gòu)信號(hào)的空間分布信息無法獲取;(2)小區(qū)域測(cè)量,結(jié)構(gòu)響應(yīng)捕獲的位置分辨率需求由傳統(tǒng)壓電傳感器的毫米級(jí)大幅提升至微納米級(jí)。

上述特點(diǎn)與激光激發(fā)帶來的超聲時(shí)頻模式混疊、超聲信號(hào)強(qiáng)度不足等難題疊加,加劇了激光激發(fā)-激光測(cè)量方案下相關(guān)性研究難度。目前,以物理解析、數(shù)據(jù)解析為代表的若干方法得到了發(fā)展。

3.1 物理解析技術(shù)

物理解析是指在彈性波動(dòng)等理論框架下,通過超聲的速度測(cè)量、模態(tài)分析對(duì)材料常數(shù)以及缺陷參數(shù)進(jìn)行量化分析;其理論框架反映了超聲在結(jié)構(gòu)中傳導(dǎo)過程對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、材料參數(shù)、缺陷型位等信息的加載機(jī)制。據(jù)此,傳統(tǒng)超聲技術(shù)對(duì)板材或涂層厚度、各向異性本構(gòu)參數(shù)、裂紋位置等進(jìn)行研究。隨著激光測(cè)量模式下結(jié)構(gòu)響應(yīng)捕獲的位置分辨率提升至百微米級(jí),該技術(shù)在高溫高壓、強(qiáng)輻射等場(chǎng)景下,展現(xiàn)了非接觸帶來的工程運(yùn)用便利性。

(1)對(duì)材料性能的解析

對(duì)于材料性能的研究需求,物理解析技術(shù)從超聲波速度與材料彈性常數(shù)之間的數(shù)學(xué)物理方程出發(fā),可得到材料彈性常數(shù)。

WILCOX、BRESSE、SCRUBY等研究了激光激發(fā)下超聲波的傳播模式,并通過測(cè)量橫波和縱波的速度測(cè)定了材料彈性常數(shù)[61-63]。由于波形模式特征湮沒、波速測(cè)量精度不足等原因,解析結(jié)果的誤差較大。針對(duì)該問題,周辛庚等[64]利用縱波和表面波兩類特征相結(jié)合的方法,并在密度己知的條件下測(cè)定了彈性常數(shù);戰(zhàn)宇[37]進(jìn)一步引入多次測(cè)量數(shù)據(jù)的線性擬合,以避免距離測(cè)量、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)間延遲帶來的誤差,并在短脈沖線源激光激發(fā)、激光多普勒振動(dòng)測(cè)量的方案下,完成了鋁、鋼和銅的彈性常數(shù)測(cè)試,泊松比和體積模量的測(cè)量誤差均小于1.5%。

針對(duì)橫觀各向異性、纖維增強(qiáng)等非均質(zhì)材料,張銳等針對(duì)薄層狀復(fù)合材料的彈性常數(shù)、厚度和密度等參數(shù),研究了低頻多模蘭姆波測(cè)量方法[65];羅玉昆[66]運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)研究了超聲信號(hào)處理中能量密度重構(gòu)起點(diǎn)的依據(jù)問題,通過對(duì)體波速度和沿纖維方向瑞利波速度的計(jì)算,估計(jì)了材料比模量。

對(duì)于三階常數(shù)等復(fù)雜情況,KELLY等以Murnaghan常數(shù)(l、m、n)、有限變形理論等為基礎(chǔ),建立了聲波在材料中的傳播速度與應(yīng)力之間的關(guān)系[67];以銅、多晶金屬為對(duì)象,YOST、SMITH等[68-70]開展了三階常數(shù)的測(cè)試研究。王寅觀等以非線性彈性波動(dòng)理論為框架,推導(dǎo)了三階彈性常數(shù)的超聲測(cè)量公式[71];董利明等基于靜水壓力的概念,提出了金屬材料三階彈性常數(shù)的激光超聲測(cè)量技術(shù):采用激光超聲方法測(cè)量橫波、縱波以及表面波波速,結(jié)合材料線性熱膨脹系數(shù),從彈性常數(shù)與波速的關(guān)系出發(fā),計(jì)算獲得三階彈性常數(shù)[72]。

(2)對(duì)缺陷型位的解析

對(duì)于缺陷尺寸、位置等型位信息的研究需求,物理解析技術(shù)通過分析反射波、散射波的傳播特性,結(jié)合模態(tài)轉(zhuǎn)換特征對(duì)缺陷型位進(jìn)行檢測(cè);采用的特征參數(shù)主要為回波幅值,以及反射回波飛行時(shí)間差等。

