使用光学麦克风通过表面波进行材料表征的无接触检测

使用光学麦克风通过表面波进行材料表征的无接触检测

摘要

直接测量与频率相关的声波速度是评估结构力学性能的一种强大方法。波浪传播的变化可能预示着即将发生的结构破坏。色散测量的现有技术是使用压电换能器作为超声源，以及使用激光多普勒振动计对超声传播进行空间分辨成像。前者需要与样品进行机械接触，后者对其表面性质施加限制。

在这里，我们提出了一种非接触式系统，用于确定成分和表面性质变化很大的材料中的声学色散。它将超声波的激光激发与使用光学麦克风对泄漏或传输波的机载检测相结合，光学麦克风对10 Hz至2 MHz的声学频率敏感。

我们展示了钢板和铝板的测量结果，以及砂石样品表面处理引起的分散，与之前的参考测量结果进行了比较。

关键词：无接触材料表征；离散关系；宽带检波器

引言

材料性能的无损检测是结构健康监测的一个高度相关的主题[Metra2016]。航空航天或土木工程等领域使用的部件，暴露在具有严重故障风险的高机械载荷下，需要进行彻底的表征。这包括集成前的测试，也包括设备或结构整个生命周期的例行检查。例如，监测历史建筑的状态和环境破坏[Meier2017]对于协调适当的维护措施非常重要。

这种材料评估可以通过利用材料的分散关系来进行，可以采取以下形式

描述了声波的频率、波数和相速度之间的关系。色散关系的变化表明材料参数的变化，因为在给定结构的固定几何形状的情况下，波的传播取决于材料的弹性常数和密度。除了在材料成分方面与标准的总体偏差外，例如由应变[Hiro1981]或孔隙率[Sayers1981，Winkler1983]引起的影响也会影响测量的相速度。此外，基于声场的反射或衍射[Staszewski2007，Toyama2004]或频率特定衰减[Gilchrist1999]，允许确定色散的声波传播的相同测量通常对结构变化（如分层或裂纹）敏感。

这种测量需要宽带超声源和具有真实时间响应的检测系统。测量色散关系的现有技术方法依赖于使用耦合到样品的超声换能器（主要是压电换能器）、激光振动测量或激光超声（LUS）形式的激光激励和振动测量的组合[Drain2018]。所有这些技术都有其自身的优势和局限性。虽然成本相对较低，但用于产生和测量结构固有超声的压电换能器需要与样品接触。对于分散度测量，在分布在样品上的不同位置记录信号通常是有帮助的，这增加了对多个传感器或时间密集型重复测量的需求，同时确保了良好的、可重复的接触。作为一种解决方法，可以采用压电换能器作为固定位置的超声源和用于测量的扫描振动测量法（例如[Staszewski2007]）或激光超声测试的组合；然而，振动测量的性能在很大程度上取决于样品的表面性质（粗糙度、反射率）。可能需要精确的对准或庞大而昂贵的设置，这些设置可以在低强度的反向散射光下操作。在这里，我们提出了一种确定超声波在固体中传播和声学色散的系统，该系统将激光激发和机载超声波检测与新型光学麦克风相结合。它在不需要接触的情况下工作，并允许检测从10赫兹到2兆赫的频率。激发光通过光纤传输，光学麦克风的传感器外壳直径仅为5毫米，可实现紧凑、全光纤耦合的探头。由于在小体积内检测机载超声，与表面振动的激光干涉测量相比，对准要求适中，样品表面的光学特性与检测无关。给出的结果证明了该设置适用于金属和石材表面。

图1.光学麦克风。a）检测原理：将检测激光耦合到具有固定距离的不可移动反射镜的Fabry-Pérot腔中。由声波的存在引起的空腔内的任何密度变化都会导致反射光功率的变化，这可以用声波探测器记录下来。b）传感器头的图像。前玻璃元件形成检测腔，耦合到光纤，光纤将光从检测激光器传输到传感器头，并将背反射光传输到光电检测器。

用于机载超声检测的光学传声器

测量装置的核心元件是一个光学麦克风。其检测原理如图1a所示，在参考文献[Fischer2016]中进行了详细描述，并依赖于声音对介质内折射率的调制。快速总结，各向同性介质（如空气）中的折射率取决于介质的极化率（材料常数）和密度，因此取决于局部声压振幅。这会导致光的波长发生小的偏移，例如来自波长为的单色激光器的光通过声波传播。波长取决于折射率，如下所示：

