激光超聲實驗系統及其應用

方奔　戰宇　陳春明

摘 要：現代工業的跨越式發展給無損檢測與評價技術提出了更高的要求，傳統的檢測技術在新材料及復雜環境下質量評價方面存在難以解決的問題。激光超聲技術作為一種新興的檢測技術以其諸多優點，在工業生產檢測中備受關注。本文闡述激光超聲檢測技術的基本原理與方法，概述相關的研究成果與工業應用，討論激光超聲檢測技術的應用前景與發展潛力。研究結果表明，激光超聲技術具有顯著的技術優勢，可以適應苛刻的條件限制與特殊的環境要求，解決極為復雜的實際問題，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：激光超聲 無損檢測 殘余應力檢測

中圖分類號：TN247 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0106-03

隨著現代工業和科學技術的發展，無損檢測技術在設備和裝備的運行、產品質量的保證、降低成本、提高生產率等領域發揮著越來越大的作用。傳統無損檢測方法諸如X射線法、磁粉法、渦流法、滲透法等在放射性、有毒性、高溫、高壓等惡劣環境下應用具有一定的局限性，嚴重地限制了其在工業領域的廣泛應用[1]。激光超聲技術作為一種先進的無損檢測方式，它既克服了傳統光測技術的非穿透性，又克服了傳統超聲技術的要求接觸檢測的弊端，能夠實現對試件進行高精度、無損傷、非接觸的檢測，同時不受構件形狀及惡劣環境等因素的影響，可以做到真正意義上的隨形、原位、綠色檢測[2]。激光超聲方法有點突出，首先，能夠實現與被檢測材料表面非接觸式的激發超聲信號，即在材料表面無需添加任何耦合劑，可以避免耦合劑對檢測精度的影響以及對材料表面產生污染或破壞；其次，可實現在一些絕緣體、陶瓷及有機材料中激發不同模式的超聲波。而傳統的壓電超聲技術中一種換能器只能在材料表面產生一種超聲信號；最后，對被檢材料表面的要求較低，對一些材料表面粗糙、形狀復雜的試件以及焊縫根部，可以實現較好的缺陷檢測。

本文對激光超聲技術做了系統的總結，針對激光誘導超聲的機理以及激發系統做了詳細的闡述，闡明了不同接收系統的原理及特點，為超聲信號的高精度檢測提供參考依據，討論了激光超聲系統在裂紋檢測、彈性常數測量、殘余應力表征等領域的應用以及需解決的關鍵科學問題。本文的研究對于激光超聲實驗系統的改進與優化以及拓展激光超聲技術在先進工業領域的應用具有重要意義。

1 激光超聲實驗系統及其原理

1.1 激光超聲實驗系統

激光超聲是通過脈沖激光與物體的相互作用在物體內部及表面產生多模態超聲波，通過檢測和分析超聲信號反演材料固有的物理屬性及幾何特征的一門新興的交叉學科。激光超聲系統集聲學、光學、電學、機械、計算機等多學科于一身，主要由4部分組成，即超聲波的產生部分、超聲波的接收部分、接收信號的處理和顯示部分與機械運動的控制和執行部分。

產生超聲波的部分主要是大功率激光器，一般使用脈沖激光器。目前主要有：（1）Nd：YAG激光器。該激光器產生的激光波長是1064nm，激光器的典型參數為能量300mJ，脈寬5ns，激光光斑直徑為6.5mm，Nd：YAG激光器具有量子效率高、受激輻射界面大的優點，應用上與金屬耦合效率高，但其能量轉化率較低，在實際應用中經常選用Nd：YAG激光器。（2）二氧化碳激光器。該激光器產生的激光波長是10600nm，激光脈沖的持續時間為70ns左右，根據制造需要，二氧化碳激光束的形狀可以是長方形的，激光光斑直接大約為5nm，二氧化碳激光器除了具有一般氣體激光器的高度相干性和頻率穩定性的特點，還可以達到較高的能量轉化率，檢測非金屬材料包括復合材料，脈沖氣體激光器的激光激光波長較長，具有一些優勢。（3）XeCI激光器。該激光器產生的激光波長是308nm，脈寬5ns，其與二氧化碳激光器有相似的光束形狀，光斑直接大約為3nm，由于“準分子”壽命極短，在共振腔內往復次數少，缺乏共振，因此光束指向性差，發散角一般為2～10毫弧度。

接收超聲波的部分主要是激光器和激光干涉儀。通常使用的連續激光器有倍頻的Nd：YAG半導體激光器（波長532nm，綠光）、紅寶石固體激光器（波長694.3nm，紅光）、氦氖氣體激光器（波長632.8nm，紅光）。氦氖激光器是使用時間最早、技術最成熟、應用最為廣泛的激光器之一，因其極大的相干長度、激光不受溫度波動影響、激光輸出具有良好的準直性、使用壽命比較長等特點，在材料檢測具有廣泛的應用。而激光干涉儀的組成包含復雜的光路系統，分為單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀兩種，因其高強度、高度方向性、空間同調性、窄帶寬和高度單色性等優點在高精度測量中具有極大的使用價值。

