超聲相控陣延遲時(shí)間的聲速校正及在復(fù)合材料中的檢測(cè)

徐 娜，沙正驍，史亦韋

(北京航空材料研究院，北京100095)

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超聲相控陣延遲時(shí)間的聲速校正及在復(fù)合材料中的檢測(cè)

徐 娜，沙正驍，史亦韋

(北京航空材料研究院，北京100095)

針對(duì)復(fù)合材料各向異性會(huì)導(dǎo)致聲速隨聲波傳播方向變化的現(xiàn)象，提出一種沿聲波傳播方向?qū)ο嗫仃囇舆t時(shí)間進(jìn)行聲速校正的方法。采用時(shí)域有限差分?jǐn)?shù)值仿真方法分析相控陣超聲波束在復(fù)合材料中的傳播特性，驗(yàn)證提出的聲速校正方法。搭建相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料平板試樣進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果可見聲速校正后近表面區(qū)域信噪比和缺陷檢出率明顯提高。研究表明所提出的相控陣延遲時(shí)間聲速校正方法可緩解相控陣超聲波束擴(kuò)散，提高各向異性材料檢測(cè)能力。

復(fù)合材料；各向異性；超聲檢測(cè)；相控陣；聲速校正

隨著新一代飛行器向大型化、整體化方向發(fā)展，輕質(zhì)、高強(qiáng)的復(fù)合材料大型構(gòu)件已擴(kuò)展應(yīng)用到機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志[1]。然而，在復(fù)合材料的制造及使用過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，導(dǎo)致材料性能的嚴(yán)重下降，因此，隨著復(fù)合材料的大量應(yīng)用，設(shè)計(jì)合適的無損檢測(cè)方法在不損壞材料本身結(jié)構(gòu)和特性的情況下對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行探傷檢測(cè)是非常必要的，尤其是超聲檢測(cè)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域，是確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性的有效方法[2-4]。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一種新型超聲檢測(cè)方法，它采用多個(gè)相互獨(dú)立陣元晶片制成的陣列換能器，通過電子技術(shù)設(shè)置換能器中各陣元晶片激勵(lì)/接收超聲波的延遲時(shí)間，改變各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)(或來自)被測(cè)試樣內(nèi)某點(diǎn)的相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)超聲合成波束聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化[5,6]。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有聲束靈活可控、檢測(cè)精度和靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的快速全覆蓋掃描[7-9]。

復(fù)合材料的基體材料和增強(qiáng)體組合疊加的物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其本身是一種層狀各向異性材料，超聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的頻散效應(yīng)，而金屬各向同性介質(zhì)這種效應(yīng)基本可以忽略不計(jì)[10]。因此，相比各向同性介質(zhì)，采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料的檢測(cè)仍存在很多問題，是相控陣超聲檢測(cè)研究難點(diǎn)之一。

本工作進(jìn)行復(fù)合材料相控陣超聲檢測(cè)應(yīng)用研究。首先研究相控陣超聲合成波束在復(fù)合材料中的傳播特性；然后，針對(duì)復(fù)合材料聲速方向性，提出一種相控陣延遲時(shí)間的聲速校正方法；最后，以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料平板試樣為檢測(cè)對(duì)象，開展相控陣超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。

1 延遲時(shí)間的校正

1.1 復(fù)合材料的聲速

復(fù)合材料的各向異性導(dǎo)致介質(zhì)具有很多各向同性材料所不存在的聲波傳播現(xiàn)象，例如以任意角度斜入射到各向異性材料中的超聲波在材料中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)近似于縱波的準(zhǔn)縱波(qL)和兩個(gè)近似于橫波的準(zhǔn)橫波(qS)三種波型；其次，聲波相速度的方向與聲波波陣面方向垂直，但聲波的群速度是聲波能量的傳播方向，而聲波的群速度和相速度是不一致的，存在一定的夾角；最后，聲波在各向異性材料內(nèi)沿不同方向傳播時(shí)聲速是不相等的，聲速與傳播方向有關(guān)[11]。

以碳纖維、玻璃纖維、硼纖維三種不同纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為例，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)[45/0/-45/90]s的鋪設(shè)方式時(shí)，對(duì)復(fù)合材料聲速的方向性進(jìn)行討論。如圖1所示，定義聲波的入射平面與x1方向的夾角為φ，聲波在入射平面中的傳播方向與x3方向的夾角為θ(定義為聲波傳播角度)，當(dāng)φ= 0°，θ從0°逐漸變化至90°時(shí)，準(zhǔn)縱波群速度隨聲波傳播角度的變化曲線如圖2所示，可見隨聲波傳播角度的逐漸增大，三種材料準(zhǔn)縱波群速度逐漸變大。

