● 摘要
超声检测广泛应用于航空航天工业领域，在保证飞行器零部件制造质量和结构安全方面发挥着关键性的作用。随着新材料、新结构、新工艺的不断出现，现有技术难以满足检测需求，如高温结构新材料非接触检测、关键结构高精度检测、复杂结构快速检测和现场检测等。激光超声检测技术能够利用激光激发和接收超声波进行材料及结构检测，具有非接触、高精度特点以及复杂型面检测和现场应用能力，有望解决以上问题。本文从航空航天工业领域无损检测需求和现有研究的局限性出发，开展非接触式激光超声检测技术的基础和应用基础研究。
首先，针对激光超声的无损激发问题，研究了激光超声热弹性激发机理及其理论计算方法，采用铝材和碳纤维复合材料建立了均匀各向同性和层状各向异性材料中激光超声热弹性激发与传播理论模型，分析了脉冲激光在两类材料中产生超声场的分布特性和信号的波形、频谱特征，分析了脉冲激光波长和脉冲宽度对超声振动幅度和频谱分布的影响、脉冲激光功率密度与材料表面温度和超声幅度间的关系以及脉冲激光光斑尺寸和入射角度对超声激发与传播的影响，提出了基于1064nm波长的脉冲激光利用铝材和碳纤维复合材料热弹性效应高效激发超声波的控制方法。
之后，针对材料内部缺陷表征问题，以铝材和碳纤维树脂基复合材料为对象进行了对比研究，分析了均匀各向同性和层状各向异性材料中激光超声的声场分布特征、材料内部缺陷界面对声场分布的影响以及材料层状各向异性导致激光超声的非对称性传播、声束倾斜和畸变现象；研究了采用脉冲反射法和穿透法表征材料内部缺陷时声波频率选取和测量位置偏差对缺陷表征的影响，材料内部缺陷横向（纵向）尺寸和深度位置及脉冲激光光斑尺寸对表征缺陷的影响以及基于激光干涉测量方法的缺陷边界表征；分析了材料层状各向异性特征导致激光超声反射和衰减系数的非对称分布和不规律变化及其对缺陷表征的影响。通过以上研究，提出了激光参量控制及声波频率选取原则，为材料内部缺陷表征提供了参考。
然后，针对非接触式激光超声检测系统设计问题，研究了系统工作原理、总体结构和关键技术原理；选型、配置了超声激发与测量装置、信号处理与采集装置、精密扫描装置及其它仪器部件；研究了B型、C型扫描成像的同步控制机制，采用模式化理论与方法设计开发了控制程序的总体架构、功能模块和控制逻辑；建立了一套非接触式激光超声检测系统，为应用研究提供了平台。
最后，针对碳纤维复合材料内部分层、紧固孔边沿分层和C/SiC复合材料内部分层检测问题，开展了应用研究与实践，检出碳纤维复合材料内部φ2mm以上分层、紧固孔边沿横向尺寸0.5mm以上分层以及C/SiC内部分层形状、尺寸和分布特征。
研究工作表明，利用1064nm波长脉冲激光，通过控制激光参量可以在铝材和碳纤维复合材料中引发热弹性效应产生适于检测的超声信号；通过提取特定声波频率成分并控制激光参量能够有效减小材料性质和缺陷特征及激光参量对缺陷表征的影响；激光超声检测技术可以应用于碳纤维复合材料内部分层检测、层压复合材料紧固孔边沿分层检测以及高温结构新材料(C/SiC)非接触检测。研究工作为激光超声检测技术在航空航天工业领域的应用奠定了一定的基础。