(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016)

飛行器的研制是未來(lái)國(guó)家軍事安全需求的重要體現(xiàn)，由于復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為飛行器大面積及特殊部件的重要選材。但是，復(fù)合材料的制造工藝復(fù)雜獨(dú)特，生產(chǎn)過(guò)程中存在很多不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)瑕疵，其中分層缺陷是最常見(jiàn)的內(nèi)部缺陷。此外，復(fù)合材料在使用過(guò)程中也會(huì)因外部因素產(chǎn)生不同程度的損傷。因此，需要探索切實(shí)可行的方法檢測(cè)復(fù)合材料，以提高飛行器的服役壽命[1]。

目前，超聲檢測(cè)法被廣泛應(yīng)用于材料的無(wú)損檢測(cè)等工程應(yīng)用領(lǐng)域，其檢測(cè)精度及檢測(cè)效率較高，但是常規(guī)超聲法需要耦合劑，對(duì)材料表面要求較高。而激光超聲技術(shù)具有超聲檢測(cè)法與光學(xué)法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境，能夠真正實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量[2]。國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)也對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了深入研究，TANAKA等[3]利用激光超聲技術(shù)對(duì)碳鋼中的微小內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)精度得到提高；PERTON等[4]通過(guò)增加激光脈沖能量來(lái)評(píng)估黏合強(qiáng)度，驗(yàn)證了激光超聲的可行性；FOMITCHOV等[5]開(kāi)發(fā)了一種可工作于高溫高壓環(huán)境的激光超聲系統(tǒng)，并成功檢測(cè)出制造過(guò)程中復(fù)合材料部件固化的實(shí)時(shí)信息；FOCKE等基于激光超聲對(duì)復(fù)合材料熱成型過(guò)程中不同尺寸表面缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)零件的全面掃描。國(guó)內(nèi)周正干和沈中華團(tuán)隊(duì)在此方面的貢獻(xiàn)頗為顯著，沈中華等研究了激光超聲的表面波熱彈效應(yīng)及表面波傳播機(jī)制，探討了針對(duì)不同材料表面缺陷的不同接收方法，取得了良好的檢測(cè)效果[6]；周正干等[7]分別研究了傳統(tǒng)超聲法與激光超聲法檢測(cè)復(fù)合材料的分層缺陷，通過(guò)對(duì)比得出激光超聲技術(shù)用于復(fù)合材料檢測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)在激光超聲儀器設(shè)備、檢測(cè)系統(tǒng)性能和檢測(cè)方式等方面進(jìn)行了深入研究，并取得了豐碩的成果，但是激光超聲損傷檢測(cè)技術(shù)仍處于起步階段，尚需進(jìn)一步研究。第一，激光超聲設(shè)備體積龐大，不易于攜帶，僅適用于試驗(yàn)研究；第二，激光超聲檢測(cè)方式主要有脈沖反射法與透射法，透射法僅能用于缺陷識(shí)別，而反射法多用于缺陷定位，識(shí)別性不強(qiáng)；第三，現(xiàn)階段，試驗(yàn)人員多通過(guò)波形信號(hào)對(duì)缺陷信息進(jìn)行分析定位，激光超聲檢測(cè)設(shè)備的可視化性能研究尚未成熟。筆者以激光超聲損傷檢測(cè)的可視化研究為立足點(diǎn)研究了一種復(fù)合材料內(nèi)部分層缺陷的偽彩重構(gòu)方法。首先，基于激光超聲技術(shù)研究了一種復(fù)合材料厚度測(cè)量及分層缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法；其次利用構(gòu)建好的激光超聲系統(tǒng)，采用脈沖反射法對(duì)復(fù)合材料加筋板進(jìn)行檢測(cè)，將接收到的信號(hào)進(jìn)行分析與處理，得到厚度及分層缺陷的相關(guān)信息，對(duì)分層缺陷進(jìn)行定位;最后基于三次樣條插值算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料內(nèi)部分層缺陷的可視化偽彩重構(gòu)。

