提到B超、超聲造影等超聲檢測技術(shù)，想必大家都不陌生。在人體健康檢查中，常會用到超聲檢查，它就像“透視眼”一樣，能夠精準(zhǔn)獲取身體器官內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，幫助醫(yī)生精準(zhǔn)診斷早期病變，讓患者及時(shí)得到治療，減少健康風(fēng)險(xiǎn)。

　　但是，你知道翱翔云端的鋼鐵巨鷹——飛機(jī)也需要定期做“B超”嗎？

　　飛機(jī)在高空飛行時(shí)，要穿梭于復(fù)雜多變的環(huán)境，承受各種極端壓力，機(jī)體也面臨著與人體相似的“健康煩惱”。它內(nèi)部的一些細(xì)微裂紋、孔隙，還有因長時(shí)間使用產(chǎn)生的疲勞損傷，在高應(yīng)力、高溫度和高速飛行時(shí)氣動(dòng)壓力的“輪番攻擊”下，可能會越來越嚴(yán)重，對飛行安全構(gòu)成了巨大的潛在威脅。所以，定期給飛機(jī)“體檢”，是保障飛行安全的必然選擇。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)常見損傷(來源網(wǎng)絡(luò))

　　然而，傳統(tǒng)檢測方法如同一場“外科手術(shù)”，需要對飛機(jī)部件進(jìn)行拆解，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且還會對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷。普通超聲檢測適用于檢查較大尺度的損傷，如果遇到“細(xì)如發(fā)絲”的微小損傷，它就有點(diǎn)“力不從心”，很難提供準(zhǔn)確有效的診斷信息。

　　如何在不損傷機(jī)體的前提下，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)有效的檢測呢？廈門大學(xué)重大裝備健康管理技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“非線性超聲檢測技術(shù)”破解了這一難題。近年來，在航空航天學(xué)院李衛(wèi)彬教授帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)聚焦飛行器及其關(guān)鍵部件的服役安全需求，開啟了一系列科研探索，最終利用超聲波的非線性效應(yīng)，成功研發(fā)出了具備高精度微損傷檢測能力的“利器”，并在飛行器和航空發(fā)動(dòng)機(jī)這些重大裝備中完成了驗(yàn)證與工程應(yīng)用。

　　和傳統(tǒng)的超聲檢測方法比起來，“非線性超聲檢測技術(shù)”對微小損傷和早期損傷更“敏感”。它的原理很巧妙，就像給飛機(jī)做一次高精度的“全身掃描”，會向飛機(jī)材料發(fā)射不同頻率的超聲波，當(dāng)這些聲波在傳播過程中遇到微小損傷時(shí)，便像觸發(fā)了機(jī)關(guān)的“信號燈”一樣，產(chǎn)生和頻與差頻信號。這些新產(chǎn)生的信號，就如同微小損傷留下的“指紋”，可以幫助我們準(zhǔn)確定位材料早期損傷的位置，還能監(jiān)測它的變化。

基于非線性超聲的金屬結(jié)構(gòu)近表面微裂紋成像(實(shí)驗(yàn)人員在隔振平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測對象的近表面含有微米級的微裂紋。如圖所示，操作人員手里拿著兩個(gè)傳感器，形成一條檢測路徑，一個(gè)作為激勵(lì)端，通過振動(dòng)產(chǎn)生超聲信號，另一個(gè)作為接收端，用來接收超聲信號。檢測路徑上如果存在損傷，接收信號的非線性成分會增加，通過對比檢測路徑健康狀況和損傷狀況下接收信號中的非線性成分，就可以知道路徑上是否存在損傷。通過布置多條路徑，路徑間就像蜘蛛網(wǎng)一樣交織在一起，形成多個(gè)交點(diǎn)，經(jīng)過損傷的路徑會高亮顯示，他們的交點(diǎn)就是損傷存在的位置。成像結(jié)果展示出非線性超聲可以檢測出金屬板近表面的微裂紋損傷。)

　　不管是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上毫米級、微米級的小損傷，還是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層與層之間的脫粘，又或是微裂紋、材料性能劣化這些早期損傷，“非線性超聲檢測技術(shù)”都能在不損傷飛機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，精準(zhǔn)地“揪出”這些潛在隱患。這樣一來，就能及時(shí)對飛機(jī)進(jìn)行維修和保養(yǎng)，保障飛機(jī)的飛行安全。該技術(shù)已在國產(chǎn)大飛機(jī)C919的關(guān)鍵環(huán)節(jié)中完成驗(yàn)證，為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性提供了技術(shù)支持。

　　憑借著對材料微損傷的高靈敏度，“非線性超聲檢測技術(shù)”不僅從實(shí)驗(yàn)室成功走向工程應(yīng)用，還迅速在多個(gè)新興領(lǐng)域“生根發(fā)芽”。在新能源領(lǐng)域，它可以化身“安全衛(wèi)士”，評估風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的完整性、檢測電池缺陷、監(jiān)測核電壓力容器輻照損傷；在微電子與半導(dǎo)體領(lǐng)域，它能幫助檢測硅片的質(zhì)量，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展把好質(zhì)量關(guān)；在先進(jìn)制造領(lǐng)域，它還能參與評價(jià)增材制造構(gòu)件的質(zhì)量，評估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能，推動(dòng)制造業(yè)邁向新高度......

　　“未來，這項(xiàng)技術(shù)還可以與智能化檢測手段深度融合，就像給檢測技術(shù)植入一個(gè)‘智慧大腦’，讓檢測變得更自動(dòng)化，分析數(shù)據(jù)的能力也更強(qiáng)，幫助實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到退役的全生命周期智能管理。”研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李衛(wèi)彬說，對于檢測設(shè)備的研發(fā)，除了高精度、智能化，“今后還會更注重場景適配，讓現(xiàn)場快速檢測更高效便捷，并推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在高溫、高速等極端情況下的應(yīng)用，不斷提升在復(fù)雜工程環(huán)境中的適應(yīng)性和實(shí)用性。”

　　隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，“非線性超聲檢測技術(shù)”將如同一張無形的安全網(wǎng)，延伸至更多領(lǐng)域大展身手，為人類的安全與發(fā)展保駕護(hù)航。

　　團(tuán)隊(duì)名片

　　廈門大學(xué)重大裝備健康管理研究團(tuán)隊(duì)在首席科學(xué)家、國家高層次人才卿新林教授的指導(dǎo)下，由團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、國家自然科學(xué)基金杰出青年基金獲得者李衛(wèi)彬教授帶領(lǐng)，依托福建省智能傳感與儀器協(xié)同創(chuàng)新中心、廈門市航空結(jié)構(gòu)完整性檢測與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廈門大學(xué)航空維修與工程技術(shù)研究中心等科研平臺，面向空天飛行器重大裝備質(zhì)量與服役安全的核心需求，聚焦先進(jìn)傳感、無損檢測、健康監(jiān)測與智能結(jié)構(gòu)等前沿方向，深入推進(jìn)核心技術(shù)突破與工程應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)已建成先進(jìn)無損檢測實(shí)驗(yàn)室、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室與先進(jìn)傳感與儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，形成涵蓋X射線檢測、電磁檢測、超聲檢測等關(guān)鍵技術(shù)的研究體系，為重大裝備健康管理技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供重要支撐。李衛(wèi)彬教授及其團(tuán)隊(duì)2023年獲得國際無損檢測&結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域-阿肯巴赫獎(jiǎng)(Achenbach Medal)，2024遠(yuǎn)東無損檢測新技術(shù)論壇攀登獎(jiǎng)(當(dāng)年只有兩位專家獲得)。