文献综述

1. 研究背景与意义

在金属材料的加工和制造过程中，由于压力和温度等外部因素的影响，材料在生产过程中导致的不易察觉的微裂纹可能会发生变化，并且继续扩展、合并，最终导致材料的损坏、无法继续使用，在诸如飞机发动机主轴、微型电路板等精密仪器以及重要零器件等的制造和使用上，这些微裂纹可能会造成重大的经济损失，因此我们不仅需要微米量级的无损检测技术来检测缺陷，还需要开发高精度、非接触式的检测仪器来实时检测这些微缺陷。

基于上述要求，本次毕业设计主要研究一种利用激光超声检测技术、结合合成孔径聚焦对金属材料内部缺陷实现准确检测的方法，并尽可能的简化这一过程。

2. 基本原理

2.1 激光超声无损检测

激光超声无损检测是用脉冲激光以热弹效应或热蚀效应在被测构件中产生超声应力脉冲，应力脉冲能同时激发出不同波型的超声波信号，超声信号携带被测构件的各项信息在其内部和表面传播，通过检测超声波信号反射、散射以及衰减情况进行缺陷特征描述^[1-2]。激光超声无损检测技术以激光激励超声波，以非接触、大范围光学系统的扫描方式，可以应用于各种条件、型面、材料下的检测，在适用性上不受限制，其检测速度也远远高于传统探测器的机械平移方式和其他检测技术的信号激励方式。

此外，激光超声根据宽频带和高空间分辨率的特点，可以实现在线实时观察；根据光学聚焦以小尺寸光斑激励的特点，可以保证高精度^［3］。在新型的非接触无损检测方式中，激光超声无损检测技术凭借其更全面、更适用的优势脱颖而出，是研究人员重点关注探讨的非接触无损检测技术，在工业等领域具有广阔的应用前景和发展意义。

从激光产生超声波的方式来看，分为直接式和间接式，直接式通过激光与被测构件

周围其他介质来激发超声波；从激光光源来看，主要有Nd:YAG激光器、CO₂激光器、氮激光器、染料激光器等，其中以Nd:YAG激光器为代表的脉冲激光器应用最多；从接收超声波信号的方式来看，分为压电换能器检测法和光学检测法，压电换能器检测法较为经典且灵敏度高，但需接触检测构件，应用范围不广，目前应用实验室较多。光学检测法又分为干涉法和非干涉法两种，两者都是利用激光照射被测构件表面，通过分析反射光的频率等参数变化来检测超声信号，区别在于非干涉法主要应用于抛光表面，干涉法主要应用于粗糙表面^[4]。

2.2 激光超声无损检测技术的限制

激光超声技术利用脉冲激光在被检测材料内部激发超声波，通过接触式方法（压电换能器作为接受器接受检测信号）或非接触式方法（如电磁声换能器、光学检测方法等）检测由于超声波变化引起的表面位移^[5]、表面梯度^[6]、表面速度^[7]的变化来实现对超声波的检测，然后分析超声波的速度、振幅、频率等特性，可以获知材料的声学特性和表面及内部缺陷等参数^[8]。其中，当利用超声对材料内部缺陷进行检测时,超声波束的宽度会影响检测的横向分辨率,波束宽度由超声换能器的半功率波束角决定.对于一个孔径为D、工作波长为lambda;的换能器来说,其半功率波束角与波长lambda;成正比,与孔径D成反比，因此采用大孔径换能器能够减小超声波的半功率波束角，从而提高检测横向分辨率，但应用于形状复杂的待测件时，换能器的孔径不能太大，这就限制了检测横向分辨率的提高。

2.3 合成孔径聚焦技术

合成孔径聚焦技术(SAFT)是传统声学领域中提高检测分辨率的途径之一,其基本原理是将一系列单个小孔径传感器结合起来代替一个大孔径传感器,以达到提高检测横向分辨率的目的。

