碳纖維復(fù)合材料凹槽缺陷空氣耦合超聲導(dǎo)波檢測(cè)

鄒 琪， 王明泉， 楊順民， 張 曼

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引 言

復(fù)合材料是運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將兩種或兩種以上的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料. 它不僅可以保持各組分材料性能的優(yōu)點(diǎn)， 而且通過(guò)各組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)可以獲得單一組成材料所不能達(dá)到的綜合性能[1-2]. 因此， 復(fù)合材料代替了很多傳統(tǒng)材料， 在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用， 對(duì)科技的發(fā)展也有著不可替代的作用. 但是， 在生產(chǎn)工藝和使用過(guò)程中， 難免會(huì)出現(xiàn)一些缺陷損傷， 這也成為復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中面臨的一大挑戰(zhàn). 為避免損傷所帶來(lái)的不堪設(shè)想的后果， 及時(shí)檢測(cè)獲知健康狀況信息就顯得十分重要[3].

無(wú)損檢測(cè)方法多種多樣， 也各有利弊. 目前， 傳統(tǒng)的空氣耦合C掃描檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速. 空氣耦合C掃描技術(shù)適用于穿透法檢測(cè)， 將發(fā)射和接收探頭分別置于被檢試件兩側(cè)并進(jìn)行逐點(diǎn)掃描， 掃查范圍有限且耗時(shí)較長(zhǎng). 而本文采用空氣耦合超聲導(dǎo)波檢測(cè)， 將探頭置于被檢材料同側(cè)， 可掃查的范圍廣， 又在傳統(tǒng)超聲導(dǎo)波檢測(cè)基礎(chǔ)上， 無(wú)需使用耦合劑， 以空氣作為耦合方式， 具有檢測(cè)效率高、 檢測(cè)速度快等特點(diǎn)， 更加便捷快速地定位缺陷[4-7].

1 空氣耦合超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理及方法

1.1 導(dǎo)波的基本技術(shù)

導(dǎo)波是聲波在板、 棒、 管等結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)， 不斷地與介質(zhì)的上下邊界發(fā)生折射、 反射及縱波與橫波之間的波形轉(zhuǎn)換作用而產(chǎn)生的波. 導(dǎo)波技術(shù)適用于大面積快速檢測(cè)， 導(dǎo)波在板狀結(jié)構(gòu)傳播過(guò)程中， 產(chǎn)生的板波為L(zhǎng)amb波[8]， 遇到板中的缺陷、 劃槽以及邊界時(shí)， 導(dǎo)波信號(hào)會(huì)發(fā)生散射、 反射和透射現(xiàn)象， 正是基于這種現(xiàn)象， 反射回波中含有頻散或轉(zhuǎn)化的模態(tài)， 可以代表材料、 結(jié)構(gòu)或者缺陷的信息[9-10]. 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題是分析復(fù)合材料中導(dǎo)波的傳播特性， 選擇合適的模態(tài)和探頭的頻率， 通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的分析， 快速準(zhǔn)確地判斷材料的健康狀況.

1.2 頻散曲線繪制和探頭角度計(jì)算

導(dǎo)波在板中傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的頻散現(xiàn)象， 主要與頻厚積有關(guān)[11]. 根據(jù)板中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位關(guān)系把導(dǎo)波的模式分為對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式， 對(duì)稱模式分為S0，S1，S2，S3， …，Sn等多個(gè)模式， 反對(duì)稱模式分為A0，A1，A2，A3， …，An等多個(gè)模式[12-13].

頻散現(xiàn)象和多模態(tài)特性使得導(dǎo)波在傳播中與缺陷的作用顯得十分復(fù)雜， 增加了對(duì)缺陷定位分析的難度[14]. 因此， 對(duì)頻散曲線的分析是研究導(dǎo)波頻散特性， 選擇合理的模態(tài)， 確定探頭入射角度的基礎(chǔ)和關(guān)鍵. 本文以厚度為2 mm的碳纖維復(fù)合材料為研究對(duì)象， 材料的性能參數(shù)分別為：ρ=1.56 g/cm3，E=13.260 3 GPa，ν=0.483 2， 使用有限元分析法， 采用ABAQUS軟件對(duì)導(dǎo)波在復(fù)合板的傳播特性進(jìn)行分析， 繪制圖 1 所示的頻散曲線.

