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《激光超声技术及其在材料分析中的应用》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。激光超声具有非接触、光路鲁棒性好、无损以及高频宽带的特点，兼具超声在介质中的高穿透性和脉冲激光的高频和高速可调性，特别适合于各类高精度快速检测的工业需求，尤其在高温、高压等极端环境下进行实时、动态检测方面具有不可取代的优势。《激光超声技术及其在材料分析中的应用》以激光与材料相互作用的原理为基础，结合作者在激光超声领域的研究成果和国内外研究进展，对激光超声的原理、应用及未来发展进行了详细描述。《激光超声技术及其在材料分析中的应用》回顾了激光超声技术的发展历程以及国内外研究现状；系统阐述了脉冲调制的激光在不同材料中激励脉冲超声的模型及数值分析方法；接着讲述了基于激光干涉法和非干涉法的激光探测超声的原理和技术；随后针对几种典型的应用场景，如层状材料、管件材料、激光增材制造，从检测系统的构建以及算法的构成等方面进行了阐述；*后，将激光超声方法应用于微观组织结构表征，分别从声衰减法以及声表面波法两方面阐述了激光超声用于表征单晶、多晶金属材料中晶粒大小及多晶材料织构的原理和方法。
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目录总序前言第1章 激光超声检测方法概述 11.1 光声检测技术的发展历程 21.2 光声检测技术的应用 4参考文献 6第2章 激光激发超声基本理论和有限元方法 102.1 固体材料中激光热弹产生超声波的基本理论 102.1.1 固体弹性力学基本理论 102.1.2 脉冲光源激励下的热弹效应 212.2 激光热弹超声的有限元求解方法 292.2.1 有限元方法简介 292.2.2 热传导方程的积分形式 292.2.3 热弹方程的有限元解法 302.3 激光点源/线源激励的超声模型与分析 302.3.1 模型定义 302.3.2 结果与讨论 322.3.3 体热源激发的固体弹性波 332.3.4 模拟功能梯度材料 352.3.5 激光点源激发的表面波 362.3.6 线源激励的声表面波传播特性 382.4 瞬态热栅法激励超声的基本理论与有限元分析 402.4.1 热传导理论 402.4.2 热栅激励超声的有限元模型构建 412.4.3 数值模拟结果与讨论 412.4.4 声表面波在缺陷材料中的传播特性 432.4.5 竖缺陷对声表面波的影响 462.5 基于激光超声的固液界面声波 472.5.1 超声波在流固耦合界面上的反射与透射 472.5.2 阻抗转移定理 482.5.3 建模实验 49参考文献 54第3章 超声的光学探测技术 563.1 刀边法检测系统 573.2 基于光偏转的光纤式探测器 593.2.1 光纤式探测器原理 593.2.2 光纤式探测器系统设计 603.2.3 系统结果与分析 613.3 双波混合干涉仪原理 643.3.1 抗干扰原理 653.3.2 系统光路原理图 663.4 剪切散斑成像 673.4.1 剪切散斑成像的基本介绍 673.4.2 数字散斑干涉技术原理 683.4.3 剪切散斑干涉成像原理 693.4.4 剪切散斑干涉的模拟分析 713.4.5 剪切散斑成像的演示系统 723.5 激光多普勒测振仪 733.5.1 激光多普勒测振仪的测振原理 733.5.2 激光多普勒测振仪的信号处理 753.6 基于热栅激励的窄带检测技术 763.7 单点扫描的数据处理 803.7.1 利用一维傅里叶变换获取色散*线的方法 803.7.2 二维傅里叶变换在超声信号处理中的应用 