1 激光超聲檢測(cè)技術(shù)基本原理

激光超聲是指利用強(qiáng)度受調(diào)制的脈沖激光束在氣體、液體及固體中激發(fā)產(chǎn)生超聲波的物理過(guò)程[8]。當(dāng)脈沖激光能量聚焦輻照被測(cè)材料表面時(shí)，部分激光能量會(huì)被固體材料本身吸收,并轉(zhuǎn)化為熱能及應(yīng)力波動(dòng)能，材料局部溫度驟升產(chǎn)生熱膨脹，熱彈效應(yīng)或熱蝕效應(yīng)在固體材料表面產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)，使粒子產(chǎn)生波動(dòng)，從而在材料內(nèi)部及表面?zhèn)鞑バ纬沙暡╗9]。因此，可以通過(guò)超聲波在材料內(nèi)部及表面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中能量的衰減及路徑的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)材料缺陷信息、結(jié)構(gòu)信息的表征。

圖1 激光超聲檢測(cè)原理示意

激光超聲檢測(cè)原理示意如圖1所示。圖1(a)為脈沖反射法原理，是指脈沖激光器與激光干涉儀位于被測(cè)材料同側(cè)，處于同點(diǎn)激發(fā)與接收，脈沖激光器激發(fā)出的超聲波在材料內(nèi)部傳播，利用被測(cè)材料的缺陷回波及底面反射回波的能量幅值表征相關(guān)信息；圖1(b)為透射法檢測(cè)原理，是指脈沖激光器與激光干涉儀位于被測(cè)材料異側(cè)，根據(jù)超聲波的能量衰減程度來(lái)表征材料內(nèi)部的缺陷情況[10]。

研究采用脈沖反射法對(duì)復(fù)合材料的厚度及內(nèi)部分層缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，使用脈寬為8 ns的Nd∶YAG脈沖激光器作為激光源，調(diào)節(jié)其輸出能量約為200 mJ，焦斑直徑為1 mm，測(cè)量用激光器的焦斑直徑為200 μm。

2 復(fù)合材料分層缺陷檢測(cè)及定位

目前,在先進(jìn)的飛機(jī)機(jī)身及機(jī)翼等結(jié)構(gòu)上，都廣泛采用復(fù)合材料加筋板，不同厚度的加筋板使得飛機(jī)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得以保證的基礎(chǔ)上，不僅節(jié)約了材料，還減輕了飛機(jī)的自重。但是復(fù)合材料加筋板在熱壓成型過(guò)程中容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，因此應(yīng)用如圖2所示的激光超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料不同厚度的部位及分層缺陷進(jìn)行檢測(cè)研究。

圖2 檢測(cè)裝置及樣品外觀

2.1 超聲波傳播速度計(jì)算

復(fù)合材料中超聲波的傳播速度與超聲波的激發(fā)方式及復(fù)合材料的不同結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此在進(jìn)行厚度測(cè)量之前，需要先標(biāo)定出碳纖維材料板內(nèi)部的超聲波傳播速度，此后的厚度測(cè)量及缺陷定位將基于此波速進(jìn)行計(jì)算。

選用熱壓成型后的標(biāo)準(zhǔn)碳纖維材料加筋板作為標(biāo)準(zhǔn)試件用于速度的標(biāo)定計(jì)算，加筋板試件結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，復(fù)合材料左側(cè)標(biāo)注的無(wú)缺陷區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)區(qū)域，總厚度為13 mm，其中薄板的厚度為3 mm，筋高為10 mm，模擬的內(nèi)置分層缺陷位于右側(cè)半筋高處，即距離上表面8 mm處。

