激光超声实验系统及其应用

方奔　战宇　陈春明

摘 要：现代工业的跨越式发展给无损检测与评价技术提出了更高的要求，传统的检测技术在新材料及复杂环境下质量评价方面存在难以解决的问题。激光超声技术作为一种新兴的检测技术以其诸多优点，在工业生产检测中备受关注。本文阐述激光超声检测技术的基本原理与方法，概述相关的研究成果与工业应用，讨论激光超声检测技术的应用前景与发展潜力。研究结果表明，激光超声技术具有显著的技术优势，可以适应苛刻的条件限制与特殊的环境要求，解决极为复杂的实际问题，具有广阔的应用前景。

关键词：激光超声 无损检测 残余应力检测

中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（c）-0106-03

随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、降低成本、提高生产率等领域发挥着越来越大的作用。传统无损检测方法诸如X射线法、磁粉法、涡流法、渗透法等在放射性、有毒性、高温、高压等恶劣环境下应用具有一定的局限性，严重地限制了其在工业领域的广泛应用[1]。激光超声技术作为一种先进的无损检测方式，它既克服了传统光测技术的非穿透性，又克服了传统超声技术的要求接触检测的弊端，能够实现对试件进行高精度、无损伤、非接触的检测，同时不受构件形状及恶劣环境等因素的影响，可以做到真正意义上的随形、原位、绿色检测[2]。激光超声方法有点突出，首先，能够实现与被检测材料表面非接触式的激发超声信号，即在材料表面无需添加任何耦合剂，可以避免耦合剂对检测精度的影响以及对材料表面产生污染或破坏；其次，可实现在一些绝缘体、陶瓷及有机材料中激发不同模式的超声波。而传统的压电超声技术中一种换能器只能在材料表面产生一种超声信号；最后，对被检材料表面的要求较低，对一些材料表面粗糙、形状复杂的试件以及焊缝根部，可以实现较好的缺陷检测。

本文对激光超声技术做了系统的总结，针对激光诱导超声的机理以及激发系统做了详细的阐述，阐明了不同接收系统的原理及特点，为超声信号的高精度检测提供参考依据，讨论了激光超声系统在裂纹检测、弹性常数测量、残余应力表征等领域的应用以及需解决的关键科学问题。本文的研究对于激光超声实验系统的改进与优化以及拓展激光超声技术在先进工业领域的应用具有重要意义。

1 激光超声实验系统及其原理

1.1 激光超声实验系统

激光超声是通过脉冲激光与物体的相互作用在物体内部及表面产生多模态超声波，通过检测和分析超声信号反演材料固有的物理属性及几何特征的一门新兴的交叉学科。激光超声系统集声学、光学、电学、机械、计算机等多学科于一身，主要由4部分组成，即超声波的产生部分、超声波的接收部分、接收信号的处理和顯示部分与机械运动的控制和执行部分。

产生超声波的部分主要是大功率激光器，一般使用脉冲激光器。目前主要有：（1）Nd：YAG激光器。该激光器产生的激光波长是1064nm，激光器的典型参数为能量300mJ，脉宽5ns，激光光斑直径为6.5mm，Nd：YAG激光器具有量子效率高、受激辐射界面大的优点，应用上与金属耦合效率高，但其能量转化率较低，在实际应用中经常选用Nd：YAG激光器。（2）二氧化碳激光器。该激光器产生的激光波长是10600nm，激光脉冲的持续时间为70ns左右，根据制造需要，二氧化碳激光束的形状可以是长方形的，激光光斑直接大约为5nm，二氧化碳激光器除了具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点，还可以达到较高的能量转化率，检测非金属材料包括复合材料，脉冲气体激光器的激光激光波长较长，具有一些优势。（3）XeCI激光器。该激光器产生的激光波长是308nm，脉宽5ns，其与二氧化碳激光器有相似的光束形状，光斑直接大约为3nm，由于“准分子”寿命极短，在共振腔内往复次数少，缺乏共振，因此光束指向性差，发散角一般为2～10毫弧度。

接收超声波的部分主要是激光器和激光干涉仪。通常使用的连续激光器有倍频的Nd：YAG半导体激光器（波长532nm，绿光）、红宝石固体激光器（波长694.3nm，红光）、氦氖气体激光器（波长632.8nm，红光）。氦氖激光器是使用时间最早、技术最成熟、应用最为广泛的激光器之一，因其极大的相干长度、激光不受温度波动影响、激光输出具有良好的准直性、使用寿命比较长等特点，在材料检测具有广泛的应用。而激光干涉仪的组成包含复杂的光路系统，分为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪两种，因其高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点在高精度测量中具有极大的使用价值。