接收信號的處理和顯示部分主要是鑒頻器、信號采集與處理系統、信號傳輸、信號存儲、信號顯示等以及相應的軟件，眾多功能集成在一臺計算機中。機械運動的控制和執行部分包括計算機的控制軟件和機械掃描的執行機構等外圍設備。

1.2 激光超聲實驗系統原理

1.2.1 激光激發超聲的機理

利用激光產生超聲波主要有以下兩種方式。

第一種方式叫作熱彈機制激發超聲，當一束脈沖激光入射到固體表面時，由于其極高的能量密度，部分激光能量被固體吸收并轉化為熱能，使得材料局部受熱迅速膨脹，由于周圍材料的約束，這個作用區域就形成一個高頻振動源，其產生的超聲波在材料內部傳播。這種方式所加載的能量不足以融蝕材料，不會破壞材料表面，在無損檢測領域具有很重要的研究意義。

第二種方式叫作融蝕機制激發超聲。融蝕激發的原理和熱彈性激發的原理一樣，都是通過激光入射材料表面產生超聲波。不同的是這種方式使用的激光能量過高，材料表面被融蝕汽化。材料表面的汽化會給材料一個法向的沖力，形成一個法向脈沖力源，導致在物體內部產生應力波。

1.2.2 激光接收超聲的機理

激光接收超聲，是連續或脈寬足夠長的激光入射樣品表面，散射或者反射的光攜帶了超聲信息，再由干涉型或非干涉型的光學接收器收集后進行信號解調分析。在激光超聲技術中，最常用的是基于光學干涉技術的光學測振技術。

光學測振的原理是：物體表面的機械振動會使散射光產生多普勒頻移，機械振動的位移和速度等物理量被調制到多普勒頻移中；利用光學干涉技術可以把光的多普勒頻移除以差頻的方式轉換成為光強變化的頻率，應用鑒頻技術可以將頻率拾撿出來，從而獲得物體表面的機械振動狀況。

2 激光超聲技術的發展

工程應用方面，1963年，R.M.White發現激光超聲現象。自20世紀80年代，美國學者開始研究將激光超聲應用于無損檢測，1998年，為了配合美國軍方聯合攻擊機JSF的競爭，洛馬公司建造了第一套激光超聲系統（LUS）；2000年和2004年，又分別為F22和F35戰機建造了第二套和第三套激光超聲系統，該系統實現了傳統水浸超聲檢測系統無法實現的超大尺寸復雜形狀構建的非接觸式快速測量；TECNAR公司研制出了商業化的激光超聲檢測系統，用于航空復合材料構件的檢測與評價；Bossa Nova Tech公司研制出適用于多種材料檢測與評價的激光超聲系統。

科學研究方面，S.G.Pierce等研究了碳/玻璃纖維增強復合材料的光致寬帶蘭姆波測量方法；S.Guilbaud等通過激光激發、探測聲波的方式，研究了C-PMR15復合材料剛度隨溫度的變化特征；J.C.Adamowski等利用具有聚偏氟乙稀（PVDF）80mm孔徑薄膜的接受器，用激光超聲的方法測量了復合材料的楊氏模量，且誤差在1%以內；S.K. Rathore等應用名為C-ART的新造影技術，結合激光超聲的實驗及理論數據，求出了復合材料的彈性常量。

國內對激光超聲的研究起步較晚，始于20世紀90年代末。國立臺灣大學的T.-T.Wu教授使用傳統超聲法激發體波和激光激發板波（Lamb波）相結合的方法測量了一塊各向異性薄板的彈性參數，同時利用反演算法，通過測量表面波波速得到了一塊環氧樹脂粘結的分層樣品的層厚度以及彈性參數[3]；同濟大學錢夢騄等進行了激光超聲產生機理研究并建立了理論模型[4]；南京大學張淑儀對凝聚態物質（液體和固體）中多種模式的超聲波傳播規律進行了較深入細致的實驗和理論研究[5]。南京理工大學沈中華研究了點光源和線光源激勵表面波的數值模擬方法；北京航空航天大學周正干研究了復合材料層壓板鉆孔分層激光超聲檢測方法[6]。

總體而言，國外經過50多年的發展，已經將激光超聲技術成熟應用于工業發展，形成科學研究與工業應用同步進行、相互促進的發展方式；國內經過20年左右的發展，在激光超聲技術方面取得了一定的成績，但是從科學研究到工業應用的發展，與國際先進水平仍有一定的差距。

