馮輔周，張超省，張麗霞，閔慶旭

（裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系，北京 100072）

超聲紅外熱波技術(shù)的原型是20世紀(jì)70年代末期出現(xiàn)的振動(dòng)熱像檢測(cè)［1］。受到當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)和熱像儀性能的限制，仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)非常困難，對(duì)該方法的研究一直沒(méi)有太大進(jìn)展。直到20世紀(jì)90年代末，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和熱像儀性能的大幅提升，使得振動(dòng)熱像檢測(cè)的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。2000年以來(lái)，美國(guó)韋恩州立大學(xué)的X Han等人對(duì)該檢測(cè)方法進(jìn)行了深入的研究，由于他們采用超聲塑焊槍作為激勵(lì)源，該檢測(cè)方法與后來(lái)興起的紅外熱波技術(shù)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(lì)源的振動(dòng)熱像檢測(cè)稱為超聲紅外熱波技術(shù)［2－3］。

1 基本原理及特點(diǎn)

超聲紅外熱波技術(shù)采用超聲脈沖作為激勵(lì)源，注入被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)能量傳播至裂紋、分層、脫粘等接觸界面類型缺陷區(qū)域時(shí)，缺陷區(qū)域因摩擦生熱、塑性變形等產(chǎn)生熱量，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生的熱量以熱波的形式向試件表面?zhèn)鲗?dǎo)，從而在被測(cè)對(duì)象表面溫度場(chǎng)上表現(xiàn)出來(lái)。采用熱像儀獲取表面溫度分布可以判斷被測(cè)對(duì)象內(nèi)部或表面缺陷，這是超聲紅外熱波技術(shù)用于缺陷檢測(cè)的基本原理［4－5］。超聲紅外熱波檢測(cè)系統(tǒng)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(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。超聲激勵(lì)系統(tǒng)主要包含超聲槍和超聲電源兩部分，超聲激勵(lì)參數(shù)主要包括激勵(lì)頻率、激勵(lì)時(shí)間、激勵(lì)強(qiáng)度等，是影響超聲紅外熱波檢測(cè)的最直接因素。

圖1 超聲紅外熱波檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

與其它紅外熱波技術(shù)相比，超聲紅外熱波技術(shù)具有如下特點(diǎn)［6］：① 不需要考慮加熱均勻性，即使被測(cè)對(duì)象幾何形狀復(fù)雜，也可得到很好的檢測(cè)效果。② 對(duì)于大多數(shù)固體，聲波傳到裂紋幾乎是瞬時(shí)的，由于聲波衰減相對(duì)較低，因此對(duì)于某些材料，聲波能夠在距離激發(fā)源較遠(yuǎn)或較深的地方產(chǎn)生有效的激勵(lì)，故較脈沖閃光熱激勵(lì)方式，超聲激勵(lì)方式可以對(duì)更深的內(nèi)部分層或裂紋等進(jìn)行熱激勵(lì)。③ 超聲激勵(lì)注入試件后只對(duì)缺陷加熱，圖像信噪比高，對(duì)缺陷的檢測(cè)能力大大增強(qiáng)。④超聲脈沖激勵(lì)強(qiáng)度大、作用時(shí)間短，能檢測(cè)出其它紅外熱波技術(shù)難以檢測(cè)的微裂紋，可用于大范圍、快速檢測(cè)。

超聲紅外熱波技術(shù)對(duì)金屬試件疲勞裂紋、復(fù)合材料沖擊損傷有非常好的檢測(cè)效果［7］。該技術(shù)可以用于復(fù)雜形狀、大重量級(jí)（＞80kg）零部件的裂紋檢測(cè)，并可檢測(cè)＜20μm的微裂紋，由于無(wú)需進(jìn)行表面預(yù)處理以及對(duì)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的適應(yīng)性，該技術(shù)應(yīng)用潛力巨大［8－10］。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲紅外熱波技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)研究小組的廣泛關(guān)注，研究人員開(kāi)展了大量的試驗(yàn)、理論和缺陷識(shí)別等方面的研究工作。

