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：非接触超声红外热像技术是以一种不与被检测物体直接接触的方式进行超声激励的红外无损检测方法。与接触式超声激励相比，非接触超声激励方式发散角更大，检测范围更广，且同时适用于脆性、薄片型被检物，以及一些不允许直接接触试件的无损检测。在碳纤维复合材料冲击损伤检测过程中，可成功获得缺陷所在位置、大小及大致轮廓；对于微小损伤处的检测效果较好，且能获得较高的信噪比，表明非接触超声激励方式可应用于碳纤维复合材料冲击损伤等缺陷的检测。

关键词：非接触超声激励；红外热成像；无损检测；碳纤维复合材料；冲击损伤

中图分类号：TG115.28     文献标识码：A

0， 引言

    碳纤维复合材料作为一种先进的结构材料，具有高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等一系列优良性质，并在现代工业方面的应用非常广泛[1]。

    但由于层间强度低，复合材料层合板对许多类型的外物低速冲击损伤都十分敏感，它们往往表现为目视不可检的内部损伤，主要形式为基体开裂和分层损伤[2]，严重时会出现纤维的断裂。因此为保证复合材料使用的安全性及可靠性，对其快速有效的检测，已经成为复合材料制造者及使用者的迫切需求[3]。

    红外热像技术是近年来快速发展起来的一项无损检测技术，其主动式激励方式有闪光灯激励法及超声激励法等。脉冲加热红外热像检测方法已被试验证明是一种适用于复合材料的有效且快速的检测方法[3][4]，同时接触式热超声检测方式也可用于复合材料冲击损伤检测[5]。但目前的超声激励方式都需要将超声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。

    非接触超声激励方式以不与被测物体直接接触的方式进行超声激励，在避免直接接触造成损伤可能性的情况下，同时具有超声激励可靠性强、灵敏度高、检测速度快及使用方便等优点。本文应用该方法对碳纤维复合材料进行了检测，并与闪光灯脉冲激励方式结果进行了相应比较。

1， 基本原理

    非接触超声红外热像技术是以一种不与被检测物体直接接触的方式进行超声激励的红外无损检测方法。主要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[6]，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[7]，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[8]。与接触式超声激励相比，非接触超声激励方式发散角更大，检测范围更广，且同时适用于脆性、薄片型被检物，以及一些不允许直接接触试件的无损检测。

    检测原理及装置如图1所示，非接触超声红外热像系统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

    试验选用10块同种碳纤维增强多层复合材料板，尺寸均为90mm×55mm×1.5mm，层铺方向[0/90]2S，16层。低速冲击试验所用冲头为20mm直径的钢质半球，所用冲击能量及对应编号如表1：

表1 试件编号及对应冲击能量

试件可见光实物如图2所示，编号从1到10依次铺开：

图2 碳纤维复合材料板可见光实物图

    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，放置于超声枪头底面约860mm处，所用的超声频率是20kHz，超声振幅为100%，作用时间约为5s，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。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。

    用超声仪依次对试件进行非接触激励，热像仪采集后用软件减去初始背景影响，所得结果如图3，图4所示：

图3 第一组试件非接触超声激励检测结果

图4 第二组试件非接触超声激励检测结果

    超声枪头进行激励时，带动周围空气的振动，以空气作为耦合介质将振动能量传入被测试件，由图可知耦合效果良好，受冲击区域由于内部结构有一定损伤，受激振动时引起该处摩擦生热，从而引起热异常，即图中的试件亮区，各图左侧由于试件与夹具的摩擦，也产生大量热能。由图可观察试件热异常区域基本集中在以冲击点为中心的位置，并以一定程度向四周扩散，且随着施加冲击力的增大，热异常区域也有随之扩大的趋势。

    同时，两组试件也采用闪光灯脉冲激励法进行了验证检测，所得结果如图5所示，上排为第一组试件，下排为第二组试件。

图5 两组试件闪光灯脉冲激励法检测结果

    闪光灯脉冲法检测结果由不同时间分别显示了不同深度时缺陷处带来的热异常，缺陷轮廓清晰可见，且由于碳纤维材料导热性较强，闪光灯激励法同时可以看到其亚表面的内部纤维排列及走向。

    两种激励方式比较，可知非接触超声激励检测结果所得缺陷位置及大小与闪光灯激励方式检测结果基本相符。由于非接触超声激励法激励更为集中，所得图像的信噪比也优于闪光灯脉冲激励法。因为超声激励带来试件自身的缺陷处的振动，其内部就相当于一个热源，因此对于微小损伤处的检测效果会更好一些。同时，其内部损伤由热图观察同时为亮区，可很好的估算其损伤范围，而闪光灯脉冲激励法显示的则是不同深度处的损伤情况，故在实际检测中可根据不同试验目的选择更合适的检测方法。

3， 结论

    本文介绍了非接触无损检测方法的基本原理，及其相对于传统无损检测方法的特点及适用性。在碳纤维复合材料冲击损伤检测过程中，可成功获得缺陷所在位置、大小及大致轮廓，是一种可行的检测方法。相对于闪光灯脉冲激励法而言，两者包含的信息量各有不同，而非接触脉冲激励法对于微小损伤处的检测效果更好，且能获得更高的信噪比，表明非接触超声激励方式可应用于碳纤维复合材料冲击损伤等缺陷的检测。

参考文献

[1] 苏小萍. 碳纤维增强复合材料的应用现状[J]. 高科技纤维与应用, 2004, 29(5): 34-36. 

[2] 张彦, 朱平, 来新民, 等. 低速冲击作用下碳纤维符合材料铺层板的损伤分析[J]. 复合材料学报, 2006, 23(2): 150- 157. 

[3] 冯立春, 陶宁, 杨小林. 碳纤维增强复合材料层压板低速冲击损伤的脉冲红外热像检测[J]. 无损检测, 2009, 31(12):977-979.

[4] 李晓霞, 伍耐明, 段玉霞, 等. 碳纤维层合板低速冲击后的红外热波检测分析[J]. 复合材料学报, 2010, 27(6):88-93.

[5] Yue Li, Zhi Zeng, Dapeng Chen, et al. Application of thermosonics NDT in the detection of composite 

materials[J]. Proceedings of SPIE 2008, Vol.7656, pp.1-7. 

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

[7] 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.

[8] 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.