这里，表示激光的真空波长，表示介质的密度，表示折射率，表示光在真空中的速度，表示对应于波长的光的频率。

为了检测光学波长的这种调制，使用了一个小型化的Fabry-Pérot腔，该腔由两个固定距离的半反射刚性反射镜组成，它构成了检测器的中心元件。从该腔反射的激光的光学强度遵循传递函数，该传递函数取决于光相对于腔谐振之一的失谐。因此，由Fabry-Pérot腔内的声场引起的任何密度变化都会引起反射光强度的变化。这产生了与传感器头处的声压幅度成比例的信号，并且可由光电二极管检测。图1b显示了这种传感器头的照片，该传感器头由空腔、几个微光学元件和一根光纤组成，该光纤从低功率检测激光源传输光。由于传感器头是一个无源光学元件，它不受电磁场的干扰，可以连接到长光纤电缆上。检测激光器和所有电子设备都位于一个远程信号调节单元中，占地面积相当于笔记本电脑。

测量设置

为了进行结果部分所示的测量，将光学麦克风（如图2b所示）与波长为532nm的激发激光源相结合，以几mJ的脉冲能量产生持续时间为10ns的激光脉冲。激光在材料中诱导超声冲击波，其宽带频谱扩展范围从单赫兹到几十兆赫[Davies1993]。光纤耦合光由聚焦光学器件投射到样品上（图2a），光斑大小可设置在~1 mm到1 cm之间。检测器和传感器都安装在样品的同一侧。代表所有测量的图2c显示了用于砂岩表征的装置的照片。

图2的下面板概述了所有显示的测量结果的示意图。激发激光器产生宽带冲击波，激发各种声学模式，其中一些模式以表面声波或板波的形式沿着样品传播。在距离激发激光点一定的横向距离（范围从2cm到11cm）处，光学麦克风记录发射到样品表面附近的空气中的泄漏超声波。

在这种设置中，激励光纤和光学麦克风都可以安装在扫描台上。对于此处提供的测量，将激发光纤安装在固定位置，同时沿样品表面扫描光学麦克风。激光器和扫描台都由控制和数据采集模块同步，该模块记录每个位置的a扫描并将数据流式传输到PC，在PC中使用分析软件实时可视化数据或将其导出以进行进一步的离线分析。

兰姆波在点焊钢板中的传播

作为第一个例子，兰姆波通过点焊钢板的测量传播如[Rohringer2018]所示。样品由两块厚度为1mm、边长为20cm的方形钢板组成，通过多个点焊连接。如图3所示，对包含其中一个点焊的50 mm乘55 mm区域进行了扫描。典型的时间信号（单次发射）如图3 A所示。在最初的几十微秒内，可以看到沿着钢板传播的导波，而在随后的时间里，信号主要由空气中以较慢的声音速度从吸收区域直接传播到麦克风的气载超声所控制。

如图3 b–d所示，可以将不同时间内每个扫描位置的信号振幅编译为C扫描序列，以可视化声场的时间演变。这些图显示了在扫描区域上40ns持续时间的时间片内的声学幅度。具体而言，3B显示了对称的兰姆模式，该模式通过框架右上象限的点焊传播并与点焊相互作用，而图3C和d显示了焊接位置周围的最低阶反对称模式的衍射。最后，图3 e）包含导波瞬态前20µs时间跨度上的最大振幅投影，以可视化点焊周围形成的振幅分布。

图2.测量设置。上图显示了将激发光传输到样品a）、传感器头b）的光纤耦合头，以及安装用于对所研究的砂岩样品c）进行测量的传感器头和探测器的图像。下面板：执行测量的示意图。激发激光器由于吸收、加热和热弹性膨胀而产生各种声学模式。部分能量被转换为导波，导波沿着样品表面传播。光学麦克风可以监听发射到周围空气中的部分波（泄漏波）。