圖1 復(fù)合材料試樣中聲波傳播示意圖Fig.1 Scheme of wave propagation in composite specimen

圖2 三種不同增強(qiáng)體復(fù)合材料準(zhǔn)縱波群速度的變化曲線Fig.2 Group velocity profiles of quasi-longitudinal wave of three composites

1.2 延遲時(shí)間的聲速校正

相控陣超聲在激勵(lì)和接收過程中，通過精確控制相位延時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦、偏轉(zhuǎn)等相控效果，目前超聲波在單層介質(zhì)內(nèi)傳播的延遲時(shí)間計(jì)算多采用“幾何聲程差”法[12]。首先，計(jì)算各陣元晶片發(fā)射聲波到達(dá)目標(biāo)聚焦點(diǎn)的幾何距離，然后假定聲波沿各方向傳播時(shí)聲速是固定的，將各幾何距離除以同一聲速獲得每個(gè)陣元晶片的傳播時(shí)間，最后通過計(jì)算各陣元晶片聲波傳播時(shí)間的差值，即為所求的延遲時(shí)間。

然而，如1.1節(jié)中所述，由于復(fù)合材料的各向異性，使得準(zhǔn)縱波群速度隨聲波傳播角度的增大而逐漸增大，如果仍將復(fù)合材料看作各向同性介質(zhì)，即沿各傳播方向聲速相等，則不能正確計(jì)算出相控陣換能器中各陣元晶片的延遲時(shí)間，從而導(dǎo)致超聲波無法形成預(yù)先設(shè)想的偏轉(zhuǎn)和聚焦波束。因此，在實(shí)際延遲時(shí)間計(jì)算時(shí)可以考慮對(duì)復(fù)合材料群速度沿傳播角度進(jìn)行校正，或者選擇較小的聲波傳播角度，以盡量避免速度變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響?；诼曀傩Ｕ难舆t時(shí)間計(jì)算，首先獲得各陣元晶片發(fā)射聲波到達(dá)目標(biāo)聚焦點(diǎn)時(shí)的傳播方向，然后根據(jù)實(shí)際聲速傳播方向所對(duì)應(yīng)的聲速計(jì)算各陣元晶片的傳播時(shí)間，最后計(jì)算各陣元晶片聲波傳播時(shí)間的差值以得出復(fù)合材料檢測(cè)的延遲時(shí)間。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真模型建立

(1)

當(dāng)不考慮聲速校正時(shí)，設(shè)復(fù)合材料的縱波聲速cL= 2935.7m/s。當(dāng)考慮聲速校正時(shí)，按照式(1)所示的等效彈性常數(shù)計(jì)算出不同傳播方向上的準(zhǔn)縱波群速度[10,11,17]，然后基于最小二乘曲線擬合方法構(gòu)造出聲速與傳播角度之間的關(guān)系式：cL= 587.96θ3+ 1438.5θ2+ 68.48θ+ 2935.7(單位：m/s)，其中0° ≤θ< 90°。分別討論換能器第13～20號(hào)陣元晶片發(fā)射超聲波束垂直入射聚焦到工件正下方5mm位置和超聲波束偏轉(zhuǎn)30°聚焦到5mm深度的情況，所計(jì)算的聲速校正前后各陣元晶片的延遲時(shí)間如表1所示。

表1 所計(jì)算延遲時(shí)間表(單位：ns)

選取時(shí)域有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算的空間間隔為50μm、時(shí)間間隔為5ns，在垂直于工件正方向施加5MHz的5個(gè)周期加Hanning窗的正弦波激勵(lì)，并將施加的激勵(lì)信號(hào)表示為一組帶有表1所計(jì)算時(shí)間延遲的位移邊界條件。

2.2 延遲時(shí)間校正前

圖3(a)為采用聲速校正前延遲時(shí)間的相控陣超聲波束垂直入射到達(dá)聚焦位置時(shí)的聲壓分布圖。圖3(b)，(c)分別是相控陣超聲波束偏轉(zhuǎn)20°和30°入射到達(dá)聚焦位置時(shí)的聲壓分布圖。由圖3可見，聲波并沒有按照預(yù)先設(shè)想的結(jié)果將主要能量集中在聚焦點(diǎn)，出現(xiàn)了能量擴(kuò)散的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，就是在計(jì)算各陣元發(fā)射聲波的延遲時(shí)間值時(shí)，將介質(zhì)的聲速選為固定值，但是聲波在各向異性的復(fù)合材料中傳播時(shí)，不同傳播方向的聲速會(huì)出現(xiàn)顯著的不同，因此導(dǎo)致發(fā)射聲波無法按照預(yù)先設(shè)想的方式傳播到聚焦點(diǎn)。對(duì)比圖3(a),(b),(c)可見，聲波垂直入射要比斜入射到工件內(nèi)部的聚焦能力好得多，因此，實(shí)際復(fù)合材料檢測(cè)時(shí)，應(yīng)盡量采用垂直入射到工件內(nèi)部的方式。