圖 1 頻散曲線Fig.1 Dispersion curve

分析圖 1 的頻散曲線可知， 每個(gè)模態(tài)都存在頻散現(xiàn)象， 群速度和相速度都會(huì)隨著頻率的變化而變化， 不同模態(tài)的導(dǎo)波頻散程度有很大差別， 而同一模態(tài)的導(dǎo)波在不同的頻率范圍內(nèi)也會(huì)有不同的頻散程度； 在同一頻率下， 會(huì)產(chǎn)生2個(gè)或2個(gè)以上的導(dǎo)波模態(tài)， 每個(gè)模態(tài)都會(huì)有各自的群速度和相速度. 而頻率越高， 激勵(lì)的模態(tài)越多， 因此， 挑選合適的模態(tài)作為目標(biāo)模態(tài)就尤為重要了. 通過(guò)分析頻散曲線可知應(yīng)選擇較低的激發(fā)頻率， 因?yàn)轭l率在0～0.4 MHz之間只存在一種A0模態(tài)， 低于其它模態(tài)的截止頻率， 簡(jiǎn)化了板中聲場(chǎng)情況， 一般情況下， 不會(huì)發(fā)生模態(tài)間的干擾和轉(zhuǎn)化. 本文選取A0模態(tài)作為目標(biāo)模態(tài)進(jìn)行提取分析， 選取中心頻率為0.2 MHz的空氣耦合平探頭進(jìn)行綜合分析. 分析相速度頻散曲線中對(duì)應(yīng)頻率為0.2 MHz下的A0模態(tài). 根據(jù)Snell[15]定理可得

(1)

式中：θ0為探頭的入射角；θ1為入射聲波傳播進(jìn)入板材后與法線的夾角；c0為超聲波在空氣中的傳播速度，c0=340 m·s-1；c1為A0模態(tài)在 0.2 MHz 下在板中傳播的相速度，c1=1 088 m·s-1. 代入相應(yīng)數(shù)據(jù)即可求得θ0， 反射角等于入射角， 即探頭的入射角θ0=18.208 6°.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試件的準(zhǔn)備

選取厚度為2 mm碳纖維復(fù)合材料板作為實(shí)驗(yàn)試件， 在其表面制作人工模擬劃槽缺陷. 為研究在深度一定的情況下， 不同寬度對(duì)導(dǎo)波信號(hào)的影響狀況， 制備了深度為0.5 mm， 寬度分別為 1 mm， 2 mm， 3 mm的3種人工模擬劃槽.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖 2 所示實(shí)驗(yàn)采用頻率為0.2 MHz的平探頭， 壓電晶片大小為20 mm×14 mm， 將一發(fā)一收探頭同側(cè)對(duì)向放置， 發(fā)射探頭和接收探頭中心間距為18 mm， 根據(jù)前文中計(jì)算出的入射角度對(duì)兩個(gè)探頭進(jìn)行角度調(diào)整. 首先將準(zhǔn)備好的完好無(wú)缺陷的碳纖維復(fù)合板置于探頭下側(cè)， 探頭與板間距調(diào)整5 mm， 得到如圖 3 所示的接收信號(hào)； 第2步， 將制備好的深度為0.5 mm， 寬度為1 mm的人工模擬劃槽缺陷置于兩探頭之間， 得到如圖 4 所示的導(dǎo)波接收信號(hào)； 第3步， 分別將制備好的2 mm和 3 mm 人工模擬劃槽缺陷置于探頭之間， 得到圖 6 和圖 7 所示的接收信號(hào). 為了減少測(cè)量誤差， 使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具可靠性， 此次實(shí)驗(yàn)分別對(duì)4種狀況下的碳纖維復(fù)合板采10組數(shù)據(jù)， 每組數(shù)據(jù)包含3 000個(gè)采樣點(diǎn)， 采樣點(diǎn)的橫坐標(biāo)代表采樣時(shí)間， 采樣頻率為2 MHz； 縱坐標(biāo)代表幅值， 在Matlab中繪制出波形信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析. 表 1 對(duì)無(wú)缺陷、 1 mm劃槽、 2 mm劃槽和3 mm劃槽情況下采集10組數(shù)據(jù)的幅值最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 并求取平均值， 目的是為了平均降噪.

