王寶定，吳俊偉，廖為圣，程中文，鄧 宇，張永康，曾呂明，紀(jì)軒榮

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 精密電子制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510006；2.廣州多浦樂(lè)電子科技股份有限公司，廣州 510700)

玻璃鋼具有輕質(zhì)高強(qiáng)、吸聲隔熱、介電常數(shù)低、易加工的特點(diǎn)，被廣泛地運(yùn)用于直升機(jī)的槳葉大梁、飛機(jī)的雷達(dá)罩和蒙皮、衛(wèi)星天線(xiàn)以及消音板和高溫管道等部件的制造中[1-3]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有層鋪結(jié)構(gòu)、各向異性以及非均質(zhì)性等的特點(diǎn)[4]，在多變、惡劣的服役環(huán)境中易受到持續(xù)性的沖擊[5]，容易產(chǎn)生分層、夾雜、減薄、孔洞與基體材料脫黏等各種類(lèi)型的缺陷。

材料內(nèi)部的初始微小缺陷通過(guò)外觀(guān)很難進(jìn)行判斷，因此，為了保證結(jié)構(gòu)服役時(shí)的安全穩(wěn)定，通常采用多種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)手段用來(lái)識(shí)別或評(píng)估玻璃鋼的損傷，如超聲C掃描[6]、紅外熱成像[7]、空耦超聲[8-9]等。其中，超聲C掃描[6]是復(fù)合材料檢測(cè)應(yīng)用面最廣且最有效的檢測(cè)手段，但是其需要使用接觸式的探頭和耦合劑，耦合劑的使用會(huì)對(duì)材料造成二次污染；紅外熱成像作為非接觸檢測(cè)技術(shù)，雖然能夠進(jìn)行大范圍的檢測(cè)，但由于玻璃鋼的低密度以及隔熱性，在檢測(cè)微小缺陷時(shí)存在較大局限性；空耦超聲作為一種低成本的非接觸檢測(cè)手段在玻璃鋼檢測(cè)中存在一定優(yōu)勢(shì)[10]，但空氣中高頻信號(hào)的快速衰減使得通常只能使用低頻探頭，這會(huì)導(dǎo)致靈敏度、空間分辨率和信噪比的急劇下降。

近年來(lái)，基于全光學(xué)的激光超聲檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率高、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，在新型復(fù)合材料的檢測(cè)中得到了廣泛運(yùn)用[11-16]。PANTANO等[17]通過(guò)有限元方法建立了激光超聲產(chǎn)生的超聲波從固體到空氣的傳播模型；CERNIGLIA等[18]利用空耦超聲探頭接收激光超聲激發(fā)的導(dǎo)波，對(duì)多層鋁結(jié)構(gòu)的脫黏缺陷進(jìn)行了檢測(cè)；BUSTAMANTE等[19-20]通過(guò)混合激光超聲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳纖維復(fù)合材料缺陷位置和大小的識(shí)別，并分別通過(guò)蘭姆波以及縱波對(duì)鋁板、鋼板、環(huán)氧樹(shù)脂板的楊氏模量和厚度進(jìn)行了測(cè)量；KENDERIAN等[21]通過(guò)混合激光超聲系統(tǒng)，對(duì)形狀復(fù)雜和有限曲面的零件上的裂紋進(jìn)行了檢測(cè)。以上混合激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要采用蘭姆波來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，但蘭姆波在面對(duì)具有各向異性的層鋪結(jié)構(gòu)的玻璃鋼時(shí)，存在信噪比低、頻散、多模態(tài)等問(wèn)題，會(huì)影響到缺陷識(shí)別的靈敏度，并且蘭姆波通常用于檢測(cè)厚度與其波長(zhǎng)接近的試樣。

針對(duì)以上問(wèn)題，文章采用450 kHz的低頻空耦超聲探頭接收激光超聲產(chǎn)生的縱波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了玻璃鋼內(nèi)部微小缺陷的低成本、高精度、非接觸檢測(cè)。通過(guò)分析激光的光斑大小以及探頭的接收距離對(duì)玻璃鋼中激發(fā)出的激光超聲信號(hào)的影響，確定了系統(tǒng)的最佳接收距離和光斑大小，并開(kāi)展了微小缺陷的非接觸混合激光超聲系統(tǒng)和接觸式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了混合系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

