Page 52 - 《应用声学》2022年第5期
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                                                               陷进行热成像检测，实验证明在局部共振频段内激
             0 引言
                                                               励会引起缺陷区域局部温度升高。Cavallone 等                  [7]
                 金属板结构广泛应用于工业生产活动中，其质                          对含有人工校准裂纹的 AISI-304 钢试样进行脉冲
             量问题会严重影响到设备的性能和使用安全。在使                            式超声红外成像检测，通过检测结果可以确定裂纹
             用过程中，金属板结构容易受到交变载荷的作用产                            的长度且最小误差达到 10%。Seifoori 等            [8]  分别对
             生疲劳裂纹。疲劳损伤是金属结构失效的主要原因                            含有冲击损伤的玻璃纤维增强复合材料板和碳纤
             之一，它的产生首先表现为材料微观组织结构和弹                            维增强复合材料 (Carbon fiber-reinforced polymer,
             塑性的变化，继而萌生微裂纹，并逐渐发展成宏观裂                           CFRP)板进行超声红外成像检测，再经数字图像处
             纹直至导致结构失效          [1−2] 。如果微裂纹未被及时发              理来评估损伤程度，研究表明该方法具有较高的检
             现，可能会迅速扩展而导致整个设备运行瘫痪，造成                           测精度，能够有效地检测出冲击损伤的面积。超声
             灾难性事故。传统的无损检测技术中磁粉和渗透方                            红外成像检测技术同样受到国内研究人员的重视。
             法可以有效检测金属结构表面的开口疲劳微裂纹，                            张淑仪    [9]  对含有疲劳裂纹的铝合金试样进行了超
             但这两种方法检测过程繁琐、耗时长、成本高以及                            声脉冲激励，并用红外成像检测得到试样表面的温
             不适合现场批量检测          [3] 。近年来，新型无损检测方               度分布，实现对裂纹等缺陷的实时检测。Xu 等                     [10]
             法不断涌现，红外成像检测技术作为一种快速发展                            以低功率压电换能器作为驱动器，通过超声红外成
             的检测方法，可实现大范围快速检测，具有非接触、                           像实验来检测薄铝梁上的 3 个不同方向上的裂纹，
             无污染、适合在线检测等优点              [4] ，特别是对于金属           结果表明该方法能够有效地检测出不同方向上的
             的表面裂纹能够实现有效的检测。                                   裂纹。Jia 等   [11]  利用超声激励红外成像技术检测混
                 当温度在绝对零度以上，所有物体都会向外辐                          凝土材料中的微裂纹，该方法能够有效地检测宽度
             射红外光，且辐射量随温度的升高而增加。红外成                            为0.01 ∼ 0.09 mm的混凝土裂缝。Dong等            [12]  研究
             像检测技术是通过采集物体所发射的红外辐射来                             了疲劳裂纹接触面粗糙程度对热量产生以及红外
             检测其表面温度分布的技术。根据激励热源的方式，                           成像检测的影响。习小文等              [13]  采用超声红外成像
             该检测技术可分为被动式与主动式。被动式红外成                            技术对航空发动机叶片裂纹实施检测，有效地检测
             像检测技术通常不引入任何外部激励，通过检测被                            出航空发动机复杂曲面叶片上的裂纹缺陷。
             检材料自身发出的红外辐射得到材料表面温度分                                 本文建立了含疲劳微裂纹的铝合金板有限元
             布的红外图像，其主要应用于工业监测和医学领域。                           模型，为研究超声红外成像检测技术的激励机制，用
             当检测对象自身发出的热辐射水平较弱时，则需要                            有限元模拟声波在板中传播，研究声波与裂纹之间
             通过引入外部激励的方式 (如热灯、超声、激光) 来                         的相互作用，分析裂纹处温度场变化的影响因素。
             增强检测对象表面的热辐射，使温度梯度足以被分                            并搭建了超声红外成像检测装置，采用超声振子在
             辨  [4] 。这些通过外部激励的方式都属于主动式红外                       6061 铝合金板中激励声波，预制的疲劳微裂纹在声
             成像检测技术。相比于其他的激励方式，超声激励                            波作用下摩擦生热，用红外摄像仪检测板表面的温
             不受检测对象的材料和形状限制，特别是对闭合裂                            度分布，通过图像处理定量分析裂纹的尺寸。
             纹缺陷具有选择性加热的特点，在缺陷检测方面具
             有广阔的应用前景。                                         1 基本原理
                 超声红外成像检测技术是利用振动或波动在
             材料缺陷处产生附加热量，影响其相邻区域的温                             1.1  超声红外成像技术的励热机制
             度分布，并通过红外成像记录材料表面的温度场                                 在振动或波动作用下，材料内部产生热量的相
             分布。在 20 世纪 70 年代，Henneke 等         [5]  在实验中      关机制主要有摩擦生热、塑性变形、黏弹效应和热
             发现对待测试件施加高频率振动激励，在试件缺                             弹效应    [14] 。摩擦生热是在声波作用下引起试样缺
             陷处产生热量并影响温度分布变化，可通过红外                             陷区域振动，缺陷处接触面间发生相对运动而摩擦
             摄像仪确定缺陷位置。Solodov 等           [6]  利用局部缺陷         生热。接触面间闭合应力的大小直接影响摩擦产生
             共振频率作为激励频率，对玻璃纤维增强复合材料                            热量的多少。闭合应力过高会限制接触面间的相对
             (Glass fiber-reinforced polymer, GFRP) 板分层缺        运动，影响热量的生成          [15] 。塑性变形生热则是应力
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