圖3 加筋板試件結(jié)構(gòu)示意

在標(biāo)準(zhǔn)試件的左側(cè)對(duì)應(yīng)上表面施加激光超聲點(diǎn)光源，采用脈沖反射法同點(diǎn)激勵(lì)同點(diǎn)接收激光超聲信號(hào)，將提取到的超聲A掃信號(hào)進(jìn)行小波降噪和帶通濾波，由于需要快速得到信號(hào)的渡越時(shí)間(Time of Flight，TOF)，所以需要提取降噪濾波后的信號(hào)包絡(luò)，使提取后的窄帶激光超聲信號(hào)具有較清晰的信號(hào)波形包絡(luò)及較高的分辨率。采用基于Morlet小波的連續(xù)小波變換提取信號(hào)的時(shí)域包絡(luò)圖，迅速提取信號(hào)的包絡(luò)波峰，計(jì)算渡越時(shí)間。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)試件無(wú)損區(qū)域A掃波形

標(biāo)準(zhǔn)試件無(wú)損區(qū)域A掃波形如圖4所示，藍(lán)色線代表激光超聲一個(gè)往復(fù)周期內(nèi)的信號(hào)波形，紅色線代表經(jīng)過(guò)連續(xù)小波變換后的信號(hào)包絡(luò)時(shí)域圖，讀取包絡(luò)圖中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)，即可計(jì)算出信號(hào)的渡越時(shí)間Δt0=t2-t1，已知無(wú)損區(qū)域的厚度d為13 mm，根據(jù)公式v=2d/Δt0可以計(jì)算出超聲波的傳播速度。由于一次樣本比較單一，所以根據(jù)實(shí)際情況在同一溫度下進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值，盡量降低測(cè)量誤差。經(jīng)計(jì)算，該溫度下復(fù)合材料加筋板內(nèi)部超聲波的傳播速度約為3 324.8 m·s-1。

2.2 基于渡越時(shí)間的厚度測(cè)量及分層缺陷深度定位

由于復(fù)合材料加筋板不同結(jié)構(gòu)區(qū)域的厚度不同，所以基于渡越時(shí)間檢測(cè)復(fù)合材料加筋板的不同厚度，并在材料內(nèi)部預(yù)置分層缺陷模擬實(shí)際因復(fù)雜加工工藝可能產(chǎn)生的內(nèi)部分層缺陷，對(duì)分層缺陷進(jìn)行深度定位。

首先對(duì)加筋復(fù)合材料的不同薄板區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，采集一個(gè)回波周期內(nèi)的信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)處理，分析計(jì)算出薄板區(qū)域的厚度。

圖5 不同厚度薄板的激光超聲信號(hào)波形

圖5為不同厚度薄板的激光超聲信號(hào)波形，圖5(a)為厚度3 mm薄板的測(cè)量信號(hào)，從經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的包絡(luò)時(shí)域圖中獲取信號(hào)的渡越時(shí)間，并根據(jù)標(biāo)定的波速進(jìn)行厚度測(cè)量，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)薄板區(qū)域的厚度約為3.23 mm，誤差為7.7%；圖5(b)為厚度5 mm 薄板的測(cè)量信號(hào)，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)薄板區(qū)域的厚度約為4.99 mm，誤差為0.2%。通過(guò)波形圖的對(duì)比及厚度的計(jì)算，可以表征出薄板區(qū)域在熱壓成型過(guò)程中厚度的變化。

分別對(duì)有無(wú)分層缺陷的復(fù)合材料加筋部位進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)有無(wú)分層缺陷的信號(hào)波形進(jìn)行了分析對(duì)比，并計(jì)算材料的厚度及缺陷的深度，從而實(shí)現(xiàn)分層缺陷的定位。