LAMB波在铝板中的色散曲线

如前一节所示，为了定量分析超声通过板的传播，可以根据适当的数据重建色散关系，并与理论进行比较。为了实现这一点，沿着朝向激发激光点的线扫描检测器。每个位置的A扫描被编译成B扫描。该B扫描的二维傅立叶变换产生一个包含不同波数和频率的振幅的阵列[Costley1993，Hora2012]。为了证明使用所述设置的这种方法的可行性，在1mm厚的铝板上沿着7cm长的线记录了一个B扫描，步长为0.1mm。图4a显示了所产生的B扫描的可视化，不包括吸收区有裙状直接空气传播信号的区域。B扫描已经使对信号有贡献的几种不同模式变得明显。图4b包含b扫描数据的二维傅立叶变换，揭示了三种突出的模式。

图3.兰姆波在点焊钢板中的传播。左上面板：带有尺寸参考的点焊照片。a） 典型信号，包括来自导波和在吸收区产生并稍后到达的空气耦合超声的贡献。b）–d）兰姆波在点焊周围的空间传播（位于图像的右上象限）。e） 20µs时间间隔内的最大振幅投影，显示点焊周围的声学振幅。

对于所考虑的频率范围内的薄板，模式预计为兰姆方程的解决方案

图4.铝板中的声散射。左面板：B扫描由激发激光点和探测器之间不同距离处记录的信号汇编而成。右图：B扫描的二维傅立叶变换，导致在空间频率和时间频率上的采样阵列。极大值很好地对应于数值计算的不同兰姆色散曲线分支（灰点）。

。这里，表示板的半厚度，和分别表示纵波和横波速度，和分别为角频率和波数。这些不同的指数产生了控制对称和反对称模色散曲线的方程。兰姆方程的数值解，使用铝中纵波速度和横波速度的表列值（分别为6.32 km/s和3.1 km/s）和1 mm的厚度，得出图4b中灰点所示的曲线。最突出的模式是模式，和分量的额外贡献是明显的。比较对兰姆方程中的所有三个参数（厚度以及纵向和剪切波速度）都很敏感，对于板等简单的几何形状，用计算曲线拟合实验结果以获得这些参数是直接的。对于更复杂的几何形状，与参考样本的数据或FEM模拟结果进行比较是可行的替代方案。

表面处理砂岩样品的结果

与前几节讨论的对薄金属板的测量不同，在前几节中，观察到的频率范围主要由兰姆波决定，这里研究的是大块砂岩样品。样品是圆柱形的，有两个直径约7厘米、长度约10厘米的平坦表面。其中一个平坦表面被切割，而另一侧用保护剂处理并疏水化，如参考文献[Fey2012]中详细描述的，该文献描述了之前在MPA Stuttgart进行的测量。在那里，已经发现对于在120kHz和400kHz之间的频率下激发的表面波，这两个表面具有显著不同的传播速度。此外，研究表明，表面处理侧的传播速度与频率有关，较低的频率传播较慢；这是因为低频成分的波动进一步进入样品，在样品中表面处理的效果减弱，砂岩的规则体积特性变得占主导地位。

图5.砂岩样品测量的典型信号和频谱。左面板：与金属板上的测量类似，导波先于吸收区的空气耦合声学。右侧面板：记录的导波信号包含从几kHz到800 kHz的频率。

测量装置内砂岩样品的图像如图2c所示。与之前描述的铝板上的测量类似，沿着5厘米长的线记录的信号已被汇编到B扫描中，以进行进一步分析。图5显示了泄漏通道的典型信号和相应频谱，其中包含高达800kHz的信号分量。

首先，研究了在处理和未处理表面上观察到的主要脉冲（预计为瑞利波）的群速度。图6的上部面板显示了两个相应的B扫描。识别沿扫描的每一步的信号最小值，绘制相关位置与时间的关系图，并进行线性拟合，可以确定传播速度（图6，下部面板）。与斯图加特MPA的测量结果一致，未处理和处理表面的速度分别为1500米/秒和2000米/秒。