接收信号的处理和显示部分主要是鉴频器、信号采集与处理系统、信号传输、信号存储、信号显示等以及相应的软件，众多功能集成在一台计算机中。机械运动的控制和执行部分包括计算机的控制软件和机械扫描的执行机构等外围设备。

1.2 激光超声实验系统原理

1.2.1 激光激发超声的机理

利用激光产生超声波主要有以下两种方式。

第一种方式叫作热弹机制激发超声，当一束脉冲激光入射到固体表面时，由于其极高的能量密度，部分激光能量被固体吸收并转化为热能，使得材料局部受热迅速膨胀，由于周围材料的约束，这个作用区域就形成一个高频振动源，其产生的超声波在材料内部传播。这种方式所加载的能量不足以融蚀材料，不会破坏材料表面，在无损检测领域具有很重要的研究意义。

第二种方式叫作融蚀机制激发超声。融蚀激发的原理和热弹性激发的原理一样，都是通过激光入射材料表面产生超声波。不同的是这种方式使用的激光能量过高，材料表面被融蚀汽化。材料表面的汽化会给材料一个法向的冲力，形成一个法向脉冲力源，导致在物体内部产生应力波。

1.2.2 激光接收超声的机理

激光接收超声，是连续或脉宽足够长的激光入射样品表面，散射或者反射的光携带了超声信息，再由干涉型或非干涉型的光学接收器收集后进行信号解调分析。在激光超声技术中，最常用的是基于光学干涉技术的光学测振技术。

光学测振的原理是：物体表面的机械振动会使散射光产生多普勒频移，机械振动的位移和速度等物理量被调制到多普勒频移中；利用光学干涉技术可以把光的多普勒频移除以差频的方式转换成为光强变化的频率，应用鉴频技术可以将频率拾捡出来，从而获得物体表面的机械振动状况。

2 激光超声技术的发展

工程应用方面，1963年，R.M.White发现激光超声现象。自20世纪80年代，美国学者开始研究将激光超声应用于无损检测，1998年，为了配合美国军方联合攻击机JSF的竞争，洛马公司建造了第一套激光超声系统（LUS）；2000年和2004年，又分别为F22和F35战机建造了第二套和第三套激光超声系统，该系统实现了传统水浸超声检测系统无法实现的超大尺寸复杂形状构建的非接触式快速测量；TECNAR公司研制出了商业化的激光超声检测系统，用于航空复合材料构件的检测与评价；Bossa Nova Tech公司研制出适用于多种材料检测与评价的激光超声系统。

科学研究方面，S.G.Pierce等研究了碳/玻璃纤维增强复合材料的光致宽带兰姆波测量方法；S.Guilbaud等通过激光激发、探测声波的方式，研究了C-PMR15复合材料刚度随温度的变化特征；J.C.Adamowski等利用具有聚偏氟乙稀（PVDF）80mm孔径薄膜的接受器，用激光超声的方法测量了复合材料的杨氏模量，且误差在1%以内；S.K. Rathore等应用名为C-ART的新造影技术，结合激光超声的实验及理论数据，求出了复合材料的弹性常量。

国内对激光超声的研究起步较晚，始于20世纪90年代末。国立台湾大学的T.-T.Wu教授使用传统超声法激发体波和激光激发板波（Lamb波）相结合的方法测量了一块各向异性薄板的弹性参数，同时利用反演算法，通过测量表面波波速得到了一块环氧树脂粘结的分层样品的层厚度以及弹性参数[3]；同济大学钱梦騄等进行了激光超声产生机理研究并建立了理论模型[4]；南京大学张淑仪对凝聚态物质（液体和固体）中多种模式的超声波传播规律进行了较深入细致的实验和理论研究[5]。南京理工大学沈中华研究了点光源和线光源激励表面波的数值模拟方法；北京航空航天大学周正干研究了复合材料层压板钻孔分层激光超声检测方法[6]。

总体而言，国外经过50多年的发展，已经将激光超声技术成熟应用于工业发展，形成科学研究与工业应用同步进行、相互促进的发展方式；国内经过20年左右的发展，在激光超声技术方面取得了一定的成绩，但是从科学研究到工业应用的发展，与国际先进水平仍有一定的差距。