1 空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用調(diào)Q脈沖激光(型號(hào)為PD-1064-1-KD)來(lái)激發(fā)超聲波，激光波長(zhǎng)為1 064 nm，脈沖寬度為15 ns，脈沖能量為0～0.76 mJ(可調(diào))，脈沖激光光斑直徑為0.2 mm，重復(fù)頻率為0～100 kHz(可調(diào))。脈沖激光通過(guò)耦合器進(jìn)入單模光纖，經(jīng)透鏡組聚焦在玻璃鋼上產(chǎn)生激光超聲場(chǎng)，并采用自主研制的中心頻率為450 kHz的1-3型空耦超聲探頭放在試樣的背側(cè)，采用透射式接收激光超聲。采用基于LABVIEW的控制采集程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的控制以及超聲信號(hào)的采集。保持試樣不動(dòng)的情況下，通過(guò)控制電動(dòng)掃查平臺(tái)(型號(hào)為GCD-202100M)控制光斑和空耦超聲探頭以0.1 mm的步距進(jìn)行柵格掃描?？振畛曁筋^采集到的超聲信號(hào)依次通過(guò)54 dB低噪聲放大器、230 kHz高通濾波器、1.9 MHz低通濾波器，最后經(jīng)高精度數(shù)字示波器進(jìn)行采集。采用的基于空耦超聲探頭的混合激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于空耦超聲探頭的混合激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 空耦超聲探頭信號(hào)測(cè)試

采用基于1-3型壓電復(fù)合材料自主研制的450 kHz空耦超聲探頭，進(jìn)行玻璃鋼的混合激光超聲檢測(cè)，空耦超聲探頭信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？振畛曁筋^的孔徑為24 mm，-20 dB回波脈沖寬度為18 880 ns，相對(duì)回波靈敏度為-59.28 dB，脈沖回波響應(yīng)如圖2(a)所示，實(shí)測(cè)空耦超聲探頭的中心頻率為470 kHz，-6dB相對(duì)帶寬為35.8%。為研究探頭對(duì)于激光超聲信號(hào)的響應(yīng)，采用透射式的方式接收激光在玻璃鋼表面激發(fā)出的超聲信號(hào)，空耦超聲探頭接收到的激光超聲信號(hào)及其頻譜如圖2(b)所示，可以看出中心頻率為470 kHz，-6 dB相對(duì)帶寬為28.5%。

圖2 空耦超聲探頭信號(hào)測(cè)試結(jié)果

1.3 玻璃鋼對(duì)激光超聲信號(hào)的響應(yīng)

為提高檢測(cè)信噪比和精度，研究了玻璃鋼對(duì)于激光超聲信號(hào)的響應(yīng)，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。當(dāng)試驗(yàn)所采用的激光功率密度低于107W/mm時(shí)，主要為熱彈效應(yīng)激發(fā)的超聲波，此時(shí)材料產(chǎn)生的初始聲壓和激光功率密度呈正相關(guān)。由于脈沖激光聚焦點(diǎn)的離焦量會(huì)影響到超聲縱波信號(hào)的幅值[22]，為了達(dá)到最佳的透射波信號(hào)信噪比，筆者研究了玻璃鋼中激發(fā)的超聲信號(hào)幅值隨聚焦點(diǎn)的變化關(guān)系[見(jiàn)圖3(a)]。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚焦光斑處于焦平面即聚焦透鏡距離試樣為10 mm時(shí)，激光功率密度最大，此時(shí)激發(fā)出的縱波信號(hào)幅值最大。因此，試驗(yàn)透鏡和試樣之間的距離設(shè)置為10 mm。

空氣中的超聲信號(hào)衰減會(huì)影響到探頭接收信號(hào)的幅值。為了研究探頭的最佳接收距離，在保持聚焦距離不變的情況下，通過(guò)改變探頭距試樣的距離，記錄各距離下接收到的信號(hào)幅值。信號(hào)幅值隨接收距離變化的響應(yīng)如圖 3(b)所示。結(jié)果表明，隨著探頭距試樣距離的增加，信號(hào)幅值先增大，后減小，然后保持平穩(wěn)，最后再減小。分析得出其原因有以下幾方面：所用空耦超聲探頭孔徑為24 mm，其接收到的信號(hào)強(qiáng)度為孔徑上每一點(diǎn)的疊加，而波束具有指向性，使得探頭在近距離時(shí)只有部分幅面接收信號(hào)；隨著探頭與試樣間距離的增加，信號(hào)接收范圍逐漸覆蓋整個(gè)幅面，幅值最大時(shí)，探頭最佳接收距離為5 mm；但當(dāng)接收距離繼續(xù)增加，超聲信號(hào)在空氣中的衰減以及擴(kuò)散使得信號(hào)幅值逐漸下降。因此，為提高接收信號(hào)信噪比，試驗(yàn)中空耦超聲探頭和試樣之間的距離設(shè)置為5 mm。