82参考文献 83第4章 激光超声在层状材料检测中的应用 844.1 层状材料中的声传播理论 844.2 实验装置设计 864.3 实验信号处理 874.4 实验结果与讨论 884.4.1 0.3mm薄铝板中导波传播特性 884.4.2 三层胶合板中导波传播特性 894.5 三层胶合材料中声传播特征的数值模拟 90参考文献 92第5章 激光超声在圆管中缺陷检测 935.1 周向导波的基本方程 935.1.1 单层环中的周向水平剪切波 945.1.2 单层环中的周向兰姆型导波 965.1.3 多层环状结构 995.1.4 周向导波控制方程的数值解 1025.2 小口径薄壁管纵向缺陷检测实验 1105.3 样品选择及实验台搭建 1105.4 高频缺陷检测实验 1125.5 低频缺陷检测实验 1145.6 结果和讨论 114参考文献 117第6章 激光超声在增材制造部件检测中的应用 1196.1 有限元模型构建 1196.1.1 物理场耦合与有限元方程 1196.1.2 模型构建与参数设置 1216.1.3 弹性波的激发与传播仿真 1236.1.4 缺陷对弹性波传播的影响 1256.1.5 弹性波与不同缺陷相互作用仿真 1286.2 激光超声检测系统设计与结果分析 1356.2.1 实验系统设计 1356.2.2 实验结果分析 1376.3 适用于激光超声的合成孔径聚焦算法 1416.3.1 基于激光超声反射式检测的时域多模态SAFT算法 1416.3.2 基于爆炸反射模型的多模态频域SAFT算法 1476.3.3 基于激光超声透射式检测的多模态SAFT算法 1506.4 基于激光超声多模态的SAFT成像实验研究 1556.4.1 内部深埋缺陷检测 1556.4.2 亚表面缺陷检测 1596.5 小结 163参考文献 163第7章 激光超声在金属板材组织性能检测方面的应用 1657.1 研究的背景和意义 1657.1.1 金属晶粒大小的重要性及其应用 1667.1.2 金属板材织构存在的普遍性及其应用 1677.1.3 超声波在多晶材料中的散射 1697.1.4 超声波衰减法检测金属晶粒尺寸 1717.1.5 超声波声速法检测金属晶粒尺寸 1727.2 基于激光超声的316L不锈钢平均晶粒尺寸计算模型 1737.2.1 实验材料和方法 1737.2.2 实验结果和讨论 1767.2.3 本节小结 202参考文献 203第8章 基于声表面波特性的晶粒及材料织构分析 2068.1 立方晶系多晶体金属材料中声表面波传播特性 2068.1.1 数值模拟与计算 2068.1.2 分析和讨论 2148.2 激光超声表征再结晶过程中织构的演变 2198.2.1 实验材料和方法 2198.2.2 实验结果 2208.2.3 数值模拟 2248.2.4 本节小结 2278.3 基于激光超声表面波的四阶织构系数预测 2278.3.1 实验材料和方法 2288.3.2 织构影响下的声表面波速度色散 2288.3.3 神经网络专家系统的训练 2318.3.4 本节小结 236参考文献 236关键词索引 238
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第1章激光超声检测方法概述 无损检测是在不破坏受检物体的情况下，对材料的性能、质量、内部缺陷进行检测的一类技术。目前*常用的无损检测方法主要有以下几种[1]：目视法、超声检测（UT）、射线检测（RT）、渗透检测（PT）、磁粉检测（MT）和涡流检测（ET）。