3 激光超聲系統的應用

3.1 裂紋、脫粘等缺陷的檢測

利用激光作為超聲激發＼探測源來探測缺陷，在具備超聲波法無損、可側任何深度的缺陷分布的優點以外，還可發揮激光易掃描、空間分辨率高等優點。按照檢測原理，可將激光超聲檢測基本方法分為脈沖反射法和穿透法兩類[7]。脈沖回波法主要是靠監測由裂紋反射的超聲信號來實現對裂紋的檢測；穿透法主要靠監測由裂紋透射的超聲信號來實現對裂紋的檢測。激光超聲技術對裂紋的位置、尺寸等測量難點在于如何處置超聲波在傳遞過程中產生反射衍射現象模態轉變時，在復雜的超聲信號中提取出準確的裂紋信息。

3.2 材料彈性常數的測量

若已知材料的幾何尺寸，則可測量超聲波波速，從而進一步推導出材料的彈性常數[8]。常用的彈性常數聲學測量方法是脈沖回波法。該測量方法的誤差主要來源于測量縱波、橫波、Rayleigh波速度的誤差，主要難點在于如何確定各向異性材料波速與材料力學常數之間的本構關系。

3.3 材料殘余應力的測量

利用激光超聲技術測量材料殘余應力技術主要包括以下幾種：聲雙折射法、表面波法、反射縱波法等。檢測材料殘余應力難點在于：（1）聲彈性常數的確定。材料的力學性質（尤其是新型材料，比如功能梯度材料）對于工程設計具有很大的影響，材料的彈性常數更是表征其力學性質的基本參數。材料的二階、三階彈性系數是波速與應力關系系數——材料聲彈性系數的組成部分，因此對其的精確檢測也是聲彈性檢測不可忽略的。（2）復雜應力狀態下的應力表征問題以及應力主方向的確定。構件或材料被研究區域應力狀態為非均勻（存在應力梯度）、雙軸和三軸應力狀態，其應力隨著被測位置、方向的變化而發生變化，從而增加了準確定性、定量表征應力的測量難度。目前針對復雜應力狀態的激光超聲測量技術與系統仍處于實驗室測試階段，并未真正應用于工程測量中[9]。

3.4 其他領域

激光超聲憑借其極大的技術優勢可以做到真正意義上的隨形、原位、綠色檢測，在其他領域亦有很重要的應用空間，如薄膜力學性質表征[10]、晶粒尺寸的測量、材料發生相變過程的監測。可以展望，激光超聲由于其非接觸、高精度、無損傷的檢測特點，未來將在先進工業領域不斷擴寬。

4 結論

（1）現代工業的跨越式發展給無損檢測與評價技術提出了更高的要求，傳統的檢測技術在新材料及復雜環境下質量評價方面存在難以解決的問題。（2）本文對激光超聲技術做了系統的總結，針對激光誘導超聲的機理以及激發系統做了詳細的闡述，闡明了不同接收系統的原理及特點，為超聲信號的高精度檢測提供參考依據，討論了激光超聲系統在裂紋檢測、彈性常數測量、殘余應力表征等領域的應用以及需解決的關鍵科學問題。（3）研究結果表明，激光超聲技術具有顯著的技術優勢，可以適應苛刻的條件限制與特殊的環境要求，解決極為復雜的實際問題，具有廣闊的應用前景。本文的研究對于激光超聲實驗系統的改進與優化以及拓展激光超聲技術在先進工業領域的應用具有重要意義。

參考文獻

[1] 周正干，孫廣開，李征，等.鉆孔分層激光超聲檢測方法[J].機械工程學報，2013，22（1）：29-33.

[2] 章肖融.用激光超聲評估復合材料[J].應用聲學，2000，19（5）：1-9.

[3] T.T.Wu，Y.H.Liu.Inverse determinations of thickness and elastic properties of a bonding layer using laser-generated surface waves[J].Ultrasonics，1999（37）：23-30.

[4] 錢夢騄，張萬春，吳田成，等.激光熱彈激發超聲脈沖的特性研究[J].聲學學報，1995，20（1）：1-10.

[5] 孫宏祥，張淑儀.激光激發瑞利波檢測表面傾斜缺陷的研究[J].聲學學報，2013，38（4）：405-412.

[6] 沈中華，關鍵飛，陸建，等.激光熱彈激發超聲的有限元數值模擬[J].聲學技術，2005，24（1）：9-10.

[7] 李加，倪辰蔭，張宏超.基于激光輔助加熱的激光超聲投捕法識別微裂紋[J].中國激光，2013，40（4）：206-212.

[8] 董利明，倪辰蔭，沈中華，等.基于激光激發多模態超聲波速測量的材料彈性常數測定[J].中國激光，2011，38（4）：203-207.

[9] 潘永東，錢夢騄，徐衛疆，等.激光超聲檢測鋁合金材料的殘余應力分布[J].聲學學報，2004（4）：254-257.

[10]沈中華，張淑儀.薄膜—基片中的激光超聲研究[J].聲學學，2002，27（2）：203-208.