超聲紅外熱波技術的研究現狀

馮輔周，張超省，張麗霞，閔慶旭

（裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072）

超聲紅外熱波技術的原型是20世紀70年代末期出現的振動熱像檢測［1］。受到當時計算機和熱像儀性能的限制，仿真計算和試驗驗證的實現非常困難，對該方法的研究一直沒有太大進展。直到20世紀90年代末，計算機技術的迅猛發展和熱像儀性能的大幅提升，使得振動熱像檢測的研究進入了一個嶄新的發展階段。2000年以來，美國韋恩州立大學的X Han等人對該檢測方法進行了深入的研究，由于他們采用超聲塑焊槍作為激勵源，該檢測方法與后來興起的紅外熱波技術存在相通之處，隨后的研究人員將這種采用超聲脈沖作為激勵源的振動熱像檢測稱為超聲紅外熱波技術［2－3］。

1 基本原理及特點

超聲紅外熱波技術采用超聲脈沖作為激勵源，注入被測對象的振動能量傳播至裂紋、分層、脫粘等接觸界面類型缺陷區域時，缺陷區域因摩擦生熱、塑性變形等產生熱量，使機械能轉化為熱能，產生的熱量以熱波的形式向試件表面傳導，從而在被測對象表面溫度場上表現出來。采用熱像儀獲取表面溫度分布可以判斷被測對象內部或表面缺陷，這是超聲紅外熱波技術用于缺陷檢測的基本原理［4－5］。超聲紅外熱波檢測系統主要由熱像儀、采集控制終端、超聲電源、超聲槍和其它輔助設備構成，如圖1所示。超聲激勵系統主要包含超聲槍和超聲電源兩部分，超聲激勵參數主要包括激勵頻率、激勵時間、激勵強度等，是影響超聲紅外熱波檢測的最直接因素。

圖1 超聲紅外熱波檢測系統示意圖

與其它紅外熱波技術相比，超聲紅外熱波技術具有如下特點［6］：① 不需要考慮加熱均勻性，即使被測對象幾何形狀復雜，也可得到很好的檢測效果。② 對于大多數固體，聲波傳到裂紋幾乎是瞬時的，由于聲波衰減相對較低，因此對于某些材料，聲波能夠在距離激發源較遠或較深的地方產生有效的激勵，故較脈沖閃光熱激勵方式，超聲激勵方式可以對更深的內部分層或裂紋等進行熱激勵。③ 超聲激勵注入試件后只對缺陷加熱，圖像信噪比高，對缺陷的檢測能力大大增強。④超聲脈沖激勵強度大、作用時間短，能檢測出其它紅外熱波技術難以檢測的微裂紋，可用于大范圍、快速檢測。

超聲紅外熱波技術對金屬試件疲勞裂紋、復合材料沖擊損傷有非常好的檢測效果［7］。該技術可以用于復雜形狀、大重量級（＞80kg）零部件的裂紋檢測，并可檢測＜20μm的微裂紋，由于無需進行表面預處理以及對復雜形狀結構件的適應性，該技術應用潛力巨大［8－10］。

2 國內外研究現狀

作為一種新型的無損檢測技術，超聲紅外熱波技術受到了國內外無損檢測研究小組的廣泛關注，研究人員開展了大量的試驗、理論和缺陷識別等方面的研究工作。

2.1 試驗研究

針對超聲紅外熱波技術的試驗和應用，研究人員提出不同改進和優化方案，并在不同領域進行了嘗試。2003年，美國海空武器中心航空部的I Perez和W R Davis提出了改進超聲紅外熱波技術的試驗裝置，通過調整試驗參數可達到優化檢測結果的目的［11］。2006年，英國巴斯大學的D P Almond等人選用長脈沖低功率調制超聲激勵構件得到了滿意的檢測效果，指出對不同直徑的CFRP平板缺陷的檢測僅需1W功率的電源來驅動超聲波換能器即可完成，但超聲功率小、激勵時間長，該方法不適合熱導率較高的金屬試件［12］。2007年，加拿大拉瓦爾大學的X Maldague等人對涂覆材料的微裂紋進行了檢測，指出超聲紅外熱波技術對亞表面缺陷具有很好的檢測能力［13］；隨后，他們分別采用脈沖、鎖相和超聲作為激勵源，對航天用CFRP蒙皮蜂窩夾層結構和玻璃鋼擋風板上存在的缺陷進行檢測，通過對比給出了各種方法的特點及適用范圍，指出與以光作為激勵源的脈沖及鎖相紅外技術相比，超聲紅外熱波技術具有激勵能量低，檢測深度深等優越性［14］。

國內的南京大學、首都師范大學等單位相繼開展了超聲紅外熱波技術的試驗研究工作。2003年，南京大學的張淑儀等人對HWRX－3型紅外熱像儀系統進行了擴展改進，研制了與計算機連接的數據采集卡、硬件驅動程序和用戶軟件［15］；之后，他們利用鋁合金平板作為研究對象，通過扭力制作了含疲勞裂紋的平板試件，利用該系統進行了驗證性試驗［4］。2008年，首都師范大學的張存林等人開展了該技術在工程領域的試驗研究，他們采用超聲紅外熱波技術對碳纖維、有機玻璃和焊接鋼板三種對象進行檢測，表明該方法對不同材料和結構均能實現靈敏快速的檢測［16］。