注意，对于未处理的表面，传播速度预计会根据测量相对于砂岩分层的方向而变化。在这里，只研究了一个方向，但样品的各向异性是进一步研究的主题。

下一步是色散的研究。由于可用于测量的表面积有限，如铝板所示，B扫描的二维傅立叶变换的分辨率是粗略的，并且引入的离散化很可能在确定与频率相关的相速度时引入误差。因此，采用了不同的方法。将原始数据传递到数字带通滤波器，并分析滤波信号在不同频率窗口中的传播速度。为了最小化滤波器引起的失真，采用了具有512阶线性相位响应和Hann窗口的有限脉冲响应（FIR）滤波器。图6给出了表面处理样品在两个不同频带内的结果示例。与原始数据一样，滤波后的信号也具有显著的最小值和最大值。跟踪信号最小值、传播时间和覆盖距离用于计算滤波信号分量的速度。该速度被解释为所选通带中相位速度的近似值。

图6.沿未处理和处理过的砂岩表面的导波传播速度。上图分别显示了未处理和处理表面的B扫描。导波的主要成分是持续时间约为2µs的瞬态，被确定为Rayleigh波。下部面板：跟踪瞬态和线性回归的最小值，产生与先前公布的样本测量结果良好一致的传播速度。

图7显示了处理过的砂岩表面的数据分析示例，通带分别为150 kHz至300 kHz和500 kHz至700 kHz。上部面板显示了由滤波信号组成的B扫描。下部面板包含对应于源和探测器之间最小（20 mm，蓝色）和最大（44.9 mm，橙色）距离的信号。跟踪最大信号最小值，可以估计传播速度。

该分析是对来自处理过的和未处理过的表面以及不同频率窗口的数据进行的。结果如图8所示。在经过处理的表面上，观察到相速度朝着较低频率下降。该结果与之前对样品[Fey2012]进行的测量结果非常一致。根据这里进行的分析，大多数变化发生在<150kHz到500kHz的范围内，而对于更高的频率，传播速度大致恒定。这与表面以下最初几毫米内处理的均匀效果一致，并逐渐过渡到下面的规则大块砂岩材料特性。相反，未经处理的切割表面没有显示出这样的趋势，并且相速度被测量为在一定误差范围内恒定。这一结果也与之前的测量结果一致，并表明没有由影响测量结果的滤波引起的显著失真。

图7.砂岩样品中的分散度：分析。上图显示了带通滤波信号的B扫描，窗口分别为150 kHz–300 kHz（左）和500 kHz–700 kHz（右）。下面板包含探测器和源之间最小距离处的信号，对应于B扫描中的第一个信号（蓝色线）和最大距离处的信息（橙色线）。跟踪最明显的最小值允许根据测量的传播时间和距离来计算传播速度。

总结与展望

介绍了一种新的非接触无损检测方法在导波散射测量中的应用。该方法将激光激发与宽带空气耦合光学麦克风相结合，允许在频率范围从10赫兹到2兆赫的气体中进行声学检测。利用该装置，对兰姆波在1mm厚铝板中的传播和散射以及大块砂岩样品中的表面波进行了表征。结果表明，该方法适用于各种材料和表面的导波测量。将数据与铝板的兰姆方程的数值解进行了定量比较，通过插入横向和纵向声速以及板厚度的正确值作为参数，可以确定、和的兰姆模式的存在。

图8.砂岩样品中的分散度：结果。使用文本中概述的分析和图7中针对不同频带绘制的分析，计算并绘制了处理过的表面（左图）和未处理表面（右图）的频率相关传播速度。处理过的表面可见明显的色散：较低的频率分量传播得较低，因为它们探测到处理过表面和样品的规则体积之间的过渡区域。后者具有较低的传播速度，如图6所示。

类似的比较将允许在薄样品的无损检测问题中进行厚度测量或识别声速，其中Lambwave在系统的测量带宽内被激发。

对砂岩样品的测量证明了在具有不规则或多孔表面的大块样品中检测表面声波的可行性。根据使用空气耦合超声换能器的需要，可以在非接触设置中再现先前对表面处理效果的测量结果，而无需在不同的探头之间切换。这使得该方法在测试表面处理对建筑所用不同材料的影响，或追踪历史遗产地的环境破坏方面变得有趣，而迄今为止，在这些地方，富勒烯接触测试一直难以实现。

最后，这些结果转移到土木工程、汽车和航空航天部门的各种应用中，其中包括新型复合材料、碳纤维或绿色复合材料的测试[Fischer2019]，其中部件的表面性能可能对现有的超声测试方法具有挑战性。