圖3 聲速校正前相控陣超聲波束在復(fù)合材料中的傳播仿真 (a)聲束聚焦；(b)聲束偏轉(zhuǎn)20°加聚焦；(c)聲束偏轉(zhuǎn)30°加聚焦Fig.3 Simulation of ultrasonic beam propagation in composite before velocity correction(a)focusing beam;(b)steering 20° and focusing beam;(c)steering 30° and focusing beam

2.3 延遲時(shí)間校正后

圖4(a)為采用聲速校正后延遲時(shí)間的相控陣超聲波束垂直入射到達(dá)聚焦位置時(shí)的聲場(chǎng)分布圖。圖4(b)，(c)分別為相控陣超聲波束偏轉(zhuǎn)20°和30°入射到達(dá)聚焦位置時(shí)的聲壓分布圖?？梢?，聲波按照預(yù)先設(shè)想的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了能量的聚焦，因此，在實(shí)際復(fù)合材料檢測(cè)時(shí)，應(yīng)采用聲速校正后的延遲時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及試樣

搭建相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，選用Multi X 64相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備、64陣元相控陣線陣探頭以及工業(yè)計(jì)算機(jī)。采用與第2節(jié)仿真相同的相控陣探頭參數(shù)。被測(cè)試樣選擇碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，試樣厚度10mm，在5mm深度位置預(yù)埋直徑3mm的聚四氟乙烯薄膜來模擬夾雜缺陷。

圖4 聲速校正后相控陣超聲波束在復(fù)合材料中的傳播仿真(a)聲束聚焦；(b)聲束偏轉(zhuǎn)20°加聚焦；(c)聲束偏轉(zhuǎn)30°加聚焦Fig.4 Simulation of ultrasonic beam propagation in composite after velocity correction(a)focusing beam;(b)steering 20° and focusing beam;(c)steering 30° and focusing beam

3.2 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

采用水浸斜入射法實(shí)際測(cè)量被檢試樣的準(zhǔn)縱波群速度[18]，分別獲得不同傳播角度下的準(zhǔn)縱波聲速，構(gòu)造出聲速與傳播角度之間的關(guān)系式：cL= 397.3θ4+ 65.4θ3+668.6θ2-19.3θ+2623(單位：m/s)。當(dāng)采用cL=2623m/s的固定聲速和實(shí)際測(cè)量的準(zhǔn)縱波聲速時(shí)，將相控陣超聲合成波束分別偏轉(zhuǎn)于0°,20°,30°三個(gè)角度、聚焦于5mm深度，所獲得的B型圖如圖5～7所示。

圖5 偏轉(zhuǎn)0°、聚焦5mm深度的檢測(cè)結(jié)果 (a)聲速校正前；(b)聲速校正后Fig.5 Inspection result of beam 0° steering and 5mm focusing(a)before velocity correction;(b)after velocity correction

圖6 偏轉(zhuǎn)20°、聚焦5mm深度的檢測(cè)結(jié)果 (a)聲速校正前；(b)聲速校正后Fig.6 Inspection result of beam 20° steering and 5mm focusing(a)before velocity correction;(b)after velocity correction

圖7 偏轉(zhuǎn)30°、聚焦5mm深度的檢測(cè)結(jié)果 (a)聲速校正前；(b)聲速校正后Fig.7 Inspection result of beam 30° steering and 5mm focusing(a)before velocity correction;(b)after velocity correction

如圖5所示，當(dāng)波束偏轉(zhuǎn)0°時(shí)，不管聲速是否做校正均能檢出缺陷。但對(duì)比兩者在缺陷位置的A型圖，聲速校正前的檢測(cè)結(jié)果中，當(dāng)增益為35.8dB時(shí)，缺陷反射波波高達(dá)到滿量程的80%，此時(shí)近表面區(qū)域最高噪聲會(huì)達(dá)到滿量程的60%。聲速校正后的檢測(cè)結(jié)果中，當(dāng)增益為32.2dB時(shí)，缺陷反射波波高達(dá)到滿量程的80%，此時(shí)近表面區(qū)域最高噪聲約為滿量程的32%。可見，聲速校正后近表面區(qū)域的信噪比提高了1倍。波束偏轉(zhuǎn)20°的檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，與波束偏轉(zhuǎn)0°的檢測(cè)結(jié)果有相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，聲速校正前后均能檢出缺陷，但聲速校正后近表面區(qū)域的信噪比明顯提高。波束偏轉(zhuǎn)30°的檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，聲速校正前的檢測(cè)結(jié)果中無法識(shí)別缺陷，但聲速校正后的檢測(cè)結(jié)果中可識(shí)別出缺陷位置，同時(shí)聲速校正后近表面區(qū)域的信噪比明顯提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，采用聲速校正方法可有效提高缺陷檢出率和檢測(cè)信噪比，尤其當(dāng)波束大角度偏轉(zhuǎn)時(shí)。