2.2 理論研究

圍繞超聲激勵下被測對象缺陷區域的生熱現象和內在機理，研究人員進行了大量的理論分析和探索。2004年，X Han等人建立了用于分析超聲聚能桿和試件接觸產生聲混沌的理論模型，證明了聲混沌的產生源于超聲聚能桿和試件之間的接觸，并不依賴于被測對象中缺陷的存在情況［17］；隨后，他們提出了一種計算裂紋區域能量擴散的有限元方法，進一步驗證了聲混沌現象具有增強裂紋生熱，進而提高裂紋可檢測性的作用［18］。2007年，J Lu等人設計了改變裂紋閉合度的夾具，揭示了裂紋生熱與裂紋面閉合狀態存在密切關系，指出裂紋面承受的壓應力越高，生熱就越不明顯，過高的壓應力甚至會導致裂紋生熱現象的終止，初步探索了被測對象的缺陷可檢測性問題［19］。2009年，英國倫敦帝國學院的M Morbidini等人指出裂紋的形貌與裂紋振動阻尼之間有著較為密切的關系，并進一步建立了振動能量衰減和溫升之間的關系［20］。2011年，美國愛荷華州立大學的S D Holland等人分析了超聲激勵下含缺陷試件的熱量空間分布特征，并設計了相關的試驗，證明缺陷區域熱量的生成主要由摩擦、塑性變形和粘彈性損失等因素構成［7］。

南京大學近代聲學國家重點實驗室對超聲激勵下微裂紋的生熱機理進行了深入研究。2004年，米小兵等人對超聲波引起固體微裂紋局部發熱機理進行討論，建立了相應的理論計算模型［21］；2006年，鄭凱等人針對文獻［17］模型存在的問題和不足提出了改進的動態分析模型，更為合理地揭示了聲混沌產生的基本規律［22］；2010年，陳趙江等人運用有限元分析對裂紋區域的溫度場進行了模擬計算，在此基礎上對裂紋生熱現象進行了詳細地描述，深入探討了聲混沌現象對檢測效果的影響［23］。

2.3 缺陷識別

缺陷識別是超聲紅外熱波技術的最后環節，其研究不僅在于解決工程實際問題，更能反作用于試驗和理論研究，為試驗和理論研究提供可靠的數據支撐。2010年，美國愛荷華州立大學的S D Holland等人為消除熱擴散對裂紋信息識別的影響，設計了一套圖像處理算法，通過濾波、空間二階求導、時間一階求導等圖像處理過程，消除熱擴散的影響并提取出了熱量，生成了對應的獨立區域［24］。2008年，南京大學的鄭凱等人根據裂紋區域溫度隨時間變化的基本規律開發了基于時間序列的缺陷信息識別算法，提高了缺陷信號的識別精度［25］，但最終的識別依然依賴于經驗判斷。2011年，裝甲兵工程學院的馮輔周等人根據超聲激勵下裂紋區域溫度空間分布的規律，提出了采用骨骼化算法進行裂紋重構的理論基礎和相應算法，并將該算法成功應用于裝甲板的裂紋形狀重構［26］。

3 存在的不足及對策

總體來講，已有研究多數局限于平板試件的裂紋生熱或驗證超聲紅外熱波技術的可行性，屬于正問題研究；而針對缺陷檢測方案制定和缺陷識別等反問題的研究還不夠系統，而這正是該技術走向工程應用的突破口。針對現有研究中存在的不足，提出以下對策：

（1）試驗研究 絕大多數研究人員試圖通過試驗手段直接建立缺陷生熱與激勵參數、接觸狀態、固定方式等檢測條件之間的對應關系，從而達到優化檢測方案的目的，但效果并不理想。實際上，檢測條件通過被測對象振動特性的變化來間接影響缺陷區域熱量生成。因此只有對超聲激勵下被測對象的振動特性進行系統研究，才能建立缺陷生熱和檢測條件的對應關系，為檢測方案的優化提供理論依據。

（2）理論研究 目前，針對超聲紅外熱波技術中缺陷區域生熱機理的研究還局限于平板結構的裂紋區域發熱計算層面，研究成果難以直接推廣到復雜結構及其它接觸界面類型缺陷的檢測，不利于超聲紅外熱波技術的廣泛應用。因此，針對復雜結構常見缺陷生熱機理的研究還需要進一步深入，為超聲紅外熱波技術在工程領域的推廣奠定理論基礎。

（3）缺陷識別 如前所述，圖像增強算法和鎖相技術已經引起了研究人員的足夠重視，但最終的識別仍然依賴于肉眼和專業經驗，對缺陷類型、缺陷程度的判斷很難定量把握，缺陷的自動識別和重構尚屬空白。要解決這個問題，就必須深入研究缺陷區域熱量的空間和時間分布規律，并運用圖像處理技術和智能識別算法，開發常見缺陷的自動識別和重構算法。隨著圖像處理和智能識別算法的廣泛應用，缺陷的識別能力和精度必將大大增強。

4 結語

超聲紅外熱波技術憑借適用性強、速度快、靈敏度高等優勢受到了越來越多的重視。介紹了超聲紅外熱波技術的工作原理及特點，著重歸納總結了國內外研究和發展現狀，指出了現有研究中存在的不足和未來研究中應該采取的對策。隨著超聲紅外熱波技術工程應用的不斷深化，其試驗、理論和缺陷識別技術等方面的研究必將逐步走向完善。

［1］Henneke E G，Reifsnider K L，Stinchcomb W W.Thermography－an NDT method for damage detection［J］.Journal of Metals，1979，31（9）：11－15.