DOMARKAS等在1978年提出,可利用聲表面波在缺陷附近的反射波聲場(chǎng)來判定缺陷尺寸[73];1981年,FORTUNKO等基于電-磁-聲換能激發(fā)平面內(nèi)橫波,探測(cè)了缺陷的走勢(shì)和幾何形狀[74]。

2020年,陳洪磊[75]從Lamb波的信號(hào)特征出發(fā),提出了基于Chirplet變換的特征函數(shù)構(gòu)建方法,研究了檢測(cè)信息非完備與完備兩類條件下的參數(shù)化蘭姆波檢測(cè)信號(hào)處理與缺陷定位研究。李玉海從超聲原始信號(hào)的組成出發(fā),系統(tǒng)闡述了缺陷回波探測(cè)的原理[76]:原始信號(hào)分為延續(xù)傳播、缺陷反射、透射消耗三部分,較大部分以缺陷反射的方式反向傳播;根據(jù)超聲脈沖信號(hào)經(jīng)過探測(cè)點(diǎn)的峰值和缺陷處超聲信號(hào)回波的峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間差,即可計(jì)算得到缺陷距離測(cè)量點(diǎn)位的距離。2021年,張興舜開展了基于雙波混頻干涉的激光測(cè)量實(shí)驗(yàn),結(jié)合聲表面直達(dá)波、缺陷反射波與透射表面波的時(shí)頻域特征分析,實(shí)現(xiàn)了寬約0.15 mm、深約0.15 mm微小表面裂紋的檢測(cè)[77],見圖10。

圖10 超聲脈沖峰值及回波信號(hào)峰值的對(duì)應(yīng)時(shí)刻示意圖[77]

3.2 數(shù)據(jù)解析技術(shù)

相比于物理解析對(duì)彈性波動(dòng)理論等的依賴,數(shù)據(jù)解析以數(shù)值仿真或標(biāo)樣實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)作為操作信息,在信號(hào)處理技術(shù)、人工智能方法等的支持下,將相關(guān)性研究處理為數(shù)據(jù)挖掘活動(dòng)。典型方法含決策樹算法支撐下的特征識(shí)別、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)反演等。針對(duì)機(jī)械振動(dòng)、檢測(cè)誤差等帶來的噪聲問題,一般先對(duì)檢測(cè)獲得的時(shí)域、頻域或時(shí)-頻混合等原始信號(hào)進(jìn)行降噪,再進(jìn)行特征提取和識(shí)別。

(1)基于小波變換的特征識(shí)別

易秋吉通過對(duì)小波包能量、小波包局部熵等特征的分析[78],提出了小波包融合特征挖掘回波缺陷信號(hào)時(shí)頻特性、實(shí)現(xiàn)材料表面缺陷定量評(píng)價(jià)的方法,其可分性測(cè)度值達(dá)到9.84。

趙燕飛[79]針對(duì)激光超聲激發(fā)信號(hào)的降噪處理,以高斯白噪聲為例,對(duì)EMD、小波變換等方法進(jìn)行了比對(duì)分析,進(jìn)而研究了提取反射/透射表面波的閾值頻率對(duì)表面缺陷深度檢測(cè)的方法。

(2)決策樹算法支撐下的特征識(shí)別

決策樹通過一系列規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,逐級(jí)分類后可提取數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的規(guī)則,典型算法分類含ID3、C4.5、CART以及隨機(jī)森林。

崔潔[80]分析了含不同類型、不同深度裂紋的金屬構(gòu)件超聲信號(hào),提取了時(shí)頻特征以及能量分布,按照隨機(jī)森林算法構(gòu)建了分類器輸入量,研究了裂紋識(shí)別可行性和有效性;結(jié)果表明,隨機(jī)森林算法的識(shí)別準(zhǔn)確率超過90%,優(yōu)于ID3、C4.5、CART三種其他決策樹算法。

(3)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)反演

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)的訓(xùn)練形成感知環(huán)境變化的能力,并調(diào)節(jié)神經(jīng)元的參數(shù)以適應(yīng)變化,具有并行化處理等特點(diǎn)。依托人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)反演不追求物理機(jī)制或理論框架的映射,可在操作信息的支持下同時(shí)對(duì)材料常數(shù)、缺陷型位等健康狀態(tài)信息進(jìn)行快速可信的分析。

