金屬表面裂紋脈沖壓縮增強型激光超聲檢測方法研究

韓 峰， 王春梅， 寇 興, 吳小雨， 裴翠祥

(1.南京航空航天大學 航空學院，南京 210016； 2.上海飛機設計研究院，上海 201210；3.西安交通大學 陜西省無損檢測與結構完整性評價工程中心 機械機構強度與振動國家重點實驗室，西安 710049)

表面裂紋作為金屬材料的典型缺陷之一，是復雜循環荷載作用下結構失效的主要原因之一，對其進行檢測具有重要意義。近年來，針對金屬表面裂紋缺陷，基于聲表面波的全非接觸超聲檢測方法越來越受到人們的關注，尤其是激光超聲檢測方法[1-6]。

激光超聲檢測是一種利用激光激發和接收超聲波信號的新型超聲檢測技術，它具有非接觸、遠距離、高分辨率、良好的可達性、可激發多模態超聲波等優點，同時適用于復雜形貌的工件或高溫等危險環境下的檢測。然而，由于激光超聲檢測過程中的靈敏度較差、且檢測信號的信噪比較低，仍需對其進行進一步的研究[3-9]。

脈沖壓縮技術是一種信號處理技術，其基本原理是在信號發射端通過發射不同頻率的脈沖串信號取代傳統的窄脈沖信號，從而增強信號的發射能量，在檢測端將接收到的寬頻脈沖串回波信號通過脈沖壓縮信號處理系統進行壓縮處理，轉換成窄脈沖、高分辨率信號，從而使信號具有更好的空間分辨率和更高的信噪比。目前脈沖壓縮技術已經被應用于超聲檢測中，例如周正干等[10]利用脈沖壓縮技術及其在超聲檢測中的實現，建立了空氣耦合超聲檢測系統，并驗證參數優化后脈沖壓縮在空氣耦合超聲檢測中的良好應用，然而在激光超聲檢測技術中還鮮有相關報道。

本文將脈沖壓縮技術與激光超聲相結合，針對金屬材料的表面裂紋缺陷，提出一種基于脈沖壓縮技術的新型增強型激光超聲無損檢測方法，可大幅度提高激光超聲檢測技術的信噪比和檢測精度，對解決現有激光超聲技術中的低靈敏度等問題具有重大意義。第1章基于脈沖壓縮技術的基本原理，提出了基于線性調頻脈沖壓縮增強激光超聲檢測方法；第2章基于有限元法開發了基于脈沖壓縮技術的新型增強型激光超聲數值計算模型，對檢測信號進行脈沖壓縮信號處理，并且通過對不同位置的表面裂紋缺陷進行脈沖壓縮處理，研究了該方法的檢測能力；第3章，搭建了脈沖壓縮激光超聲檢測試驗系統，驗證了該方法對于激光超聲檢測信號信噪比的增強能力。最后在第4章進行了本文的總結和展望。

1 脈沖壓縮激光超聲檢測方法

新型脈沖壓縮增強激光超聲檢測試驗系統及方法如圖1所示。如圖1(a)所示，該檢測系統由脈沖激光器、光學掩模板，激光干涉儀、二向色鏡、示波器、掃描平臺和控制電腦等構成。與傳統激光超聲檢測不同的是，由脈沖激光器發出的激光束沒有通過聚焦透鏡聚焦到被測試件上，而是通過一光學掩模板在試件表面形成寬度漸變的激光條紋，從而在試件表面激發脈沖寬度(頻率)連續變化的激光超聲表面波脈沖串信號。基于脈沖壓縮基本原理[11-12]，如圖1(b)所示，首先在激勵激光附近采集激光超聲表面波脈沖串信號(直達表面波)作為參考信號波形，將后續檢測信號與其進行互相關處理獲得增強的脈沖壓縮信號。該方法與傳統基于聚焦激光激勵的激光超聲檢測方法的好處在于，由于其使用非聚焦激光束，即使使用更大能量脈沖激光進行激發也不會對試件表面產生熱燒蝕，同時獲得更大的激光超聲信號強度。

(a) 檢測系統示意圖

(b) 脈沖壓縮信號處理方法圖1 脈沖壓縮增強激光超聲檢測系統及方法示意圖Fig.1 The laser ultrasonic testing method with pulsed compression

2 脈沖壓縮激光超聲檢測數值模擬

2.1 脈沖壓縮激光超聲檢測有限元模型

基于有限元方法建立空間調制激光超聲數值計算模型，如圖2所示。左右兩側邊界及底部邊界設置為吸收邊界(AB)，從而避免模型中人工邊界引起的波反射，來模擬半無限大模型。吸收邊界條件的細節在參考文獻[13]中已詳細給出。為了節約計算量，在激光作用區域進行局部的網格加密處理，在遠離激光作用區域網格劃分較為稀疏。