3 激光超声系统的应用

3.1 裂纹、脱粘等缺陷的检测

利用激光作为超声激发＼探测源来探测缺陷，在具备超声波法无损、可侧任何深度的缺陷分布的优点以外，还可发挥激光易扫描、空间分辨率高等优点。按照检测原理，可将激光超声检测基本方法分为脉冲反射法和穿透法两类[7]。脉冲回波法主要是靠监测由裂纹反射的超声信号来实现对裂纹的检测；穿透法主要靠监测由裂纹透射的超声信号来实现对裂纹的检测。激光超声技术对裂纹的位置、尺寸等测量难点在于如何处置超声波在传递过程中产生反射衍射现象模态转变时，在复杂的超声信号中提取出准确的裂纹信息。

3.2 材料弹性常数的测量

若已知材料的几何尺寸，则可测量超声波波速，从而进一步推导出材料的弹性常數[8]。常用的弹性常数声学测量方法是脉冲回波法。该测量方法的误差主要来源于测量纵波、横波、Rayleigh波速度的误差，主要难点在于如何确定各向异性材料波速与材料力学常数之间的本构关系。

3.3 材料残余应力的测量

利用激光超声技术测量材料残余应力技术主要包括以下几种：声双折射法、表面波法、反射纵波法等。检测材料残余应力难点在于：（1）声弹性常数的确定。材料的力学性质（尤其是新型材料，比如功能梯度材料）对于工程设计具有很大的影响，材料的弹性常数更是表征其力学性质的基本参数。材料的二阶、三阶弹性系数是波速与应力关系系数——材料声弹性系数的组成部分，因此对其的精确检测也是声弹性检测不可忽略的。（2）复杂应力状态下的应力表征问题以及应力主方向的确定。构件或材料被研究区域应力状态为非均匀（存在应力梯度）、双轴和三轴应力状态，其应力随着被测位置、方向的变化而发生变化，从而增加了准确定性、定量表征应力的测量难度。目前针对复杂应力状态的激光超声测量技术与系统仍处于实验室测试阶段，并未真正应用于工程测量中[9]。

3.4 其他领域

激光超声凭借其极大的技术优势可以做到真正意义上的随形、原位、绿色检测，在其他领域亦有很重要的应用空间，如薄膜力学性质表征[10]、晶粒尺寸的测量、材料发生相变过程的监测。可以展望，激光超声由于其非接触、高精度、无损伤的检测特点，未来将在先进工业领域不断扩宽。

4 结论

（1）现代工业的跨越式发展给无损检测与评价技术提出了更高的要求，传统的检测技术在新材料及复杂环境下质量评价方面存在难以解决的问题。（2）本文对激光超声技术做了系统的总结，针对激光诱导超声的机理以及激发系统做了详细的阐述，阐明了不同接收系统的原理及特点，为超声信号的高精度检测提供参考依据，讨论了激光超声系统在裂纹检测、弹性常数测量、残余应力表征等领域的应用以及需解决的关键科学问题。（3）研究结果表明，激光超声技术具有显著的技术优势，可以适应苛刻的条件限制与特殊的环境要求，解决极为复杂的实际问题，具有广阔的应用前景。本文的研究对于激光超声实验系统的改进与优化以及拓展激光超声技术在先进工业领域的应用具有重要意义。

参考文献

[1] 周正干，孙广开，李征，等.钻孔分层激光超声检测方法[J].机械工程学报，2013，22（1）：29-33.

[2] 章肖融.用激光超声评估复合材料[J].应用声学，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] 钱梦騄，张万春，吴田成，等.激光热弹激发超声脉冲的特性研究[J].声学学报，1995，20（1）：1-10.

[5] 孙宏祥，张淑仪.激光激发瑞利波检测表面倾斜缺陷的研究[J].声学学报，2013，38（4）：405-412.

[6] 沈中华，关键飞，陆建，等.激光热弹激发超声的有限元数值模拟[J].声学技术，2005，24（1）：9-10.

[7] 李加，倪辰荫，张宏超.基于激光辅助加热的激光超声投捕法识别微裂纹[J].中国激光，2013，40（4）：206-212.

[8] 董利明，倪辰荫，沈中华，等.基于激光激发多模态超声波速测量的材料弹性常数测定[J].中国激光，2011，38（4）：203-207.

[9] 潘永东，钱梦騄，徐卫疆，等.激光超声检测铝合金材料的残余应力分布[J].声学学报，2004（4）：254-257.

[10]沈中华，张淑仪.薄膜—基片中的激光超声研究[J].声学学，2002，27（2）：203-208.