針對(duì)傅里葉變換、EMD分解等方法受信號(hào)平穩(wěn)性、信噪比等限制的情況,蘇純提出了基于有監(jiān)督學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)分類方法[81],對(duì)0.1 mm×0.5 mm、0.2 mm×0.5 mm等不同類型缺陷探測(cè)樣本的多次實(shí)驗(yàn)表明,交叉驗(yàn)證分類正確率均能達(dá)到100%。陳超等[82]利用有限元軟件COMSOL分析了脈沖激光照射下含表面缺陷鋁材的透射波信號(hào),并提取信號(hào)的時(shí)域峰值、頻域上3 dB帶寬、上限截止頻率等組成特征向量,建立了基于粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷深度定量識(shí)別模型,定量識(shí)別了0.1～3 mm深度的缺陷;該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)缺陷的識(shí)別平均誤差為5.05%,與未優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及支持向量機(jī)的識(shí)別平均誤差比對(duì)見圖11。

4 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)監(jiān)檢測(cè)領(lǐng)域?qū)⒊暀z測(cè)作為研究重點(diǎn),相繼發(fā)展了基于壓電效應(yīng)的介質(zhì)耦合超聲、空氣耦合超聲以及貼片超聲等接觸式方案,以及激光激發(fā)+壓電測(cè)量、激光激發(fā)+激光測(cè)量等半接觸、非接觸的激光超聲方案。針對(duì)激光激發(fā)模式下超聲時(shí)頻模式受限、超聲信號(hào)強(qiáng)度不足等技術(shù)難題,面向壓電測(cè)量和激光測(cè)量分別發(fā)展了成像、解析等方法,以建立激光超聲信號(hào)與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的相關(guān)性。

(1)多點(diǎn)位壓電傳感器的陣列化部署以及新型壓電傳感器的陣列化發(fā)展,賦予了結(jié)構(gòu)信號(hào)測(cè)量更多的數(shù)據(jù)維度和信息豐度,掃描、相控陣等傳統(tǒng)成像方法以及時(shí)間反轉(zhuǎn)、時(shí)域合成孔徑等超分辨成像方法均適用激光激發(fā)、壓電測(cè)量的半接觸式方案;隨著激光激發(fā)對(duì)超聲頻率的提升、頻帶的拓寬,時(shí)間反轉(zhuǎn)、時(shí)域合成孔徑等超分辨成像方法,可解決波長(zhǎng)減小帶來的分辨率提升與衰減率增加之間的矛盾,克服了聲波的衍射限制。針對(duì)超分辨成像帶來的算法復(fù)雜與算力增大等問題,后續(xù)建議結(jié)合典型缺陷解剖數(shù)據(jù)等先驗(yàn)信息,借助缺陷輪廓校準(zhǔn)等措施,彌補(bǔ)圖像對(duì)比度不足等帶來的成像壓力;同時(shí),鑒于相關(guān)算法及其求解步驟已逐漸固定,可針對(duì)若干典型結(jié)構(gòu)及其使用環(huán)境,開發(fā)專用超聲傳播行為的數(shù)值仿真程序或軟件模塊,支撐研究對(duì)象由規(guī)則型位的缺陷、均質(zhì)的平板,向復(fù)雜、多樣的工程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

(2)激光測(cè)量帶來的不同在于:單點(diǎn)位測(cè)量、同一時(shí)刻結(jié)構(gòu)信號(hào)的空間分布無法獲取,且小區(qū)域測(cè)量、結(jié)構(gòu)響應(yīng)捕獲的位置分辨率提升至百微米級(jí),單點(diǎn)位、小區(qū)域的特點(diǎn)與激光激發(fā)帶來的超聲時(shí)頻模式混疊、超聲信號(hào)強(qiáng)度不足等難題疊加,加劇了相關(guān)性研究的難度,目前發(fā)展了以物理解析、數(shù)據(jù)解析為代表的若干方法;相比于物理解析對(duì)彈性波動(dòng)理論等框架的依賴,數(shù)據(jù)解析以數(shù)值仿真或標(biāo)樣實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)作為操作信息,在決策樹算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)的加持下將相關(guān)性研究處理為數(shù)據(jù)挖掘活動(dòng),具有分析效率高、參數(shù)覆蓋全等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)當(dāng)前從時(shí)域、頻域或能量角度提取信號(hào)特征參數(shù)時(shí),參數(shù)規(guī)模與表征有效性難以協(xié)調(diào)的問題,后續(xù)建議以批量化的結(jié)構(gòu)仿真數(shù)值分析為基礎(chǔ),經(jīng)正問題求解的參數(shù)敏感性分析、反問題求解的樣本優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作,提升數(shù)據(jù)解析方法對(duì)復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的適用性。