［2］王迅，金萬平，張存林，等.紅外熱波無損檢測技術及其進展［J］.無損檢測，2004，26（10）：497－501.

［3］Favro L D，Han X，Ouyang Z，et al.Infrared imaging of defects heated by a sonic pulse［J］.Review of Scientific Instruments，2000，71（6）：2418－2421.

［4］劉慧，劉俊巖，王揚.超聲鎖相熱像技術檢測接觸界面類型缺陷［J］.光學精密工程，2010，18（3）：653－661.

［5］張淑儀.超聲紅外熱像技術及其在無損檢測中的應用［J］.應用聲學，2004，12（5）：1－6.

［6］Shepard S M，Ahmed T，Lhota J R.Experimental considerationsin vibrothermography［C］.SPIE Thermosense XXVI，Orlando，FL.SPIE，2004，5405：332－335.

［7］Renshaw J，Chen J C，Holland S D，et al.The sources of heat generation in vibrothermography［J］.NDT＆E International，2011（44）：736－739.

［8］Han X，Zeng Z，Li W，et al.Acoustic chaos for enhanced detectability of cracks by sonic infrared imaging［J］.J Appl Phys，2004，95（7）：3792－3797.

［9］Thomas R L，Han X，Favro L D，et al.Infrared imaging of defects in materials with chaotic sonic excitation［C］.2010IEEE International Ultrasonics Symposium，San Diego，CA，2010：591－594.

［10］Morbidini M，Cawley P，Barden T，et al.Prediction of the thermosonic signal from fatigue cracks in metals using vibration damping measurements［J］.J Appl Phys，2006，100（10）：104905.

［11］Perez I，Davis W R.Optimizing the thermosonics signal［J］.AIP Conf Proc，2003（657A）：505－517.

［12］Barden T J，Almond D P，Morbidini M，et al.Advances in thermosonics for detecting impact damage in CFRP composites［J］.Insight：NDT Testing and Condition Monitoring，2006，48（2）：90－93.

［13］Plau J M，Bendada A，Maldague X.Nondestructive inspection of open micro－cracks in thermally sprayed coatings using ultrasound excited vibrothermography［C］.Proc of SPIE，2007（6541）：654112.

［14］Castanedo C I，Genest M，Guibert S，et al.Comparative study of active thermography techniques for the nondestructive evaluation of honeycomb structures［J］.Research in NDE，2009，20（1）：1－31.

［15］繆鵬程，洪毅，張仲寧，等.紅外熱像儀在超聲紅外熱像技術中的應用［J］.激光與紅外，2003，33（2）：132－134.

［16］陳大鵬，張存林，李曉麗，等.超聲熱紅外技術在無損檢測領域中的應用［J］.激光與紅外，2008，38（8）：778－780.

［17］Han X，Loggins V，Zeng Z，et al.Mechanical model for the generation of acoustic chaos in sonic infrared imaging［J］.Appl Phys Lett，2004，85（8）：1332－1334.

［18］Han X，Islam Md S，Newaz G，et al.Finite element modeling of the heating of cracks during sonic infrared imaging［J］.Journal of Applied Physics，2006（99）：074905.

［19］Lu J，Han X，Newaz G，et al.Study of the effect of crack closure in sonic infrared imaging［J］.NDT＆E，2007，22（2）：127－135.

［20］Morbidini M，Cawley P.The detectability of cracks using sonic IR［J］.Journal of Applied Physics，2009（105）：093530.

［21］米小兵，張淑儀.超聲波引起固體微裂紋局部發熱的理論計算［J］.自然科學進展，2004，14（6）：628－634.

［22］Zheng K，Zhang H，Zhang S，et al.A dynamical model of subharmonic generation in ultrasonic infrared thermography［J］.Ultrasonics，2006，44：e1343－e1347.

［23］Chen Z，Zheng J，Zhang S，et al.Finite element modeling of heating phenomena of cracks excited by high－intensity ultrasonic pulses［J］.Chinese Physics B，2010，19（11）：118104.

［24］Holland S D，Renshaw J.Physics－based infrared image enhancement for thermography［J］.NDT＆E International，2010，43（5）：17－25.

［25］鄭凱，張淑儀，蔡士杰.超聲激發下缺陷紅外信號的識別［J］.無損檢測，2008，30（10）：757－759.

［26］馮輔周，張超省，袁建，等.超聲紅外熱波技術中裂紋的識別和重構［J］.無損檢測，2011，33（11）：17－20.