李胤，陳萬(wàn)華，楊正偉，宋遠(yuǎn)佳*，寇光杰

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽(yáng) 621000；2.火箭軍工程大學(xué)導(dǎo)彈工程學(xué)院，西安 710025)

紅外熱成像技術(shù)[1-4]是一種起源于美國(guó)的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，利用外部熱激勵(lì)源激發(fā)被測(cè)物體表面的熱信號(hào)，通過(guò)分析表面熱信號(hào)的差異性實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部損傷的檢測(cè)，具有速度快、結(jié)果直觀、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，可用于結(jié)構(gòu)材料的無(wú)損檢測(cè)和設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。根據(jù)熱激勵(lì)方式的不同，紅外熱成像技術(shù)可分為脈沖熱成像、超聲熱成像、渦流熱成像、激光掃描熱成像等。其中，超聲熱成像具有缺陷選擇性生熱的特點(diǎn)，特別適合復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)和材料微裂紋的損傷檢測(cè)[5-7]，受到中外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

超聲熱成像是以功率超聲作為熱激勵(lì)源，激發(fā)被測(cè)物體的超聲振動(dòng)，引起損傷界面的局部生熱，以熱成像方式檢測(cè)物體內(nèi)部損傷。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)超聲熱成像高效檢測(cè)的關(guān)鍵在于掌握超聲激勵(lì)下的振動(dòng)特性和超聲激勵(lì)下的生熱特性。在振動(dòng)特性研究方面，Han等[8-9]對(duì)功率超聲激勵(lì)測(cè)物體的振動(dòng)位移進(jìn)行了頻譜分析，發(fā)現(xiàn)被測(cè)物體在超聲激勵(lì)下出現(xiàn)了“聲混沌”現(xiàn)象，同時(shí)指出該現(xiàn)象的出現(xiàn)是由超聲槍與被測(cè)物體之間的非線性接觸決定，并可以增強(qiáng)缺陷生熱，有利于缺陷檢測(cè)。陳趙江等[10]研究了高功率超聲激勵(lì)下金屬板的非線性振動(dòng)，結(jié)果表明超聲槍與金屬板之間的周期性接觸-碰撞是產(chǎn)生非線性振動(dòng)的原因?？紤]到超聲振動(dòng)過(guò)程中的能量損失，F(xiàn)eng等[11]建立了基于動(dòng)量轉(zhuǎn)換的振動(dòng)模型，研究了預(yù)應(yīng)力對(duì)超聲振動(dòng)的影響，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力與諧波之間呈雙曲線關(guān)系。Li等[12]充分考慮了超聲激勵(lì)各界面接觸狀態(tài)特性，建立了超聲激勵(lì)狀態(tài)下固定裝置-超聲槍-被測(cè)物體的二自由度非線性動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明，在超聲激勵(lì)下，超聲槍以基頻(激勵(lì)頻率)進(jìn)行單頻振動(dòng)，而構(gòu)件振動(dòng)頻譜較為豐富，不僅包含基頻，還包含2倍頻、3倍頻等高次諧波。田干等[13]通過(guò)建立含裂紋缺陷的復(fù)合材料有限元模型，運(yùn)用有限元方法研究了超聲激勵(lì)下試件的振動(dòng)特性，結(jié)果表明試件的振動(dòng)頻譜非常豐富，包含了更多的次諧波、高次諧波，同時(shí)發(fā)現(xiàn)“聲混沌”現(xiàn)象能夠增強(qiáng)缺陷生熱是因?yàn)槠湎嗽嚰械鸟v波。Yu等[14]運(yùn)用有限元方法分析了構(gòu)件了振動(dòng)特性和能量耗散，振動(dòng)特性結(jié)果與文獻(xiàn)[12-13]得到的結(jié)果大體一致，但構(gòu)件中各質(zhì)點(diǎn)的能量耗散速度不同，垂直于裂紋方向的能量耗散速度明顯低于平行于裂紋方向的能量耗散速度。