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical model

模型尺寸為20 mm×3 mm，設置一個表面裂紋缺陷，寬度設為0.05 mm，深度為d=0.30 mm，裂紋左端距離模型最左端為x1=3.85 mm。激光光斑寬度設為4 mm。檢測點設在激勵光斑的中心位置，即與激勵源重合。材料設置為鋁，具體參數如表1所示。其中，k為熱導率，c為比熱容，ρ為密度，λ和μ是拉梅常數，α為熱膨脹系數，γ為阻尼，A為介質對光的吸收率。時間步長設置為0.5 ns，計算總時長為4.5 μs。

表1 材料參數Tab.1 Material parameter

激光源加載時，設置模型上表面熱通量為

q=I0·f(x)·g(t)

(1)

式中：I0表示入射脈沖激光的峰值功率密度；f(x)表示脈沖激光源的能量在空間上的分布圖案，如圖3(a)所示；g(t)表示時間分布圖案，如圖3(b)所示。

(a) 空間分布函數

(b) 時間分布函數圖3 脈沖激光能量分布Fig.3 The energy distribution of pulsed laser

空間分布函數為

(2)

式中，0<40x

時間分布函數g(t)為

(3)

式中，pwt為脈沖寬度，設為10 ns。

當脈沖激光照射在材料表面，被吸收的光能熱彈性地激發出超聲表面波。圖4為不同時刻的超聲場分布圖。超聲遇到缺陷后，聲波發生反射、透射等變化，從而檢測缺陷。在激勵光源中點處設置檢測點，得到的檢測信號如圖5所示。

圖4 不同時刻的聲場圖Fig.4 The ultrasonic field at different given time

圖5 數值模擬的檢測信號Fig.5 The received signal in the simulation model

2.2 脈沖壓縮信號處理

脈沖壓縮是通過匹配濾波器將回波和參考波形進行相關處理，在到達脈沖壓縮的目的同時，提高信噪比。信噪比SNR可定義為

(4)

根據匹配濾波器的原理，若想獲得最大信噪比，匹配濾波器的參考波形應取輸入信號的共軛函數。本文中選取在無缺陷情況下，遠離激光源的信號檢測點位置處回波信號為參考信號sr(t)，如圖6所示。

圖6 參考信號圖Fig.6 The reference signal

回波信號為sx(t)，脈沖壓縮后信號為sc(t)

(5)

通過MATLAB軟件進行編程，對數值模擬得到的回波信號(如圖5所示)添加1%的白噪聲，得到帶噪的回波信號，可將帶噪的回波信號與參考波形進行脈沖壓縮，脈沖壓縮前后波形圖分別如圖7(a)和(b)所示。

(a) 加噪聲后的信號

由圖7可知，脈沖壓縮使得缺陷信號更易識別，信噪比得到了有效的提高，通過計算可知脈沖壓縮后信號信噪比提高了10.11 dB；脈沖壓縮后信號對于缺陷的位置分辨能力也得到明顯的提高。

在實際情況下，穩定輸出的激光束為高斯分布。為使激勵信號與實際情況相符，將上述圖3(a)中的激光空間分布函數通過加高斯窗轉換成高斯分布的激光源，從而進行脈沖壓縮激光超聲數值模擬與信號處理。考慮高斯窗的激光源空間分布函數如圖8所示，圖中的虛線為添加的高斯窗。

圖8 加高斯窗后的空間分布函數Fig.8 The spatial distribution function with Gaussian window

分析加高斯窗前后的原始檢測信號(未加噪聲)差異與脈沖壓縮后的信號差異，如圖9所示。根據圖9(a)可知，加高斯窗后檢測信號中缺陷信號變弱，但脈沖壓縮后仍能較好的分辨缺陷信息；相比未加窗的信號，在圖9(b)中可知脈沖壓縮后的最大幅值由0.041 4降至0.013 4，脈沖壓縮效果變弱，但缺陷最大振幅對應時刻相同。這表明脈沖壓縮技術具有良好的距離分辨能力。加窗后幅值雖然減小了，但信號旁瓣減小了，可以提高檢測分辨率。

(a) 原始檢測信號對比

(b) 脈沖壓縮后信號對比圖9 加高斯窗前后原始檢測信號及脈沖壓縮后信號對比Fig.9 The received signal without and with Gaussian window

2.3 不同位置的表面裂紋缺陷脈沖壓縮效果分析

對距離檢測點不同位置的缺陷進行脈沖壓縮處理分析。裂紋深度為d設為0.30 mm，x1分別設為3.85 mm，3.90 mm，3.95 mm，4.00 mm，4.05 mm。圖10為不同位置的缺陷在加白噪聲1%的情況下脈沖壓縮后的波形圖。

圖10 不同位置的表面裂紋缺陷脈沖壓縮后的信號Fig.10 The signal of surface crack with different location