圖3 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)激光超聲信號(hào)的響應(yīng)

2 激光超聲與相控陣檢測(cè)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證基于空耦超聲探頭的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)玻璃鋼微小缺陷的檢測(cè)能力，筆者開(kāi)展了對(duì)比試驗(yàn)。分別采用激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)和相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)同一試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。相控陣檢測(cè)系統(tǒng)采用DPL-SJCS-001型超聲水浸C掃描系統(tǒng)，搭載5L64-0.6×10探頭，晶元數(shù)為64，探頭中心頻率為5 MHz。為了保證探頭和試樣的耦合，將試樣放入水箱中，設(shè)置晶元虛擬孔徑為8(無(wú)量綱)，晶元步距為1(無(wú)量綱)，配合機(jī)械掃描完成試樣全幅面的掃描，采集到的信號(hào)采用10 dB增益。閥門(mén)閾值設(shè)置為34%，以消除鋪層界面產(chǎn)生的雜波造成影響。

試樣采用玻璃纖維布浸入環(huán)氧樹(shù)脂溶液形成玻璃纖維布浸漬料，將層厚為0.12 mm的玻璃纖維布浸漬料按照45°/-45°進(jìn)行層鋪，層壓板的鋪層數(shù)量為25層。試樣尺寸為200 mm×200 mm×3 mm(長(zhǎng)×寬×高)。為模擬材料不同形狀的缺陷，在試樣背部加工盲孔和凹槽，其中盲孔直徑和深度分別為2.0，2.5 mm，凹槽寬度和深度均為2 mm。

2.1 圓形盲孔缺陷對(duì)比分析

以0.5 mm深盲孔缺陷為對(duì)象進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果如圖4所示。5 MHz探頭的相控陣超聲C掃描圖像如圖4(a)所示，可看出相控陣超聲能夠準(zhǔn)確定位出缺陷位置，但是缺陷形狀發(fā)生了明顯的壓縮變形，在垂直方向上被壓縮。原因是相控陣超聲采用的是線(xiàn)陣相控陣探頭，在陣元寬度方向(步進(jìn)方向)上的聚焦聲束焦斑更小，分辨率更高，而在長(zhǎng)度方向上聲束焦斑更大，分辨率更低，聚焦聲場(chǎng)寬度和長(zhǎng)度方向上的不對(duì)稱(chēng)會(huì)導(dǎo)致缺陷的壓縮[25]。5 MHz相控陣S掃描圖像如圖4(c)所示，S掃圖像是探頭經(jīng)過(guò)延時(shí)和折射角矯正后，將一個(gè)截面范圍內(nèi)所有掃描點(diǎn)幅值和傳播時(shí)間關(guān)聯(lián)起來(lái)的斷面深度圖像，可以顯示出缺陷在深度方向上的信息。在檢測(cè)深度為0.5 mm的缺陷時(shí)，上表面波和缺陷的回波能被清晰辨別，但是缺陷波回波與上表面波相連，從而對(duì)缺陷的定量分析造成影響。