圖6 加筋部位的激光超聲信號(hào)波形

加筋部位的激光超聲信號(hào)波形如圖6所示，通過(guò)對(duì)比，可以得出：在有、無(wú)分層缺陷處激光激發(fā)的始波信號(hào)峰值重疊且峰值最高，底面回波信號(hào)峰值降低，這是由于材料本身及內(nèi)部缺陷對(duì)超聲波的吸收，超聲波在傳播過(guò)程中能量損失，幅值下降。無(wú)缺陷波形的底面回波信號(hào)峰值要明顯高于有缺陷波形的，這是因?yàn)槿毕菖c超聲波耦合，超聲波能量衰減；有缺陷波形的始波與底面回波之間明顯出現(xiàn)一個(gè)峰值介于始波與底面回波峰值之間的波包，推斷超聲波傳播至此處與缺陷發(fā)生耦合。綜上，通過(guò)有無(wú)缺陷信號(hào)對(duì)比可以判斷出材料有無(wú)缺陷區(qū)域。

分層缺陷信號(hào)包絡(luò)如圖6(b)所示，對(duì)采集的超聲信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換，得到其信號(hào)包絡(luò)時(shí)域圖，讀取對(duì)應(yīng)始波、缺陷回波、底面回波的時(shí)間，計(jì)算時(shí)間差，從而得到加筋部位的厚度及分層缺陷的位置。經(jīng)過(guò)計(jì)算，測(cè)定的復(fù)合材料加筋部位的厚度為12.63 mm，與材料的實(shí)際厚度相比，誤差為2.8%。測(cè)定的分層缺陷位置約為距離上表面7.61 mm，與已知的分層缺陷位置相比，誤差為4.9%。

2.3 定位誤差分析

由2.2節(jié)所得的測(cè)量結(jié)果可知,該系統(tǒng)具有較高的空間分辨率，該系統(tǒng)分辨率主要由軟件系統(tǒng)厚度檢測(cè)及缺陷定位模塊中的包絡(luò)提取算法決定。使用該算法提取的信號(hào)包絡(luò)具有較高的空間分辨率，可自動(dòng)提取包絡(luò)幅值譜中的聲波渡越時(shí)間，并結(jié)合設(shè)定的超聲波波速進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)量及定位，發(fā)現(xiàn)雖然進(jìn)行測(cè)量定位時(shí)數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算浮動(dòng)較大，但是總體定位相對(duì)誤差小于5%，能夠較準(zhǔn)確地定位缺陷的深度，具有較高的檢測(cè)精度。進(jìn)一步分析誤差產(chǎn)生的原因有：

(1)測(cè)量誤差。激光干涉儀的測(cè)量角度是影響采集精度的重要因素，而采集精度決定了采集到的波形信號(hào)是否具有較清晰的波形特征，從而對(duì)測(cè)量精度造成影響。此外，信號(hào)處理時(shí)小波降噪在不同程度上會(huì)使波形的特征點(diǎn)散失，并且激光超聲信號(hào)是寬頻帶信號(hào)，在進(jìn)行帶通濾波時(shí)必然會(huì)濾除有用信號(hào)，造成頻譜泄漏。該誤差屬于試驗(yàn)中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，可以通過(guò)調(diào)整激光干涉儀角度進(jìn)行多次測(cè)量，或經(jīng)測(cè)試選擇更精確的通帶范圍等方法減小誤差。

(2)材料及加工誤差。被測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于層合結(jié)構(gòu)，在制作和加工過(guò)程中很難保證材料不同薄板區(qū)域的厚度均勻。另外，復(fù)合材料的層狀各向異性易導(dǎo)致激光超聲聲束在材料內(nèi)部傳播時(shí)發(fā)生畸變和傾斜，聲束能量劇烈衰減。此外，薄板信號(hào)的底面回波信號(hào)不明顯，影響包絡(luò)提取算法的提取精度。

3 復(fù)合材料內(nèi)部分層缺陷重構(gòu)

為了更直觀地查看復(fù)合材料的內(nèi)部分層缺陷，在激光超聲A掃回波信號(hào)的基礎(chǔ)上，基于三次樣條插值算法重構(gòu)出了材料的激光超聲B掃重構(gòu)圖，并有效地表征了材料的特殊加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)及內(nèi)部分層缺陷。

