随着科技的发展和工业的进步，复合材料因其所具备的独特优势，在各领域内得到了广泛应用。复合材料的复杂结构和多相性使得其内部缺陷的检测变得尤为困难。传统的检测方法，如X射线和超声波，虽然在一定程度上能够满足检测需求，但存在成本高、操作复杂、对材料有损伤等缺点。因此，寻找一种高效、无损、高精度的复合材料检测方法显得尤为重要。
激光超声检测技术凭借其非接触、高精度等优点，在复合材料检测中展现出了巨大的潜力和优势。激光超声检测技术主要利用脉冲发射超声波。被测材料在接收超声波后对其进行反射，根据反射与传播的信号，评估被测材料是否存在内部损伤与缺陷。此项技术具有无接触、无损伤、精度高等优势，适用于复杂结构和多相性材料的检测。
1复合材料层压板材料样件准备
合理选择原材料是制备复合材料层压板样件的基础，原材料通常包括纤维增强材料（如碳纤维、玻璃纤维等）和树脂基体。材料应符合项目要求，具有稳定的物理和化学性能。 本次检测的测试材料选择增强环氧树脂基的碳纤维材料。复合材料层压板材料样件基本参数如表1所示。 表1. 复合材料层压板材料样件基本参数
在此基础上，进行原材料的精确裁剪和切割。切割中，使用专业的裁剪设备和工具，根据预定的尺寸和形状对原材料进行裁剪，确保裁剪过程中的精度和一致性，以减少误差对后续测试结果的影响。 在裁剪完成后，对预浸料进行铺放，根据预定的层数和方向，将预浸料逐层铺放在模具或基板上。在铺放过程中，应特别注意纤维的方向和排列，以确保最终制品的性能。 铺放完成后，施加适当的压力和温度，使树脂基体在纤维增强材料中固化，形成复合材料层压板。在固结过程中，温度、压力和时间等参数应根据具体材料和制品要求进行调整。复合材料层压板材料样件准备需要严格遵循预定的工艺参数和步骤。 通过裁剪、铺放和固结等步骤，可以制备性能稳定、符合要求的复合材料层压板样件，为后续测试和分析提供可靠的基础。 含有预置缺陷的复合材料层压板材料样件如图1所示。 图1. 含有预置缺陷的复合材料层压板材料样件
2激光超声检测装置布置与检测系统参数设计
完成样件的准备后，对激光超声检测装置进行选型，根据需求，选择脉冲激光器用于检测中发射超声波。超声检测中主要仪器设备如表2所示。
表2. 超声检测中主要仪器设备
完成主要设备的选型后，布置激光超声检测装置。激光超声检测装置如图2所示。
图2. 激光超声检测装置
为了获得更准确的检测结果，在装置中设置控制系统和数据采集系统。控制系统用于控制激光源的发射和接收器的接收，确保检测过程的稳定性和可靠性。数据采集系统用于记录和分析接收到的超声波信号，提取有关材料内部缺陷或结构特性的信息。 在布置激光超声检测装置时，还需要注意安全问题。激光源的能量密度较高，需要采取相应的防护措施以避免对人员造成伤害。 在检测过程中需要遵循相关的安全操作规程。检测系统中主要设备参数如表3所示。 表3. 检测系统中主要设备参数
3激光超声Lamb波的可视化传播 激光超声Lamb波的可视化传播技术是一种先进的无损检测方法，结合激光技术与超声技术，使得Lamb波在材料内部的传播过程被直观呈现。 激光超声Lamb波的产生通过激光脉冲在材料表面产生的热应力激发。这种非接触的激发方式避免了传统超声检测中需要与被测材料接触或添加耦合剂的局限性，使得检测过程更加灵活和方便。 利用高速摄像机或类似的成像设备，可以实时捕捉由激光脉冲激发的Lamb波在材料内部的传播过程。这些图像数据通过计算机处理和分析，生成Lamb波传播的动态图像或动画，从而实现对Lamb波传播过程的可视化。 可视化传播技术能够直观地展示Lamb波在材料内部的传播路径、速度、衰减等特性。这对于理解材料内部的缺陷、裂纹、应力等状态具有重要意义。 通过对比不同时间、不同位置的Lamb波传播图像，还可以对材料的性能进行定量评估和预测。激光超声Lamb波的可视化传播路径如图3所示。 图3. 激光超声Lamb波的可视化传播路径
使用检测系统对复合材料层压板材料样件进行扫描，参数如表4所示。
表4. 检测系统扫描参数
将扫描的信号进行处理，得到激光超声Lamb波的波场数据，采样数据按照图3的方式进行传播。
4提取异常信号能量与检测结果分析 在检测系统中，提取异常信号能量是一项关键步骤，对于识别和定位潜在问题或故障具有重要作用。 异常信号能量通常指与正常操作模式存在显著差异的信号特征。异常信号可以是任何与预期或正常信号模式不符的波动、尖峰、持续偏离等情况，这些异常可能由设备故障、外部干扰、材料缺陷或其他未知因素引起。在排除外部因素与机械设备故障所引起的异常信号后，开展复合材料中异常信号的检测以及异常信号能量的提取工作。 在提取异常信号能量之前，通常需要对原始信号进行预处理，包括滤波、降噪、放大和数字化等步骤。预处理还可依据信号的特性选择合适的窗函数，以降低频谱泄漏。特征提取是提取异常信号能量的核心环节。在此过程中，应选取能够描述信号特性的有效特征（时域或频域）。 对于异常信号，可能需关注其独特的时频特性，例如特定频率范围内的能量变化。在选定适当的特征后，可计算这些特征的能量。对于时域特征，可直接计算其平方和作为能量值；对于频域特征，可计算频谱或功率谱的积分或和来表示能量。此外，还可运用更复杂的能量度量方法，如小波变换、短时傅里叶变换（STFT）等，以捕捉信号的局部能量变化。 设置入射波信号的携带能量为E。
完成上述计算后，对入射后波信号与相邻位置的入射波信号差进行计算，根据差值判断样件内部是否存在缺陷。
设置a的有效取值，如果a超出了设置的阈值，说明样件存在损伤或缺陷，如a未超出设置阈值，说明样件不存在损伤与缺陷。通过上述步骤，实现对异常信号能量的提取。 对提取的异常信号能量进行成像，并对其进行可视化处理，复合材料层压板材料样件激光超声检测结果如图4所示。 图4. 复合材料层压板材料样件激光超声检测结果
样件长度—— 40~46mm之间的入射波信号差值>阈值； 46~60mm之间的入射波信号差值<阈值； 60~66mm之间的入射波信号差值>阈值， 66~80mm之间的入射波信号差值<阈值。
0~40mm之间的入射波信号差值<阈值；
结果表明，复合材料层压板材料样件在长度40~46mm、60~66mm之间存在缺陷，将检测结果与图1所示的内容进行比对，得到结果证明本次研究提出的激光超声检测技术在应用中的效果良好。
结语
激光超声检测技术可以精确检测到复合材料层压板材料样件存在的内部缺陷，从而提高复合材料层压板材料的制造与生产质量。 该技术还具备实时动态的监测与评估能力。通过连续监测样件在不同时间段或不同工作条件下的异常信号能量变化，可以实时掌握样件的性能状态。这对于及时发现潜在问题、预测设备寿命以及优化生产工艺具有重要意义。实时动态的监测数据还可以为生产过程的智能化管理提供支持。