相控陣超聲換能器中各陣元晶片發(fā)射的超聲波以球面波形式擴(kuò)散傳播，根據(jù)波的干涉疊加原理和惠更斯原理，頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位相同或相位差恒定的聲波會(huì)發(fā)生干涉疊加并向前形成新的球面波，這些波的包絡(luò)就是新的波陣面，因此通過控制各陣元晶片發(fā)射聲波的相位差值(即相位延遲時(shí)間)便可在聲源附近產(chǎn)生干涉形成相控陣超聲的偏轉(zhuǎn)和聚焦波陣面。在各向同性介質(zhì)中，聲波沿不同傳播方向的聲速是固定的，通過將發(fā)射陣元到達(dá)聚焦點(diǎn)的幾何距離除以固定的聲速即可獲得各陣元發(fā)射的相位延遲時(shí)間。根據(jù)超聲波的傳播特性，在正確的相位差值下各陣元激勵(lì)的超聲波會(huì)在試樣近表面干涉疊加形成預(yù)想的波陣面，且該波陣面會(huì)不斷聚焦直到傳播至聚焦位置；但在各向異性介質(zhì)中，聲波沿不同傳播方向的聲速是變化的，如若仍將聲速視為固定值則不能獲得正確的相位延遲時(shí)間，錯(cuò)誤的相位差值導(dǎo)致各陣元激勵(lì)的超聲波不能在試樣近表面區(qū)域干涉疊加形成預(yù)想的波陣面，而形成了各種混亂的波陣面，從而導(dǎo)致近表面區(qū)域的信噪比很差。但考慮聲速校正時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)際聲速傳播方向所對(duì)應(yīng)聲速來計(jì)算相位延遲時(shí)間，在正確的相位差值下各超聲波也就能疊加形成預(yù)想的波陣面，從而使近表面區(qū)域的信噪比明顯提高。

4 結(jié)論

(1)采用相控陣超聲檢測(cè)方法檢測(cè)復(fù)合材料時(shí)，計(jì)算延遲時(shí)間需要考慮對(duì)聲速的校正或選擇較小的偏轉(zhuǎn)角度，以盡量避免聲速變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

(2)仿真結(jié)果可見，當(dāng)不考慮聲速校正時(shí)，聲波沒有按照預(yù)先設(shè)想將主要能量集中在聚焦點(diǎn)，出現(xiàn)了明顯的能量擴(kuò)散；但進(jìn)行聲速校正后，超聲波形成了預(yù)先設(shè)想的偏轉(zhuǎn)和聚焦波束。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，當(dāng)波束偏轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，考慮聲速校正與否均能檢出缺陷；但偏轉(zhuǎn)角度較大時(shí)，如不考慮聲速校正會(huì)由于波束能量擴(kuò)散而無法檢測(cè)出缺陷，同時(shí)聲速校正后近表面區(qū)域信噪比會(huì)明顯提高。

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Velocity Correction of Delay Time and Inspection for Composite Materials Using Ultrasonic Phased Array

XU Na,SHA Zheng-xiao,SHI Yi-wei

(Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Since velocity of composite material is related to propagation direction, a velocity correction method of delay time calculation was proposed. Propagation characteristics of steering and focusing beams in composite materials were researched using numerical simulation method of finite difference time domain to verify the posed velocity correction method. Ultrasonic phased array inspection system was built and carbon fiber reinforced resin matrix composite plate was detected. The result shows that the signal-to-noise ratio of near surface zone and detection rate of defects are improved obviously using the velocity correction method. The research result indicates that the posed velocity correction method of delay time calculation can solve diffusion of ultrasonic beam and improve inspection ability of anisotropic materials effectively. Key words：composite material;anisotropy;ultrasonic testing;phased array;velocity correction

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.09.012

TB553

A

1001-4381(2015)09-0074-06

2014-11-06；

2015-03-08

徐娜(1985—)，女，工程師，博士，研究方向：超聲無損檢測(cè)，聯(lián)系地址：北京市81信箱6分箱(100095)，E-mail:bjxuna@163.com