激光超聲C掃描成像結(jié)果如圖4(b)所示，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用幅值成像算法得到缺陷圖像。相比圖4(a)，采用空耦激光超聲檢測(cè)的結(jié)果與觀(guān)察到的相關(guān)區(qū)域的試樣結(jié)構(gòu)特征保持一致，缺陷的形狀未發(fā)生明顯變形，表明所搭建的系統(tǒng)相比相控陣超聲檢測(cè)具有更高的分辨率。圖4(d)為圖4(b)藍(lán)色虛線(xiàn)部分信號(hào)強(qiáng)度的表征，從圖4(d)可以看出，缺陷信號(hào)所對(duì)應(yīng)的缺陷直徑為1.9 mm，與實(shí)際缺陷2 mm的相對(duì)誤差為5%，存在一定差異的原因可能是因?yàn)椴牧系母飨虍愋栽斐傻募す獬曅盘?hào)的非對(duì)稱(chēng)性傳播和聲束傾斜與畸變[23]?？紤]到缺陷處的信號(hào)幅值上升的原因，一是缺陷處的厚度減薄影響到了空隙率和鋪層數(shù)量從而影響了反射和透射系數(shù)，二是聲波在無(wú)缺陷處的傳播路徑邊長(zhǎng)使得聲束擴(kuò)散造成了能量的衰減[24]。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于空耦超聲探頭的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確地檢測(cè)出了缺陷位置信息，缺陷形狀與相關(guān)區(qū)域的試樣特征基本保持一致，驗(yàn)證了所搭建系統(tǒng)對(duì)于玻璃鋼中微小缺陷的檢測(cè)能力。

圖4 0.5 mm深盲孔缺陷對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.2 凹槽缺陷對(duì)比分析

1 mm深凹槽缺陷對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由于鋪層界面的影響，相控陣S掃沒(méi)能抓取到底面回波，難以通過(guò)底波衰減來(lái)進(jìn)行相控陣C掃描成像，因此試驗(yàn)仍采用缺陷回波成像，凹槽缺陷的S掃描圖像如圖5(c)所示，可以看出缺陷與上表面的距離為1 mm。相控陣C掃描圖像如圖5(a)所示，可見(jiàn)人工缺陷在垂直步進(jìn)方向上未出現(xiàn)形狀變化，所以不受相控陣探頭聚焦聲場(chǎng)寬度和長(zhǎng)度方向上的不對(duì)稱(chēng)造成的影響。此外，相控陣C掃描結(jié)果在垂直方向上未出現(xiàn)失真，但在垂直步進(jìn)方向上的缺陷出現(xiàn)一定的扭曲，原因可能是材料的層鋪結(jié)構(gòu)使得缺陷處信號(hào)分布不均勻。激光超聲C掃描成像結(jié)果如圖5(b)所示，可見(jiàn)檢測(cè)結(jié)果與觀(guān)察到的相關(guān)區(qū)域的試樣結(jié)構(gòu)特征保持一致，相比相控陣超聲更好地再現(xiàn)了缺陷的大小、形狀和位置。

圖5 1 mm深凹槽缺陷對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

玻璃鋼的內(nèi)部編織結(jié)構(gòu)會(huì)造成超聲信號(hào)強(qiáng)度的波動(dòng)[26]，從而影響到激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用基于渡越時(shí)間的缺陷成像算法。因?yàn)椴牧现械穆曀俸涂諝庵械穆曀俨煌?，所以筆者設(shè)計(jì)的盲孔缺陷與正常部位的缺陷存在信號(hào)到達(dá)時(shí)間上的差異，基于該差異，可以對(duì)缺陷進(jìn)行成像?；诙稍綍r(shí)間的缺陷成像結(jié)果如圖5(d)所示，其為玻璃鋼的激光超聲檢測(cè)方法提供了一種新的缺陷成像算法。在表面編織結(jié)構(gòu)造成信號(hào)幅度呈周期性變化時(shí)，采用渡越時(shí)間來(lái)進(jìn)行缺陷檢測(cè)，相比于幅值成像，其優(yōu)勢(shì)在于可消除原始信號(hào)差異造成的幅值差異對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并且無(wú)需進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)玻璃鋼內(nèi)部缺陷的檢測(cè)難題，開(kāi)發(fā)了一套基于空耦超聲探頭的混合激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)確定了系統(tǒng)最佳參數(shù)，并對(duì)同一試樣進(jìn)行了5 MHz相控陣超聲檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)具有低成本、非接觸檢測(cè)、高信噪比、高分辨率等特點(diǎn)?；诘皖l空耦超聲探頭的激光超聲檢測(cè)技術(shù)有望成為玻璃鋼內(nèi)部缺陷檢測(cè)的新方式。未來(lái)可結(jié)合陣列式空耦超聲探頭，配合振鏡控制光束移動(dòng)完成玻璃鋼內(nèi)部缺陷的快速、低成本、大范圍檢測(cè)。