總的來(lái)說(shuō)，上述研究主要通過(guò)建立功率超聲激勵(lì)下構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)模型和有限元模型，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法研究試件的振動(dòng)特性，取得了一定有意義的成果。試件的振動(dòng)特性直接影響到試件的生熱特性，因此充分掌握功率超聲激勵(lì)被測(cè)物體的振動(dòng)特性對(duì)于提高超聲熱成像檢測(cè)效率具有重要意義。鑒于此，構(gòu)建一套非接觸式激測(cè)振系統(tǒng)，為進(jìn)一步開展超聲激勵(lì)下構(gòu)件的振動(dòng)特性研究提供硬件條件，同時(shí)重點(diǎn)研究耦合劑和粗糙度對(duì)試件振動(dòng)特性的影響，以揭示耦合劑和粗糙度對(duì)試件振動(dòng)特性的影響機(jī)理。

1 非接觸式激光測(cè)振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 激光測(cè)振系統(tǒng)總體方案

在超聲熱成像檢測(cè)中，變幅桿-試件高頻振動(dòng)激光測(cè)量如圖1所示。超聲發(fā)生器發(fā)出20 kHz的高頻電流，高頻電流到達(dá)超聲變幅桿后驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，變幅桿端面產(chǎn)生超聲振動(dòng)。而后，在變幅桿作用下試件開始超聲振動(dòng)，這些振動(dòng)信號(hào)能夠被激光探頭采集，并通過(guò)振動(dòng)控制器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。最后，對(duì)這些振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，即可分析功率超聲激勵(lì)過(guò)程中試件的振動(dòng)特性。

圖1 超聲熱成像檢測(cè)中激光測(cè)振示意圖

激光測(cè)振的主要原理是使用一束激光以某一角度聚焦在被測(cè)物體表面，然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點(diǎn)的位置高度不同，所接受或反射光線的角度也不同，用激光探頭測(cè)出光斑像的位置，就可以計(jì)算出主光線的角度，從而獲取物體表面激光照射點(diǎn)的位置信息。當(dāng)物體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，測(cè)量結(jié)果就會(huì)發(fā)生改變，從而得到被測(cè)物體的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻振動(dòng)系統(tǒng)的深度解析，如圖2所示。激光測(cè)振系統(tǒng)組件主要包括：1個(gè)測(cè)量頻率可達(dá)392 kHz的LK-H080型高性能激光探頭，1個(gè)雙通道大容量的LG-G5001型控制器和1套操作軟件LK-Navigator 2。

圖2 激光測(cè)振原理示意圖

1.2 激光探頭夾持裝置設(shè)計(jì)

由于超聲熱成像檢測(cè)平臺(tái)并無(wú)任何可外接探頭和傳感器等設(shè)備的夾持裝置，同時(shí)，為測(cè)量試件表面多點(diǎn)位的振動(dòng)特性，需要設(shè)計(jì)激光探頭在三維空間均可活動(dòng)的多自由度夾持裝置，如圖3所示。

圖3中，z軸滑軌固定在超聲熱成像檢測(cè)平臺(tái)的面板上，y軸為直線圓柱滑軌結(jié)構(gòu)，可沿z軸滑動(dòng)，x軸滑軌可沿y軸滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，激光探頭通過(guò)安裝滑塊固定在x軸上，可沿x軸滑軌作直線滑動(dòng)。經(jīng)過(guò)y軸和x軸的共同作用，激光探頭不僅可以沿x方向、y方向和z方向直線移動(dòng)，還可以沿y方向作旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，可移動(dòng)到三維空間任意位置，采集試件表面任意位置的振動(dòng)信號(hào)。

圖3 激光探頭夾持裝置方案示意圖

z軸滑軌為主承力結(jié)構(gòu)，采用寬47 mm，長(zhǎng)500 mm的SGR20N滑軌，配套的z軸滑塊采用SGB20-4輪帶鎖滑塊，與y軸相連接；x軸采用寬46 mm，長(zhǎng)350 mm的SGR15N滑軌，配套的x軸滑塊采用SGB15-3輪帶鎖滑塊，用于安裝激光探頭；y軸采用直徑20 mm，長(zhǎng)500 mm的SCS-20滑軌，配套2個(gè)固定件和2個(gè)內(nèi)置滾子的帶鎖滑塊，便于安裝。同時(shí)，設(shè)計(jì)連接件1用于連接x軸滑軌和y軸滑塊，連接2用于連接y軸滑軌的固定件和z軸滑塊。

