王冠*，金学元，曾智，张存林，陶宁

　　(首都师范大学 物理系，北京 100037)

　　摘 要：非接触超声激励方式使用独特设计的超声枪头，以不与被检测物体直接接触的方式进行超声激励。与接触式超声激励相比，非接触超声激励方式可用于脆性、薄片型被检物，以及一些不允许直接接触试件的无损检测。本文以铝蜂窝材料脱粘缺陷为例，以非接触超声红外热像技术作为试验方案。检测结果不仅能良好反映试件模拟缺陷的大小及轮廓，且能同时包含垂直于观察方向的界面信息，表明非接触超声红外热像技术可应用于铝蜂窝脱粘等缺陷检测。

　　关键词：非接触超声激励;红外热成像;无损检测;铝蜂窝材料;脱粘缺陷

　　中图分类号：TG115.28 文献标识码：A

　　Non-contact Ultrasonic Infrared Thermography Technology for Inspecting Aluminum Honeycomb Panel

　　WANG Guan*, JIN Xue-yuan, ZENG Zhi, ZHANG Cun-lin, TAO Ning

　　(Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100037, China)

　　Abstract: The non-contact ultrasonic excitation method is used by a special ultrasonic head, and it excites the samples without contacts directly. Comparing with the contact way, the non-contact ultrasonic excitation method is also used for some fragile or thin samples, and other samples which should not be contacted while inspecting. This study uses the technology for inspecting the debond defect of Aluminum Honeycomb Panel. The thermal imaging could show the size and contour of the defect clearly. Especially it contains some information of the interface which perpendicular to the watching direction, which shows the non-contact ultrasonic excitation method can be used for inspecting the debond defect of Aluminum Honeycomb.

　　Key Words: non-contact ultrasonic excitation; infrared thermography; nondestructive evaluation; aluminum honeycomb; debond defect

　　0， 引言

　　铝蜂窝复合材料由于其自身的特性，有着重量轻、承压大、强度高、寿命长及不易变形等多方面优点，被广泛应用于航空航天等多方面领域[1]。但在使用过程中，静载荷、机械损伤、疲劳等因素也会引起破坏[2]，而构成安全隐患。因此其生产及使用过程中的无损检测显得尤为重要。

　　红外热像技术是一种近几年发展起来的主动式激励无损检测方法，其激励方式有闪光灯脉冲激励法，及超声激励法等。其中，超声激励方式用来探测显示设备的缺陷或其他不均匀结构，具有可靠性强、灵敏度高、检测速度快和使用方便等优点[3]。但是，目前的超声激励方式都是通过超声激励枪头与试件直接接触并施加一定压力，从而将超声能量耦合入被测物体进行热激励，这种激励方式在某些情况下可能造成被测物体一定程度的损伤，因此该方法不能用于脆性、带有易损涂层或精密易损表面的物体。

　　本文所用的非接触超声激励方式使用独特设计的超声枪头，以铝蜂窝复合材料脱粘缺陷为例，采用不与被检测物体直接接触的方式进行超声激励，很好的避免了上述直接接触激励方式所带来的一系列问题。

　　1， 基本原理

　　非接触超声红外热像技术使用以低频率超声振动的超声枪头为激励源，激发周围空气振动，形成声场，即以空气耦合的方式激励被检测物体。携带能量的振动声波会在试件中快速传输，当其传导至非均匀部位时，在其交界面会产生摩擦[4]，或因为非均匀区域与其他区域的弹性性质不同，其声衰减及产生的热量比无缺陷或均匀区域的多，产生热弹效应和滞后效应[5]，从而导致超声能量转化为热能。产生的热量以热波的形式向试件表面传导[6]。与接触式超声激励相比，非接触超声激励方式同时可用于脆性、薄片型被检物，以及一些不允许直接接触试件的无损检测。

　　非接触超声红外热像系统检测原理及装置如图1所示，由非接触超声激励系统、红外热像仪探测系统及数据处理软件系统三部分组成。在对试件进行非接触超声能量激励的同时，通过计算机控制的红外热像仪同时对其观测并采集数据，捕捉材料表面温度场的变化。然后反馈给计算机并以专门的软件对图像进行分析处理，从而对材料内部的热异常区域进行分析与识别。

　　图1 非接触超声红外热像系统装置图

　　2， 试验过程及结果分析

　　本次试验所用试件为碳纤维铝蜂窝材料，铝蜂窝外层包裹1mm厚的碳纤维蒙皮，外部尺寸为300×200mm，孔深度都为11mm，试件实物图如图2所示：

　　试件正面 试件反面

　　图2试件可见光实物图

　　试件反面测得对应圆孔直径如表1：

　　表1 试件反面对应圆孔直径大小(单位：mm)