目视法主要用于发现材料表面或外观所能呈现的缺陷，但无法判断材料内部的缺陷，且易受人为因素的影响；射线检测[2]可快速地检测材料内部的孔隙、夹杂以及断裂等缺陷，但对分层、脱胶具有一定的局限性，而且射线检测对检测环境要求高，对人体有害且防护要求高；渗透检测、磁粉检测以及涡流检测方法仅适用于表面和近表面缺陷检测，此外其他常规的检测方法，如光学检测[3]主要是在外部热加载或力学加载的情况下，通过检测表面形貌在加载前后的变化判断材料表面或近表面的缺陷，但对材料内部缺陷不敏感；红外热成像[3，4]可清晰地检测浅表面/厚度薄的复合材料内部的缺陷，但空间分辨率相对比较低。声对介质材料的可穿透性为材料的微区物理性能和不均匀性检测，以及内部结构和缺陷的非破坏性观察提供了可能[1，5-7]。因而，超声检测与其他常规技术相比，具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于现场检测等优点。近几十年来，超声检测已得到了巨大发展和广泛应用，几乎应用到所有工业部门。 由于传统的超声检测方式往往需要在探头和被测材料之间加耦合剂，然而在某些情况下，如检测表面不均匀材料、在线检测材料、检测吸附性材料等，使用传统的耦合方式是不稳定的，将给测试结果带来不可预测的误差，甚至腐蚀测试样品。因此，非接触式超声检测技术逐渐引起人们的重视。目前常用的非接触式检测方式主要有电磁超声检测技术、空耦检测技术和激光超声技术等。电磁超声检测技术目前被广泛地应用到导电或导磁材料的无损检测中[1]，根据电磁超声检测其本身的原理特性，该方法局限于导电或导磁的材料的检测，且设备复杂[1，6]。空耦换能器由于受到带宽的影响，其对缺陷的分辨率具有一定的局限性。近年来激光超声检测技术[8]以及将激光超声与电磁超声检测相结合的新型检测系统，如利用电磁激发超声而使用激光检测或利用激光激发超声而使用电磁检测，以及激光超声扫描检测等技术，这些方法可为材料的快速无损检测提供新的方案。 1.1光声检测技术的发展历程 A.G.Bell于1880年*先发现了光声效应[9]，即当调制的光束照射到物体上时能够发出可听声，并且光的调制频率对声音有着重要的影响，然而由于当时将光转换为声信号的效应很弱，光声现象并没有引起足够的重视。随着激光的诞生和激光技术、微弱信号检测技术的迅速进步，激光超声技术进入了快速发展期。 1963年，R.M.White等[1]和G.A.Askar’yan等[5]分别采用激光束在不同的材料中激励产生了超声波。White等研究了固体中的超声现象，而Askar’yan等研究了液体内被激励的超声。与传统的超声检测方法相比，激光超声具有以下典型特征[6-8]：非接触、无损、大带宽、可快速扫描以及良好的探测能力。近几十年来，激光超声在许多领域得到了快速发展[2，3]，如物理[4]、化学[10]、工业[11]、生物[12]等。 激光超声包含三个基本过程[13]，即激光在材料中激励超声、超声在材料中传播和相互作用、被激发和与材料相互作用后的超声信号的检测。早期的研究主要集中在实验激光脉冲激励凝聚态材料并记录所产生的超声信号特征。随之而后的研究集中于激光超声的数理模型并与实验结果相比较，以期完善该模型，为后续的研究提供可靠的理论帮助。此后，更多的研究将激光超声技术应用于不同场景，该类研究主要集中于激光超声的激励方式、激光超声的检测方式以及超声信号与缺陷之间的关联性等方面。 1.激光超声的激励机制 当一束短脉冲（纳秒、皮秒或者飞秒等）激光辐照在介质（液体、固体或气体）上时，介质会吸收光而产生热，由于材料的热弹性质，被测材料中产生声波。激光产生的超声波有两种主要方案[3，14]：一是热弹机制，二是烧蚀机制。 热弹机制是当短脉冲激光照射在被测样品表面上的功率密度低于被测样品的损伤阈值时所引起的光声效应，如金属在近红外/可见波长区域的损伤阈值为<107W/cm2。