設(shè)計(jì)的激光測(cè)振系統(tǒng)如圖4所示，通過(guò)調(diào)節(jié)滑軌位置和激光探頭旋轉(zhuǎn)角度，可以便捷地測(cè)量試件上各點(diǎn)位的振動(dòng)情況，此外，每個(gè)滑塊上都帶有緊定螺栓，有利于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的研究提供了硬件平臺(tái)和試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖4 非接觸激光測(cè)振系統(tǒng)

2 變幅桿-試件振動(dòng)特性響應(yīng)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)概述

采用圖4所示的激光測(cè)振系統(tǒng)，粗調(diào)激光探頭焦距約為80 mm，而后細(xì)調(diào)z軸滑塊，當(dāng)激光探頭上指示燈由黃色變?yōu)榫G色時(shí)表明焦距調(diào)節(jié)完畢，可以開始測(cè)量。而后，連接激光探頭與控制器間的數(shù)據(jù)總線，將控制器與外接數(shù)據(jù)線通過(guò)USB連接至計(jì)算機(jī)，打開操作軟件LK-Navigator 2，設(shè)置采樣頻率為392 kHz，位移測(cè)量范圍為-5～5 mm，測(cè)量功率超聲激勵(lì)下變幅桿-試件的振動(dòng)響應(yīng)。

2.2 變幅桿振動(dòng)特性響應(yīng)

將激光探頭對(duì)準(zhǔn)變幅桿端面，啟動(dòng)超聲紅外熱成像檢測(cè)平臺(tái)，待測(cè)振系統(tǒng)開始采樣后迅速激發(fā)變幅桿超聲振動(dòng)，得到振動(dòng)響應(yīng)如圖5所示，處理后的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果如圖6所示。由圖5可知，變幅桿的振動(dòng)除過(guò)起振階段出現(xiàn)尖點(diǎn)外，后續(xù)振動(dòng)十分規(guī)則；由圖6可知，變幅桿振動(dòng)情況良好，位移Hd符合asin(ωt)規(guī)律，其中，a為振動(dòng)幅值，約為100 μm，ω為振動(dòng)頻率，約為19.6 kHz，非常接近超聲發(fā)生器頻率20 kHz，與控制面板顯示頻率相同，無(wú)其他諧波成分，表明搭建的激光測(cè)振系統(tǒng)能夠測(cè)量高頻超聲振動(dòng)，且精度很高。

圖5 變幅桿振動(dòng)響應(yīng)原始數(shù)據(jù)

Hd為變幅桿的振動(dòng)位移；t為響應(yīng)時(shí)間；Hda為變幅桿的振動(dòng)幅值；f為振動(dòng)頻率

2.3 試件振動(dòng)特性響應(yīng)試驗(yàn)研究

2.3.1 耦合劑對(duì)試件振動(dòng)特性的影響

在超聲熱成像檢測(cè)過(guò)程中，Jia等[15]研究發(fā)現(xiàn)，耦合劑可以增強(qiáng)缺陷的生熱效應(yīng)。因此，研究耦合劑對(duì)試件振動(dòng)特性的影響對(duì)于提高超聲熱成像的檢測(cè)效率具有重要意義。

試驗(yàn)件為采用鋁合金板狀試件，尺寸為200 mm(長(zhǎng))×100 mm(寬)×4 mm(高)，將激光探頭對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)件，采集試件分別為在無(wú)耦合劑和醫(yī)用膠布作為耦合劑條件下試件振動(dòng)響應(yīng)，如圖7、圖8所示。

Sd為試件的振動(dòng)位移；Sda為試件的振動(dòng)幅值

圖8 有耦合劑條件下試件振動(dòng)響應(yīng)