　　25.4410.006.3619.00

　　25.3034.6019.1429.40

　　14.729.6014.5419.50

　　非接触超声激励系统采用BRANSON公司制造的型号为2000aed的超声仪，试验前先将试件固定在工作台上，放置于超声枪头侧面一定距离，所用的超声频率是20kHz，超声振幅为100%，作用时间约为8s，功率约为400W。

　　红外热像仪探测系统所采用热像仪红图像大小为320×240像素，工作波段为3.7～4.8μm。将其放置于距试件约40cm处，并调整为最佳测试状态。由于试件相对较大，无法同时在同一视场显示，因此采用多次测量并拼接为完整图形。 试验所用采集频率为60Hz，积分时间为200μm，采集时间为15s。

　　数据处理软件系统所使用的EchoTherm软件主要是对热像仪所采集的原始热图进行处理，如减背景、调整对比度等操作，以减小初始温度的不同带来的误差，以及使结果更为明显。

　　将试件至于距超声枪头不同位置处，用超声仪对试件进行非接触超声激励，热像仪采集后用软件减去初始背景，所得结果如图3所示：

　　图3 试件距超声枪头不同位置减背景热图

　　由图3对比可看出，试件距超声枪头越近，孔边缘处生热效果越明显，2.5mm处时甚至可以隐约看到蜂窝材料内部结构。此时对比度良好，孔的轮廓较为清晰，但由于超声枪头同一平面内自身振动分布并不是均匀的，且试件距离枪头较近，对于直径较小的圆孔，所在位置正好处于振幅较小的位置，故产生热量较低，所得热图并不易分辨。随着试件与超声枪头的距离增大，由于振动在空气中传播时的损耗，孔边缘处生热能力变小，且对比度变差，但小直径圆孔此时受到的振动分量增多，边缘处产生热量反而增大，此时其轮廓较近时更为清晰。

　　将试件放置于距超声枪头20mm处，两次测量并将热图拼接，所得完整试件热图如图4所示：

　　图4 非接触超声激励下完整试件热图

　　由图4观察可知，非接触超声激励下，孔的受激生热部位主要集中在侧面与空气接触的边缘部分，特别是孔切割后部分暴露于外界的蜂窝部分，生热效果尤为明显。对于半径较小的圆孔，调整试件与超声枪头不同位置后也可观察到其轮廓。各孔的大小比例基本与试件实际圆孔大小比例相符。

　　同时，该试件也用传统的闪光灯脉冲激励法进行了相应检测，所得结果如图5所示：

　　图5 闪光灯脉冲激励下完整试件原始热图

　　由于闪光灯脉冲法主要反馈的信息是界面不同而带来的生热效果的不同，因此这种方法在小孔与空气接触界面处较亮，能很清楚的反映出小孔的轮廓大小，且蜂窝的内部结构清晰可见。但闪光灯脉冲法的一个局限之处在于其不能很有效的反映垂直于观测方向的界面信息;相较于非接触超声激励法，主要生热处集中于边缘轮廓部位，很好的反映了垂直于观测方向的界面信息。同时由于非接触超声的激励时间较脉冲法要长很多，因此所获得热图对比度也更高，对于半径较小的圆孔，观察起来也更为清晰。

　　3， 结论

　　本文介绍了非接触超声红外热像技术的基本原理，阐述了其相对于接触式超声红外热像技术的优势。对于铝蜂窝材料板，非接触超声红外热像检测法是一种有效、可靠的无损检测方法。此方法可在不与试件接触的情况下完成便于热像仪观察的热激励，检测结果不仅能良好反映试件模拟缺陷的大小及轮廓，且能同时包含垂直于观察方向的界面信息，表明非接触超声红外热像技术可应用于铝蜂窝脱粘等缺陷检测。

　　参考文献

　　[1] 蒋淑芳, 沈京玲, 杨党纲, 等. 铝蜂窝胶结缺陷的红外热波无损检测[J]. 无损检测, 2006, 28(1):23-25.

　　[2] 冉启芳, 费星如. 超声波方法测量螺栓应力[J]. 固体力学学报, 1982, (1):64-69.

　　[3] 倪国强, 秦庆旺, 肖蔓君, 等. 中国红外成像技术发展的若干思考[J]. 科技导报,2008,26(22):88-93.

　　[4] Han X, Li W, Zeng Z, et al. Acoustic chaos and sonic infrared imaging[J]. Phys Lett, 2002,81(17):3188.

　　[5] 洪毅. 超声红外热像技术及其在无损检测中的应用[J]. 南京大学学报(自然科学版),2003,(4):105.

　　[6] 陈大鹏, 李晓丽, 李艳红, 等. 超声红外热像技术检测激光焊缝质量[J]. 无损检测,2008,30(10):747-749.