[发明专利]基于空间调制激光超声声谱的材料近表面宏微观缺陷一体化超声检测方法

说明书

本发明公开了一种基于空间调制激光超声声谱的材料近表面宏微观缺陷一体化超声检测方法，首先利用双间距光学掩模板使照射到被测材料表面的高能脉冲激光束形成两种周期分布的栅状激光光斑，在被测区域同时激发出两列不同频率的超声表面波，并在被测区域发生线性或非线性相互作用，再由激光超声检测单元在表面一侧接收表面波信号，对接收到的表面波信号脉冲序列的后半段进行傅里叶变换，获得空间调制激光超声频谱曲线，最后根据频谱中两种基频及其非线性混频成分的分量实现线性超声和非线性超声的一体化检测。

技术领域

本发明涉及材料表面及近表面宏微观缺陷的无损检测方法，具体涉及一种基于空间调制激光超声声谱的材料近表面宏微观缺陷一体化超声检测方法。

背景技术

机械系统中一些重要结构在运行过程中由于受腐蚀和疲劳载荷作用，容易在结构表面及近表面产生损伤或缺陷。通常损伤是由最初的微纳尺度的微观缺陷逐渐扩展成毫米尺度的宏观缺陷，并进一步扩展直至结构发生最终破坏性断裂失效。现有机械结构无损检测技术主要针对的是毫米尺度的宏观缺陷的检测，而对于微纳尺度的微观缺陷以及亚毫米尺度的初始宏观缺陷，则缺乏行之有效的无损检测方法和技术。但通常一旦结构中的缺陷扩展至毫米尺度，会在很短时间内达到临界尺寸并发生断裂，在金属构件的断裂失效事故中，大部分都是由于在运行过程中没有及早发现结构中损伤或缺陷的存在。因此，进一步开发针对结构表面微观缺陷及初始宏观缺陷的一体化无损检测和评价技术，是保证结构安全及防止出现突然性结构失效事故而引发重大经济损失和人员伤亡的重要途径。

超声检测作为目前主要的无损检测技术之一，具有易操作、检测能力强、适用范围广等优点。常规超声检测方法主要针对宏观缺陷的检测，而对于微观缺陷检测灵敏度很低，而近年来新型非线性超声检测方法的出现，大幅度提高了对微观缺陷的检测能力和灵敏度。但现有超声检测方法主要均基于常规接触式压电探头，检测时要求探头与被测构件有良好接触和液体耦合剂支持，对于机械结构中损伤易发的敏感部位(例如几何形状突变)可达性较差、空间分辨率较低。且目前用于宏观缺陷的常规线性超声和用于微观缺陷的非线性超声在测量方法以及信号处理和分析方面均存在很大不同，两种技术上不通用，缺乏针对宏微观缺陷的一体化检测方法和技术。

激光超声作为一种新兴超声检测技术，具有非接触、高分辨率、可达性好、易实现复杂构件的快速自动化检测等优点，可以有效克服传统超声检测技术的不足。特别是通过一定的光束整形技术对激励激光源进行空间周期排布，脉冲激光可以激发相干和窄频段超声表面波，通过超声信号的频谱实现波速的精确和高分辨测量，为超声检测技术提供了一种全新的高灵敏度测量方法和发展思路。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明基于激光超声本身所具有的非接触和高分辨特性，同时借助空间周期排布(栅状)的脉冲激光光斑可以激发窄频段超声表面波这一方法，提出一种基于空间调制激光超声声谱的材料近表面宏微观缺陷一体化超声检测方法，大幅度提高对于机械结构中损伤易发的敏感部位(例如几何形状突变)超声检测的可达性和结构全寿命阶段宏微观缺陷的检测能力。该方法首先利用双间距光学掩模板使照射到被测材料表面的高能脉冲激光束形成两种周期分布的栅状激光光斑，在被测区域同时激发出两列不同频率的超声表面波，并在被测区域与宏微观缺陷发生线性或非线性相互作用，再由激光超声检测单元在表面一侧接收表面波信号，对接收到的表面波信号脉冲序列的后半段进行傅里叶变换，获得空间调制激光超声频谱曲线，最后根据频谱中两种基频及其非线性混频成分的分量分别实现对宏观缺陷的线性超声检测和对微观缺陷的非线性超声检测，从而实现对材料表面或近表面宏微观缺陷的一体化超声检测。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：