圖7(a)和圖8(a)為試件振動(dòng)位移的時(shí)域響應(yīng)。可以看出，在有耦合劑條件下，試件振動(dòng)響應(yīng)曲線毛刺較少，波形更加規(guī)則，振動(dòng)位移幅值更大。為進(jìn)一步直觀描述試件的振動(dòng)特性，對(duì)兩種情況下的振動(dòng)響應(yīng)曲線進(jìn)行頻譜分析，如圖7(b)、圖8(b)所示?？梢钥闯?，試件在功率超聲激勵(lì)下，振動(dòng)頻率除了基頻f外，還出現(xiàn)了高于f的高次諧波和低于f的次諧波，其中高次諧波主要為1.8f、2.8f、3.9f和6.7f，次諧波主要為0.16f，這表明試件產(chǎn)生了非線性振動(dòng)，出現(xiàn)了“聲混沌”效應(yīng)，這與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果一致。此外，對(duì)比圖7(b)和圖8(b)可知：當(dāng)耦合劑存在時(shí)，試件振動(dòng)的諧波階次幾乎沒(méi)有變化，但試件各階次諧波振動(dòng)的幅值均有所增加，圖8(b)中次諧波0.16f的幅值約為33 μm大于圖7(b)中的23 μm；圖8(b)中高次諧波1.8f的幅值約為28 μm，大于圖7(b)中的22 μm；圖8(b)中高次諧波2.8f的幅值約為25 μm，大于圖7(b)中的11 μm，這表明耦合劑增強(qiáng)缺陷生熱并不是因?yàn)樵鰪?qiáng)了試件的“聲混沌”效應(yīng)，而是因?yàn)樘岣吡顺暷芰康膫鬟f效率，有效地促進(jìn)了試件的振動(dòng)，同時(shí)，也為超聲熱成像檢測(cè)時(shí)選用適宜的耦合劑提供了一種試驗(yàn)途徑。

2.3.2 表面粗糙度對(duì)試件振動(dòng)特性的影響

通常情況下被測(cè)物體表面比較粗糙，因此，有必要研究粗糙度對(duì)試件振動(dòng)特性的影響。為模擬不同表面粗糙程度的試件，首先采用激光測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量激勵(lì)光滑表面時(shí)試件的振動(dòng)響應(yīng)，然后用尖銳物體刺劃上述鋁合金試件激勵(lì)位置表面，得到較為粗糙的試件表面形貌，再利用測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量激勵(lì)粗糙表面時(shí)試件的振動(dòng)響應(yīng)。劃傷前后的試件表面形貌如圖9所示。激勵(lì)光滑表面得到的結(jié)果如圖7所示，激勵(lì)粗糙表面得到的試件振動(dòng)特性響應(yīng)如圖10所示。

藍(lán)色圓圈標(biāo)記部分為粗糙表面區(qū)域

圖10 激勵(lì)粗糙表面試件振動(dòng)響應(yīng)

對(duì)比圖7和圖10可以看出，除了基頻f外，同樣產(chǎn)生了高于f的高次諧波和低于f的次諧波。但激勵(lì)粗糙表面得到位移幅值比激勵(lì)光滑表面得到的位移幅值更大，波形也更加簡(jiǎn)單，如激勵(lì)光滑表面得到諧波0.16f的幅值約為23 μm，而激勵(lì)粗糙表面得到的幅值約為37 μm，這可能是因?yàn)楫?dāng)試件表面被加工出粗糙區(qū)域后，粗糙表面與變幅桿接觸后形成了黏滑接觸，起到了類似耦合劑的效果，不僅不會(huì)減小幅值，反而增強(qiáng)了能量傳遞，導(dǎo)致較粗糙表面的試件在功率超聲激勵(lì)作用下位移幅值大于較光滑表面。

3 結(jié)論

針對(duì)超聲熱成像檢測(cè)中的非線性振動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了激光探頭夾持裝置，構(gòu)建了一套四自由度的非接觸式激測(cè)振系統(tǒng)，并開展了功率超聲激勵(lì)變幅桿-試件振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了耦合劑對(duì)振動(dòng)特性的影響。得到如下結(jié)論。

(1)變幅桿振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)中，變幅桿的振動(dòng)響應(yīng)頻率為19.6 kHz，與超聲波發(fā)生器頻率20 kHz非常接近，表明構(gòu)建的非接觸式激光測(cè)振系統(tǒng)可以有效地測(cè)量超聲熱成像檢測(cè)中的高頻振動(dòng)。

(2)在超聲熱成像檢測(cè)中，耦合劑能增強(qiáng)缺陷生熱是因?yàn)樘岣吡顺暷芰康膫鬟f效率，增大試件的振動(dòng)幅值，促進(jìn)了試件的振動(dòng)。同時(shí)，這也為超聲熱成像檢測(cè)時(shí)選用適宜的耦合劑提供了一種試驗(yàn)途徑。

(3)在超聲熱成像檢測(cè)中，一定程度的粗糙表面可以起到類似耦合劑的作用，增強(qiáng)超聲的能量傳遞，促進(jìn)試件的振動(dòng)。