合成孔径聚焦的基本原理^[9-12]如图所示，当一超声收、发的探头沿直线移动，毎隔距离d发射一个声波，同时接收来自物体各点的散射信号并加以储存。根据各成像点的空间位置，对接收到的信号作适当的声时延或相位延迟后再合成得到的被成像物体的逐点聚焦声像，就是合成孔径成像技术。

合成孔径聚焦超声成像原理

从发射来看，当一探头移到第i点时，它在以前一系列点上发射声波形成的声场，等效于以线阵列的阵元延时辐射的声场。这样，单个探头配合其运动的驱动系统和信号存储系统，就合成为一个大尺度的换能器阵。

从接收来看，如果要得到物体内A点的成像信号，只需把探头在各检测点上所得到的信号中对应从A点到各測点来回传播的声时的那时刻上信号幅度相加。而这等价于把A点处理成聚焦点。由于利用微机可以把物体内任何一检测点都作为焦点来处理，这就使合成孔径成像有高的分辨率。

3. 技术特点

与其他成像方法相比，合成孔径成像有两个显著特点：

（1）方位分辨率与作用距离R和声波波长lambda;无关。

假设换能器直径为R,扩散角为theta;。如果目标点P到换能器的垂直距离为R，换能器的半功率点波束角为,基元换能器辐射声束的最大综合长度为，合成孔径的方位分辨率为。

由上述分析可以看出，合成孔径与实际线阵有很大的不同特性：合成孔径线阵的方位分辨率为，是个常数，与目标物至换能器的距离无关，基元换能器的孔径d越小，方位分辨率越高。

这从理论上带来重大突破。这表明，釆用合成孔径技术可以用小孔径的实际基元换能器和较低的工作频率，对位于远处的目标物作具有高方位分辨率的探测、观察。突破了经典概念的限制，解决了直接成像技术中对系统设计参数的一些互相矛盾的要求。

（2）合成孔径成像具有近场适用性。

合成孔径成像突破了常规声成像适用于的远场限制，这是因为合成孔径系统中，它是由一个小孔径基元换能器沿一定轨迹移动，依次发射及接收声波，不存在多个声波辐射的声波束之间的相互干涉，可视为单点源工作。

4. 国内外研究进展

合成孔径聚焦成像技术最早应用在雷达领域，后来Flaherty^[13]与Burckhardt等^[14]将这项技术拓展到超声检测领域。自1976年起，密歇根大学的研究人员^[15-16]利用基于超声换能器的脉冲回波法对SAFT成像进行了研究，他们指出，由缺陷引起的回波传播时间与换能器位置 间 的 关 系 可 以 用 双 曲 线 函 数 来 描 述^[15]。Berkhout等^[17]提出了三种常用于合成孔径聚焦超声检测(SAFT-UT)的数据采集方式：平面波法、零偏移法、全数据集合法。此后有诸多研究人员致力于对以上三种检测方式进行改进：Karaman等^[18]将单个换能器代替换能器阵列，利 用 全 数 据 集 合 法 实 现 了 对 小 型 结 构 的SAFT成像；Spies^[19]等基于SAFT技术提高了对强衰减材料缺陷的检测能力；Boehm等^[20]展开了利用SAFT检测裂纹形状的相关研究，通过收集大量由裂纹反射的信号提高了信噪比；Lorraine等^[21]首次将SAFT与激光超声相结合，采用类似于零偏移法的技术同时移动激发光源和检测光源，使二者重合于材料表面上的同一点，实现了对材料内部及表面缺陷的成像。至此，合成孔径聚焦成像技术已得到相当程度的发展。

5. 小结

本文主要介绍了金属材料内部缺陷检测的相关方法，从激光超声无损检测的基本原理到其缺陷出发，说明合成孔径聚焦方法在检测过程中的应用以及它的优点，并给出了这一技术在国内外的发展过程以及研究现状，展现了这一研究良好的应用价值和极大的发展前景。

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