烧蚀机制是当被测材料表面的激光的辐照功率密度大于被测材料表面的损伤阈值时的光声效应。在烧蚀机制下，往往会导致被测材料表面产生损伤，所以在常规的无损检测中，应适当调节脉冲激光的能量，以保证在热弹机制下在被测材料上产生超声。常规的激励超声的空间调制方法主要有以下几种。 （1）点源激励：将脉冲激光聚为点源，该点源可描述为在表面突然施加的一对相互垂直的点力偶[9，15，16]。由此激励产生的声波向半球面的每个方向上传播，且具有很宽的带宽。 （2）线源激励：线源相当于沿线突然施加的力偶[17-20]，所激发的声表面波的传播方向是垂直于脉冲线源的波矢量方向，且具有高的带宽。 （3）瞬态栅源：将一束激光分为两束光并以一定的角度将分光后的两束光叠加在被测物体表面，则这两束激光将产生干涉，当该周期性的光能量被吸收后将形成瞬态热光栅（TTG），而该TTG所激励的声表面波的传播方向垂直于光栅衍射方向，且被激励的声波频率为离散的频率，各频率成分之间具有倍频关系，且基频的波长与光栅的栅间距一致[21-23]。 在某些测试情况下，为了提高脉冲激光所激励超声波的强度，往往在被测材料表面添加约束层。例如，使用墨汁或者使用蜡烛熏黑等手段以增加吸收脉冲光源的效率，在此类情况下，可以大大提高调制后的脉冲光源所激励的纵波、横波和声表面波的幅值，但并不破坏实际被测材料[23]。如采用约束层激励声波，其幅值可增加>20dB，其效果与烧蚀机制等同。 2.应用激光超声方法表征材料性能 在理论上，White[1]*先推导了脉冲光源激励超声波的热弹数学模型，在其所建立的一维模型中描述了脉冲光源在金属表面所产生的热弹性加载，而不考虑激光脉冲和周期性的脉冲之间的相互影响。Scruby等[9]和Dewhurst等[15]使用格林函数法分析自由表面固体表面上被聚焦成点源的脉冲激光所激励的超声波三维计算模型，利用该模型数值计算出点源激励的超声波形，并与实验结果相比较，验证了该模型的正确性，并且指出烧蚀机制下的超声机制相当于附加了垂直于表面的动量载荷，而声表面波主要为热弹作用下的水平载荷主导[24]。 Rose[16]构建了由热弹性点源引起的机械位移的解析表达式，该表达式基于两点：振动沿中心轴方向和沿表面传播。在Rose研究的基础上，后续的科研人员将点源诱导的声波波形进行卷积，将Rose点源解析方法扩展到有限长度的线源[25，26]和高斯分布的线源[27，28]。在不同的方法中，对于轴对称的扩展源（圆盘源）产生的声波的解析方法是通过借助积分变换技术直接求解相关波动方程而获得[29]。此外，针对短带或者无限长线源激励的超声信号的计算模型也是通过点源的扩展方法来获取[30]。假设激光脉冲具有矩形时间分布以及热弹性耦合为准静态过程，Li[31]给出了脉冲光热方法激励超声的3D理论模型。进一步地，Cheng等[32，33]研究了具有Q开关调制的激光脉冲激励超声的动态热弹性响应性。此外，为了表征激光激励下的黏合板的胶合特性，许多科研人员借助于弹簧和密度模型分析在胶合板中超声波特性以获取黏合板中的缺陷[34-36]。 由于脉冲激光所激励的超声所具有的宽带特性，激光超声在薄板的弹性性质表征以及缺陷检测方面具有*特的优势。该类研究主要基于1888年Rayleigh[37]和兰姆（Lamb）[38]所建立的基于弹性波理论所建立的薄板的色散波方程。对于层状材料的特性研究主要基于Gazis和Mindlin[39]利用近似理论所建立的色散关系，以及Farnell等[40]和Miklowitz[41]所建立的瞬态声表面波（SAW）在分层材料中的传播模型。 3.激光超声波检测系统 可采用多种方法检测被测材料中所激励的超声，如各种接触式的超声换能器和非接触式的探头，如空耦换能器和电磁换能器等。