圖 2 同側(cè)對(duì)向探頭實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Same side opposite probe test site

圖 3 無(wú)缺陷情況接收信號(hào)Fig.3 Receive signal without defect

圖 4 劃槽1 mm時(shí)接收信號(hào)Fig.4 Receive signal when slotted 1 mm

圖 5 劃槽2 mm時(shí)接收信號(hào)Fig.5 Receive signal when slotted 2 mm

圖 6 劃槽3 mm時(shí)接收信號(hào)Fig.6 Receive signal when slotted 3 mm

無(wú)缺陷1 mm2 mm3 mm10.876 60.642 60.494 80.420 820.889 00.644 40.493 20.423 230.921 00.595 60.496 30.455 040.956 70.596 60.498 40.450 150.907 00.628 30.504 60.415 460.905 80.626 20.509 10.416 470.894 40.598 30.506 90.423 380.894 90.600 90.510 60.432 490.882 00.634 10.525 80.427 5100.919 30.639 80.529 10.416 0平均值0.904 80.620 70.506 90.428 0

由表 1 可以看出： 當(dāng)碳纖維復(fù)合板出現(xiàn)劃槽缺陷時(shí)， 導(dǎo)波信號(hào)的最高幅值呈現(xiàn)衰減狀態(tài)， 且隨著劃槽寬度的增加， 導(dǎo)波信號(hào)的最高幅值始終呈衰減趨勢(shì). 無(wú)缺陷的碳纖維復(fù)合板最高幅值的平均值是0.904 8； 表面有1 mm劃槽時(shí)最高幅值平均值是0.620 7， 相比無(wú)缺陷的最高幅值衰減了0.284 1； 表面有2 mm劃槽時(shí)最高幅值平均值是0.506 9， 相比表面有1 mm劃槽時(shí)最高幅值衰減了0.113 8； 表面有3 mm劃槽時(shí)最高幅值平均值是0.428 0， 相比表面有2 mm劃槽時(shí)最高幅值衰減了0.078 9.

根據(jù)計(jì)算得出的4種情況下最高幅值平均值， 采用最小二乘法繪制導(dǎo)波信號(hào)最高幅值隨劃槽寬度變化的曲線如圖 7 所示. 分析可知： 劃槽缺陷深度一定時(shí)， 隨著劃槽寬度的增加， 導(dǎo)波信號(hào)最高幅值呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)， 且衰減的速度越來(lái)越慢. 可以初步推斷， 當(dāng)碳纖維復(fù)合板表面出現(xiàn)劃槽時(shí)， 導(dǎo)波信號(hào)最高幅值會(huì)呈現(xiàn)衰減， 并且隨著劃槽寬度的增大， 最高幅值衰減趨于平緩， 呈現(xiàn)出一直趨于零但始終不為零的狀態(tài).

圖 7 劃槽寬度與幅值的關(guān)系曲線Fig.7 Shows the relationship between the groove width and the amplitude

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)有些不能使用耦合劑的特殊材料的檢測(cè)， 而耦合劑的使用也使得檢測(cè)環(huán)境受到限制， 這樣降低了缺陷的檢測(cè)精度和效率. 本文采用非接觸式空氣耦合超聲檢測(cè)， 無(wú)需使用耦合劑， 以碳纖維復(fù)合材料為實(shí)驗(yàn)研究試件， 使用0.2 MHz的平探頭同側(cè)對(duì)向放置法進(jìn)行檢測(cè)， 在深度一定情況下的3種不同寬度劃槽均可被檢出和區(qū)分， 檢測(cè)方式便捷， 靈敏度好， 效率高， 為空氣耦合超聲導(dǎo)波對(duì)碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).