圖10中放大的部分為缺陷信號。從上圖可以看出，隨著x1的增加，脈沖壓縮后信號最大振幅所對應的時間t1也在增加，因此繪制缺陷位置-缺陷信號的最大振幅對應的時刻圖，如圖11所示。從圖中可以看出，隨著距離的增加，最大振幅對應的時刻也出現了線性增加。根據兩者的線性關系可見，缺陷檢測的距離分辨率很好，脈沖壓縮技術能夠極大地提高檢測精度，通過脈沖壓縮能較為精確的得到缺陷所在位置。

圖11 缺陷位置-缺陷信號對應的最大振幅時刻圖Fig.11 Crack location vs. the time of maximum amplitude

3 試驗驗證

3.1 試驗系統搭建

圖12為實驗室中搭建的脈沖壓縮激光超聲檢測系統的示意圖。脈沖激光器產生一束脈寬為10 ns、波長為1 064 nm、能量約為20 mJ的脈沖激光，激光束通過光學掩模板在試樣表面產生具有線性調頻分布的激光源。激光束的直徑約為4 mm。當光斑尺寸和周期個數固定時，分布非均勻性1/k越高，檢測信號和參考信號進行互相關后的脈沖壓縮信號信噪比將會越高，因此脈沖壓縮的效果也將提高，缺陷檢測能力越高。為了避免光斑不能經過光柵，光柵總寬度應小于原始激光束的直徑，又考慮到加工技術的限制，本試驗最終采用的掩模版參數為：光柵總寬度為3.5 mm、光柵個數為n=5、非均勻度1/k=1.667，如圖12(b)所示。為了和套筒匹配，掩模版的外徑為25.4 mm、厚度為0.2 mm。

(a) 試驗系統圖

(b) 光學掩模版的設計圖12 脈沖壓縮激光超聲檢測試驗系統Fig.12 The setup of the test system

采用基于雙波混頻原理的激光干涉儀(帶寬為200 MHz)測量超聲產生的表面位移。激光干涉儀產生的波長為532 nm的檢測激光被一個二向色鏡反射，并聚焦到試樣表面的一點上。利用示波器的信號平均模式(平均次數為16次)記錄干涉儀檢測到的超聲信號。控制計算機用來采集和處理示波器得到的數據。選取具有表面裂紋的鋁塊進行試驗系統測試。裂紋長度為10 mm，深度為2 mm。

3.2 試驗信號分析

首先采集無缺陷位置處的信號作為參考信號，激光入射點和檢測點間隔一定距離，如圖13(a)所示。將數值模擬的參考波形與試驗測得的參考波形的時域圖進行對比，如圖14所示。由于參考信號的起始時間不影響脈沖壓縮結果，所以此處都以0時刻作為起始時刻進行對比。從圖中可以看出，通過該脈沖壓縮激光超聲檢測試驗系統可以調制出與數值模擬中分布類似的線性調頻激勵源，進而證明光學掩模版可以用來調制激勵信號的空間分布。

(a) 參考信號的檢測

(b) 缺陷信號的檢測圖13 試驗設置Fig.13 The setup of the test

圖14 模擬和試驗的參考信號比較Fig.14 The reference signal in simulation and test

激光激勵位置點與探測點位置重合，對表面裂紋缺陷進行檢測，如圖13(b)所示，入射點和檢測點和裂紋的距離約為6 mm。將采集到的檢測信號與參考信號進行脈沖壓縮處理，處理前后的對比圖如圖15所示。通過計算可知脈沖壓縮后信號信噪比提高了3.22 dB。經過脈沖壓縮之后，信號的噪聲被抑制，信噪比在一定程度上得到提高，缺陷位置很容易分辨，進而驗證了該試驗系統對激光超聲信號信噪比的增強能力。

圖15 脈沖壓縮前后的試驗檢測信號Fig.15 The detection signal before and after pulsed compression

4 結 論

本文將脈沖壓縮技術與激光超聲相結合，針對金屬材料表面裂紋缺陷的檢測問題，提出一種基于脈沖壓縮技術的新型增強型激光超聲無損檢測方法，可大幅度提高激光超聲檢測技術的信噪比和檢測精度，克服常規激光超聲無損檢測存在的局限性。

首先，建立空間調制激光超聲數值計算模型，研究線性調頻激光超聲信號激勵方法；然后，基于數值模擬獲得的線性調頻激光超聲檢測信號，開發基于匹配濾波器的激光超聲脈沖壓縮信號處理方法，并且通過對不同位置的表面裂紋缺陷進行脈沖壓縮處理，研究了該方法的檢測精度；最后通過搭建的試驗系統驗證了該方法對于激光超聲檢測信號信噪比的增強能力。結論表明：基于脈沖壓縮技術的增強型激光超聲檢測方法，可以大幅度抑制噪聲信號，提高表面裂紋缺陷的檢測能力，解決激光超聲無損檢測信噪比低，靈敏度差的問題，也為該方法的進一步研究提供理論依據和試驗指導。