圖7 掃描檢測(cè)點(diǎn)示意

掃描檢測(cè)點(diǎn)示意如圖7所示，采用振鏡掃描的方式對(duì)加筋板的上表面x軸方向取等間隔5個(gè)位置區(qū)域單獨(dú)激勵(lì)形成超聲波，并利用激光干涉儀接收回波信號(hào)，通過(guò)采集卡一共采集5 120個(gè)點(diǎn)，分別從中提取一個(gè)回波周期內(nèi)的回波信號(hào)進(jìn)行x-z面重構(gòu)。

通過(guò)對(duì)線性插值算法、Hermite插值算法及三次樣條插值算法的比較，得出線性插值算法在分段點(diǎn)上連續(xù)但不可導(dǎo)，精度最低，但實(shí)時(shí)性較高，Hermite插值算法在分段點(diǎn)上連續(xù)且有一階導(dǎo)，精度一般但較復(fù)雜，而三次樣條插值函數(shù)可以滿足光滑的需求，且精度較高，因此選用三次樣條插值算法對(duì)x-z截面進(jìn)行了插值重構(gòu)。

將采集到的5組1 024點(diǎn)的一維數(shù)組作為插值基準(zhǔn)，采用三次樣條插值算法進(jìn)行插值形成1 024組一維矩陣，插值重構(gòu)原理示意如圖8所示，由于三次樣條插值算法具有光滑特性，能夠滿足重構(gòu)的需求，且具有一定的重構(gòu)精度。接下來(lái)將此1 024×1 024 的二維矩陣中每一個(gè)數(shù)值作為圖像的像素值，并根據(jù)CLUT(顏色查找表)的表項(xiàng)入口地址查找用于重構(gòu)成像的RGB色彩強(qiáng)度值，根據(jù)查找出的RGB強(qiáng)度值進(jìn)行圖像偽彩重構(gòu)。

圖8 插值重構(gòu)原理示意

樣品B掃截面重構(gòu)圖如圖9所示，樣品的重構(gòu)圖有效地表征了復(fù)合材料加筋板的特殊結(jié)構(gòu)及分層缺陷的位置，重構(gòu)出了復(fù)合材料樣品的薄板及加強(qiáng)筋位置，但是加強(qiáng)筋與薄板連接處信號(hào)也較強(qiáng)，推測(cè)是因?yàn)楸“迮c加強(qiáng)筋連接處的圓角鋪層位于聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)，對(duì)信號(hào)的反射有一定的增幅作用。由圖9可以獲得分層缺陷的位置，為缺陷的評(píng)估提供了有價(jià)值的信息。

圖9 樣品B掃截面重構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

首先研究了激光超聲檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的基本檢測(cè)原理，并利用搭建好的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了復(fù)合材料厚度的測(cè)量及缺陷深度的定位，并基于三次樣條插值算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)分層缺陷的激光超聲B掃圖重構(gòu)。通過(guò)以上研究，驗(yàn)證了激光超聲技術(shù)用于復(fù)合材料內(nèi)部分層缺陷檢測(cè)的可行性，且該技術(shù)用于復(fù)合材料分層缺陷檢測(cè)時(shí)具有較高的空間分辨率及測(cè)量精度。研究的可視化重構(gòu)方法仍然存在一定的局限性，由于該方法是基于回波信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)的，對(duì)信號(hào)的包絡(luò)性要求較高。此外，由于采用三次樣條插值算法進(jìn)行缺陷重構(gòu)，所以采樣點(diǎn)的數(shù)量對(duì)重構(gòu)信息有較大的影響，后續(xù)需要研究更高精度的插值算法以提高檢測(cè)效率。研究的方法適用于材料制備中厚度變化及成品缺陷的檢測(cè)及定位，可實(shí)現(xiàn)金屬樣件及鋪層緊密的復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)，對(duì)于材料在制造過(guò)程中制造缺陷的檢測(cè)與分析有積極的意義。