基于激光超声技术的柱面构件内部缺陷成像检测与特征重建研究及其在结构健康监测中的应用潜力

本文系统探讨了激光超声技术（LUT）在曲面构件内部缺陷检测与定量重建中的创新应用。研究团队开发了极坐标合成孔径聚焦技术（Polar Coordinate-SAFT），通过仿真与实验相结合的方式，成功实现了对孔隙、多孔结构及不同角度裂纹的高精度成像（最大位置误差0.564 mm，角度误差3.129°）。该技术突破了传统超声检测对耦合介质的依赖，为航空航天、轨道交通等领域关键部件的在役无损检测提供了新方案。

　　

Highlight

本研究通过创新性极坐标合成孔径聚焦算法，实现了曲面构件内部缺陷的高保真三维重建。该技术突破传统超声检测局限，在无需耦合介质的条件下，对多类型缺陷（包括孔隙群、水平/倾斜/垂直裂纹）实现亚毫米级定位精度，为关键工业部件的在役无损检测提供了全新解决方案。

Section snippets

Basic principle of laser-induced ultrasound

当脉冲激光照射材料表面时，近表面区域吸收辐射能量引发局部热膨胀，产生宽频带超声波。热弹机制下的控制方程可表述为：

k?²T - ρc_vT? = -Q

(λ+μ)?(?·u) + μ?²u = ρu? + β?T

其中T代表瞬态温度分布，u表示位移场。该方程组揭示了热-力耦合作用下超声波的产生机制，为缺陷响应信号分析提供了理论基础。

Experimental specimens

实验试样采用6061-T6铝合金板材加工而成，在单个试件中集成凹/凸双曲面结构，各类预制缺陷的尺寸参数与空间坐标详见模拟参数表1。所有缺陷均通过精密电火花加工技术制作，确保形态参数的精确可控。

Experimental b-scan results of curved surface internal defects

对比分析凹/凸曲面缺陷的B-Scan实验结果显示：前2 μs出现的强信号源于检测激光与激励点的近距离热膨胀效应，而4-8 μs时间窗口出现的特征信号则与缺陷的超声回波密切相关。不同取向裂纹产生的信号形态呈现显著差异，其中垂直裂纹产生的信号振幅最大，45°倾斜裂纹次之，水平裂纹最弱。孔隙缺陷则呈现典型的双曲线特征响应。

Conclusion

通过仿真与实验相结合的研究表明：

（1）五类缺陷（孔隙、多孔结构、水平/45°/垂直裂纹）的B-Scan特征与仿真结果高度吻合。孔隙缺陷重建位置误差极小（≤0.564 mm），裂纹角度与长度重建最大误差分别为3.129°和2.198 mm

（2）极坐标SAFT算法有效克服了曲面几何带来的声波畸变问题，信噪比提升达42.7%

（3）激光超声技术可实现曲面构件内部缺陷的精确量化评估，满足工业检测精度要求