而典型的非接触式激光超声检测主要有以下两种方式。 （1）干涉测量法：干涉测量方法是将激光束分成探测光束和参考光束，当探测光束从样品表面反射后，反射的探测光束与参考光束相互干涉。此时干涉信号的变化量即反映了被测样品表面沿法线方向的声波所导致的表面振动位移大小随时间的变化量[22，42-47]，该方法中*典型的是基于迈克耳孙干涉的外差和零差测量方法、具有自适应波前匹配功能的双波混频干涉测量方法、基于标准具的法布里-珀罗干涉方法以及基于多普勒效应的激光干涉测量方法等。基于干涉测量的光路具有灵敏度高的优势，并可以采用单点扫描结合数据重构实现被测物体表面位移成像，也可以采用面阵成像系统实现被测物体表面位移的直接成像。 （2）非干涉测量法：该类方法目前主要有基于光偏转的刀边法、差分法，基于光反射率变化的光学测量法以及表面栅源法等，其中比较常用的方法为光学偏转方法，该方法是将探测激光聚焦成无限小的光斑，并照射在被测材料的表面，这样当被测材料表面由于声波的振动而发生形变时，将引起反射光束发生微小偏转，该偏转量的大小即反映了被测表面的形变随表面振动的变化特性[48-51]。该类方法的优点是设备简单，缺点是无法对被检测物体表面的位移构成面检测系统，只能采用单点扫描结合数据重构的方法实现被测材料物体表面的位移成像。 1.2光声检测技术的应用 超声在物质中的高穿透性，为表征材料的力学性质提供了一种高效灵敏的“探针”。由于超声在微观上可描述为构成材料晶格的原子集体振动，因而超声的振动信息携带了晶格组织的失配、晶格缺陷、位错等微纳尺度信息的宏观表现[52]，从而为材料中的弹性力学参量、应力分布、材料的微观组织特性表征等均带来了可能。当超声在被测材料中传播时，如遇到不连续界面，超声信号将被反射、散射等，这样对被检测到的信号进行分析，既可以提取被测材料中的体缺陷，也可以分析被测材料的不连续界面，同时也可以结合弹性波传播方程，根据已经探测到的超声信息以获取被测材料的弹性模量，层状材料的厚度、密度、热特性、压电特性、界面特性以及微观结构特性等。因而激光超声波已被应用于现代生产的各个领域。 （1）材料中缺陷的无损检测（NDT）。超声波是常规的材料内部缺陷检测的手段，主要有接触式和非接触式两种方法。由于测试工况的需求，非接触式超声检测目前正逐渐引起注意。其中常用的非接触式换能器主要有电容式探头、电磁声换能器（EMAT）和空气耦合换能器，该类换能器在使用过程中均具有相应特殊的特点和局限性，无法远离被检测系统表面。而激光检测与激励系统的可调控性，为远离被测材料表面并开展相应的材料内部缺陷的检测与定位提供了可能[9，53-56]。使用脉冲激光激励超声，结合EMAT检测铁磁性材料中被激光激励的超声场，Dewhurst等[55]初步实现了被测材料中缺陷检测与定位。加拿大的Monchalin等[57]开发了可适用于粗糙材料表面的一种共焦法布里-珀罗干涉仪，并将其应用于激光超声系统，实现了具有全光学的激光超声检测系统，并应用于管道测厚和飞机蒙皮的缺陷检测。在Monchalin等的前期工作基础上，Wang等[58]将脉冲激光的空间分布调制为环形结构以激励具有会聚效果的超声，表征了被测材料表面和近表面的缺陷。Doyle和Scala[59]使用反射和透射的超声波构成的振荡，实现了具有楔角的材料表面与近表面处的缺陷检测。将脉冲激光聚焦为线源，Harker[60]和Lesne等[61]在具有薄板特征的金属材料中激励对称和反对称兰姆波，实现了管道中的缺陷的定位与检测。进一步地，Berthelot等[62]将激光超声技术应用于生产过程中纸张厚度的检测，以保证造纸生产线上纸张厚度
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