2.1 試驗(yàn)研究

針對(duì)超聲紅外熱波技術(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用，研究人員提出不同改進(jìn)和優(yōu)化方案，并在不同領(lǐng)域進(jìn)行了嘗試。2003年，美國(guó)?？瘴淦髦行暮娇詹康腎 Perez和W R Davis提出了改進(jìn)超聲紅外熱波技術(shù)的試驗(yàn)裝置，通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)可達(dá)到優(yōu)化檢測(cè)結(jié)果的目的［11］。2006年，英國(guó)巴斯大學(xué)的D P Almond等人選用長(zhǎng)脈沖低功率調(diào)制超聲激勵(lì)構(gòu)件得到了滿意的檢測(cè)效果，指出對(duì)不同直徑的CFRP平板缺陷的檢測(cè)僅需1W功率的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器即可完成，但超聲功率小、激勵(lì)時(shí)間長(zhǎng)，該方法不適合熱導(dǎo)率較高的金屬試件［12］。2007年，加拿大拉瓦爾大學(xué)的X Maldague等人對(duì)涂覆材料的微裂紋進(jìn)行了檢測(cè)，指出超聲紅外熱波技術(shù)對(duì)亞表面缺陷具有很好的檢測(cè)能力［13］；隨后，他們分別采用脈沖、鎖相和超聲作為激勵(lì)源，對(duì)航天用CFRP蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和玻璃鋼擋風(fēng)板上存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比給出了各種方法的特點(diǎn)及適用范圍，指出與以光作為激勵(lì)源的脈沖及鎖相紅外技術(shù)相比，超聲紅外熱波技術(shù)具有激勵(lì)能量低，檢測(cè)深度深等優(yōu)越性［14］。

國(guó)內(nèi)的南京大學(xué)、首都師范大學(xué)等單位相繼開(kāi)展了超聲紅外熱波技術(shù)的試驗(yàn)研究工作。2003年，南京大學(xué)的張淑儀等人對(duì)HWRX－3型紅外熱像儀系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展改進(jìn)，研制了與計(jì)算機(jī)連接的數(shù)據(jù)采集卡、硬件驅(qū)動(dòng)程序和用戶軟件［15］；之后，他們利用鋁合金平板作為研究對(duì)象，通過(guò)扭力制作了含疲勞裂紋的平板試件，利用該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)［4］。2008年，首都師范大學(xué)的張存林等人開(kāi)展了該技術(shù)在工程領(lǐng)域的試驗(yàn)研究，他們采用超聲紅外熱波技術(shù)對(duì)碳纖維、有機(jī)玻璃和焊接鋼板三種對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，表明該方法對(duì)不同材料和結(jié)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)靈敏快速的檢測(cè)［16］。

2.2 理論研究

圍繞超聲激勵(lì)下被測(cè)對(duì)象缺陷區(qū)域的生熱現(xiàn)象和內(nèi)在機(jī)理，研究人員進(jìn)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(chǎn)生聲混沌的理論模型，證明了聲混沌的產(chǎn)生源于超聲聚能桿和試件之間的接觸，并不依賴于被測(cè)對(duì)象中缺陷的存在情況［17］；隨后，他們提出了一種計(jì)算裂紋區(qū)域能量擴(kuò)散的有限元方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了聲混沌現(xiàn)象具有增強(qiáng)裂紋生熱，進(jìn)而提高裂紋可檢測(cè)性的作用［18］。2007年，J Lu等人設(shè)計(jì)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(tài)存在密切關(guān)系，指出裂紋面承受的壓應(yīng)力越高，生熱就越不明顯，過(guò)高的壓應(yīng)力甚至?xí)?dǎo)致裂紋生熱現(xiàn)象的終止，初步探索了被測(cè)對(duì)象的缺陷可檢測(cè)性問(wèn)題［19］。2009年，英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的M Morbidini等人指出裂紋的形貌與裂紋振動(dòng)阻尼之間有著較為密切的關(guān)系，并進(jìn)一步建立了振動(dòng)能量衰減和溫升之間的關(guān)系［20］。2011年，美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的S D Holland等人分析了超聲激勵(lì)下含缺陷試件的熱量空間分布特征，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的試驗(yàn)，證明缺陷區(qū)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(gòu)成［7］。

南京大學(xué)近代聲學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)超聲激勵(lì)下微裂紋的生熱機(jī)理進(jìn)行了深入研究。2004年，米小兵等人對(duì)超聲波引起固體微裂紋局部發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行討論，建立了相應(yīng)的理論計(jì)算模型［21］；2006年，鄭凱等人針對(duì)文獻(xiàn)［17］模型存在的問(wèn)題和不足提出了改進(jìn)的動(dòng)態(tài)分析模型，更為合理地揭示了聲混沌產(chǎn)生的基本規(guī)律［22］；2010年，陳趙江等人運(yùn)用有限元分析對(duì)裂紋區(qū)域的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對(duì)裂紋生熱現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)地描述，深入探討了聲混沌現(xiàn)象對(duì)檢測(cè)效果的影響［23］。

