航天泡沫材料的声激励激光错位散斑检测

2020-10-12程茶园刘哲军

无损检测 2020年9期

关键词：错位条纹泡沫

程茶园,林鑫,葛丽,刘哲军,伍颂

(航天材料及工艺研究所，北京 100076)

鉴于泡沫缺陷类型和材料的特点，无法使用常用的检测技术如超声、X射线、红外等进行检测，在国外文献中有提出错位散斑技术可以用于泡沫绝热材料黏接质量的检测[1]。

针对泡沫绝热材料，采用音频扫描加载方式，进行错位散斑检测试验研究，结果表明，该技术能够有效地表征和评价绝热泡沫材料黏接质量。

1 激光错位散斑技术的检测原理

用经过扩束的激光照射待检测物体时，待检测物体表面上反射的子波相互干涉，形成了明暗相间随机分布的激光散斑场。通过光学错位装置(如图1所示)在相机靶面上形成在特定方向有一错位量的两个散斑场。对待测物体施加一定的激励(热、压力、振动等)，缺陷区域会产生微小的离面位移，将变形前后的两个数字散斑场进行相减运算，缺陷区域因离面位移场的影响，光学相位会产生“蝴蝶”状特征条纹(见图2)，可以此判定其是否有脱黏缺陷。

图1 迈克尔逊错位系统示意

图2 错位散斑缺陷特征条纹

2 泡沫材料的音频扫描振动加载错位散斑检测

对于脱黏类缺陷，激光错位散斑技术常用的加载(激励)方法是热加载和压力差加载。泡沫材料由于其绝热的特点，热加载并不适用，压力差加载可采用真空罩局部加载或采用真空箱整体加载。真空罩局部加载时，由于泡沫材料表面粗糙，所以局部密封在工艺上不易实现。真空箱整体加载需要建造能够容纳燃料箱的大型真空箱，技术上可行但成本较高。因此对于泡沫材料的错位散斑检测，尝试采用音频扫描振动加载的方法[2]。

音频扫描振动加载是用大功率喇叭将一个周期性的正弦声音信号经空气耦合作用在被检泡沫材料上，使泡沫材料产生受迫振动。对于大小、形状不同的缺陷，其共振频率不同。采用音频扫描加载的方式，当音频信号从低频向高频连续变化并作用于泡沫材料表面时，若某一频率与缺陷处共振频率相等或接近，缺陷处就会发生共振，其振幅最大。对于喷涂的泡沫材料，黏接界面的缺陷主要表现为分层、脱黏等。可将缺陷简化成周边约束的圆形缺陷，受到音频激振时，其共振基频频率(f1)为[3]：

(1)

式中：h为泡沫厚度；a为缺陷半径；ρ为泡沫材料密度;E为材料的弹性模量;u为泊松比。

与热加载以及压力差加载散斑检测方法不同，振动加载检测是采用时间平均法[4-5]来实现对振动表面的测量和振动模式分析的。对泡沫材料进行的振动加载音频激振频率为千数量级，泡沫的振动频率远远大于一般工业相机25 Hz左右的帧频，相机记录的每帧图像是一段时间内的平均图像，图像光强(I平均)可表示为[6]

I平均=

2I0{1+γcos[φ(x,y)J0(Ω)]

(2)

式中:T为相机采集一帧图像的时间;I0为光强;为条纹调制度;φ为随机位相;Δ(x,y,t)为两错位点之间由振动引起的光波位相差;J0为零阶一类贝赛尔函数Ω为相对相位差。

将采集的两幅散斑图像进行相减运算，即用物体静止时所采集到的第一幅散斑图像减去振动后采集的散斑图像，得到振动散斑图像光强分布为

Isub=2I0γcosφ(x,y)[1-J0(Ω)]

(3)

由式(2)可知，所得的散斑干涉图含有一背景项，影响条纹质量。为了提高条纹质量，振动后通过压电陶瓷(见图1)驱动平面镜2移动1/4波长，引入一180°的位相，相邻两帧图像具有180°位相差，将相邻两帧具有180°的位相差的散斑图进行相减运算，可以消除背景项，如式(4)所示。

Isub=|4I0γcos[φ(x,y)J0(Ω)]|

(4)

式中：Isub为振动散斑图像光强分布。

最终所得相反时间平均错位散斑条纹如图3所示，条纹质量明显提高。

图3 相反时间平均错位散斑条纹

3 应用试验及结果分析

试验采用的错位散斑检测系统如图4所示，错位大小和错位方向可调，仪器具备相移功能。加载系统采用音频扫描加载，由信号发生器、功率放大器、高能喇叭等组成，信号发生器产生的正弦信号经功率放大器驱动高能喇叭，高能喇叭额定功率为300 W。由于泡沫材料的厚度约为20 mm，错位量设置为20 mm，此时检测灵敏度最大[7]。泡沫平板试样1尺寸(长×宽×厚)为400 mmX300 mm×30 mm，其中预置了4个缺陷，如图5(a)所示，编号为1,2,3,4，尺寸(长×宽)为30 mmX30 mm,60 mmX60 mm,80 mmX80 mm,100 mmX100 mm，错位方向为45°，音频扫描加载频率范围为1 0004 000 Hz，如图5(b)所示，该试验能发现4个缺陷。

图4 错位散斑检测系统示意

图5 泡沫试样人工缺陷布置及其错位散斑条纹

图6(a)为泡沫试样2缺陷布置示意，泡沫平板试样尺寸(长×宽×厚)为800 mmX600 mm×30 mm，采用贴膜喷涂方式，试样上人工缺陷大小分别为φ60,φ70,φ100 mm，加载方式为声振加载，错位量设置为20 mm，错位方向为y轴方向，扫描频率范围为(1 0004 000 Hz)，如图6(b)所示，预制的φ60,φ70,φ100 mm缺陷能够被分辨出来。