2.3 缺陷識(shí)別

缺陷識(shí)別是超聲紅外熱波技術(shù)的最后環(huán)節(jié)，其研究不僅在于解決工程實(shí)際問(wèn)題，更能反作用于試驗(yàn)和理論研究，為試驗(yàn)和理論研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。2010年，美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的S D Holland等人為消除熱擴(kuò)散對(duì)裂紋信息識(shí)別的影響，設(shè)計(jì)了一套圖像處理算法，通過(guò)濾波、空間二階求導(dǎo)、時(shí)間一階求導(dǎo)等圖像處理過(guò)程，消除熱擴(kuò)散的影響并提取出了熱量，生成了對(duì)應(yīng)的獨(dú)立區(qū)域［24］。2008年，南京大學(xué)的鄭凱等人根據(jù)裂紋區(qū)域溫度隨時(shí)間變化的基本規(guī)律開(kāi)發(fā)了基于時(shí)間序列的缺陷信息識(shí)別算法，提高了缺陷信號(hào)的識(shí)別精度［25］，但最終的識(shí)別依然依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷。2011年，裝甲兵工程學(xué)院的馮輔周等人根據(jù)超聲激勵(lì)下裂紋區(qū)域溫度空間分布的規(guī)律，提出了采用骨骼化算法進(jìn)行裂紋重構(gòu)的理論基礎(chǔ)和相應(yīng)算法，并將該算法成功應(yīng)用于裝甲板的裂紋形狀重構(gòu)［26］。

3 存在的不足及對(duì)策

總體來(lái)講，已有研究多數(shù)局限于平板試件的裂紋生熱或驗(yàn)證超聲紅外熱波技術(shù)的可行性，屬于正問(wèn)題研究；而針對(duì)缺陷檢測(cè)方案制定和缺陷識(shí)別等反問(wèn)題的研究還不夠系統(tǒng)，而這正是該技術(shù)走向工程應(yīng)用的突破口。針對(duì)現(xiàn)有研究中存在的不足，提出以下對(duì)策：

（1）試驗(yàn)研究 絕大多數(shù)研究人員試圖通過(guò)試驗(yàn)手段直接建立缺陷生熱與激勵(lì)參數(shù)、接觸狀態(tài)、固定方式等檢測(cè)條件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到優(yōu)化檢測(cè)方案的目的，但效果并不理想。實(shí)際上，檢測(cè)條件通過(guò)被測(cè)對(duì)象振動(dòng)特性的變化來(lái)間接影響缺陷區(qū)域熱量生成。因此只有對(duì)超聲激勵(lì)下被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，才能建立缺陷生熱和檢測(cè)條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為檢測(cè)方案的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

（2）理論研究 目前，針對(duì)超聲紅外熱波技術(shù)中缺陷區(qū)域生熱機(jī)理的研究還局限于平板結(jié)構(gòu)的裂紋區(qū)域發(fā)熱計(jì)算層面，研究成果難以直接推廣到復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其它接觸界面類型缺陷的檢測(cè)，不利于超聲紅外熱波技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此，針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)常見(jiàn)缺陷生熱機(jī)理的研究還需要進(jìn)一步深入，為超聲紅外熱波技術(shù)在工程領(lǐng)域的推廣奠定理論基礎(chǔ)。

（3）缺陷識(shí)別 如前所述，圖像增強(qiáng)算法和鎖相技術(shù)已經(jīng)引起了研究人員的足夠重視，但最終的識(shí)別仍然依賴于肉眼和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)缺陷類型、缺陷程度的判斷很難定量把握，缺陷的自動(dòng)識(shí)別和重構(gòu)尚屬空白。要解決這個(gè)問(wèn)題，就必須深入研究缺陷區(qū)域熱量的空間和時(shí)間分布規(guī)律，并運(yùn)用圖像處理技術(shù)和智能識(shí)別算法，開(kāi)發(fā)常見(jiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別和重構(gòu)算法。隨著圖像處理和智能識(shí)別算法的廣泛應(yīng)用，缺陷的識(shí)別能力和精度必將大大增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲紅外熱波技術(shù)憑借適用性強(qiáng)、速度快、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)受到了越來(lái)越多的重視。介紹了超聲紅外熱波技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，著重歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有研究中存在的不足和未來(lái)研究中應(yīng)該采取的對(duì)策。隨著超聲紅外熱波技術(shù)工程應(yīng)用的不斷深化，其試驗(yàn)、理論和缺陷識(shí)別技術(shù)等方面的研究必將逐步走向完善。

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