飛機(jī)蒙皮超聲波相控陣技術(shù)及應(yīng)用

（中國民用航空飛行學(xué)院,四川 廣漢 618307）

0 引言

飛機(jī)蒙皮在飛行過程中起承受局部氣動(dòng)力并傳遞機(jī)身的剪力和扭矩，維持飛機(jī)外形的穩(wěn)定性的作用。由于蒙皮長時(shí)間直接暴露于外界環(huán)境的同時(shí)還要承受交變應(yīng)力，極易產(chǎn)生腐蝕、疲勞裂紋等損傷。若損傷未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，損傷將繼續(xù)擴(kuò)展，形成航空安全隱患。

針對上述情況，基于超聲波相控陣技術(shù)對飛機(jī)蒙皮進(jìn)行準(zhǔn)確早期診斷提供了一種可靠的途徑，以確認(rèn)蒙皮是否損傷以及損傷的位置和深度，對飛機(jī)使用的安全性具有重要意義。

1 超聲波相控陣概述

1.1 超聲波相控陣原理及特點(diǎn)

超聲波相控陣技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)控制相位可控的多芯片探頭（換能器陣列）產(chǎn)生由時(shí)間聚焦法則界定的超聲波，該波束在被檢結(jié)構(gòu)中在不同的角度輻射，以實(shí)現(xiàn)在不同深度上聚焦，多芯片探頭接受回波信號后將信號匯聚，形成傳送至探測器[1]。與傳統(tǒng)超聲波相對，相控陣主要優(yōu)點(diǎn)包括，速度快、靈活性好、電子配置、探頭小巧、復(fù)雜檢測、缺陷檢出率高和多視聲成像。

1.2 超聲波相控陣掃描方式

超聲波相控陣可采用多種方式進(jìn)行掃描，主要掃描方式有：雙向掃描、單向掃描、直線掃描、偏向掃描、螺旋掃描和周向掃描。超聲波相控陣掃描方式具體描述見表1。

表1 超聲波相控陣掃描方式

螺旋掃描適用于圓柱體端面的檢測。也需要兩個(gè)編碼器，用其中一個(gè)編碼器調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度，另一個(gè)編碼器用于半徑方向的調(diào)整。適用于圓柱體工件的檢測。需兩個(gè)編碼器，一個(gè)掃描編碼器用于繞圓柱體的連續(xù)移動(dòng)，另外一個(gè)進(jìn)位編碼器用于沿圓柱體長度方向的連續(xù)移動(dòng)。周向掃描

1.3 超聲波相控陣顯示模式

超聲波相控陣圖像顯示的大多數(shù)顯示模式類似于工程圖紙的平面投影圖，通常有5大類視圖：A顯示、B顯示、C顯示、D顯示和S顯示[2]，另外根據(jù)工作需要還可以組合顯示。各種基本顯示模式位置關(guān)系見圖1超聲波掃描圖像顯示。

圖1 超聲波掃描圖像顯示

（1）A顯示。A顯示的顯示方式有兩種。其中一種是矯正后的波幅，這種顯示方式是將正負(fù)軸的波幅的絕對值疊加顯示；另一種是未矯正的波幅，正負(fù)半軸都出現(xiàn)波幅。橫軸顯示的是聲程、時(shí)間或真實(shí)深度；豎軸顯示的是信號強(qiáng)度的百分比，非矯正幅值從-100%到100%，矯正幅值從0%到100%。（2）B顯示。B顯示的豎軸上顯示的是時(shí)間，深度或聲束路程，橫軸顯示的是探頭在檢查過程中移動(dòng)的距離。視圖中的數(shù)據(jù)是編碼器收集的信息。（3）C顯示。C顯示的橫軸顯示的是探頭在工件表面移動(dòng)的距離，豎軸顯示的是探頭在掃描方向的長度。視圖中顯示的是編碼器收集的信息。（4）D顯示。D顯示的橫軸顯示的是時(shí)間，深度或聲束路程，豎軸顯示的是探頭在掃描方向移動(dòng)的長度。（5）S顯示。S顯示視圖中顯示的數(shù)據(jù)與相控陣探頭的特點(diǎn)（如聲束路徑，折射角，反射波和掃描軸）有關(guān)。橫軸顯示的是聲束與探頭的距離，豎軸顯示的是超聲軸。S顯示是A顯示的所有數(shù)據(jù)形成的扇形掃描的視圖，包括起始角度，終止角度以及角度的分辨率都與A顯示的特征一致。

1.4 相控陣探頭

超聲波相控陣檢測的關(guān)鍵是獲得通常由相控陣探頭（換能器陣列）產(chǎn)生的所需聲場。相控陣探頭將一系列聲學(xué)上獨(dú)立的換能器以一定組合排列。相控陣探頭晶片通常比常規(guī)超聲波探頭偏小，換能器陣列通過控制每個(gè)壓電晶片的激勵(lì)順序和時(shí)間延遲，控制聲束的方向和模式，從而控制聚焦點(diǎn)的位置和大小等、產(chǎn)生方向可控的波形。

無損檢測中，傳統(tǒng)超聲波探頭通常有兩種類型：一種僅包含一個(gè)晶片，該晶片既用于產(chǎn)生又用于接收高頻聲波;另一種包含一對晶片，即一個(gè)晶片用于發(fā)射聲波，另一個(gè)用于接收聲波。相控陣探頭通常是一個(gè)換能器組件。該組件包含16到256個(gè)不同尺寸的小型獨(dú)立晶片，每個(gè)晶片都可以單獨(dú)觸發(fā)。

相控陣探頭根據(jù)陣列排列的不同，主要排列為線形、環(huán)形和面形，如圖2換能器陣列幾何示意圖。

圖2 換能器陣列幾何示意圖

其中，線陣探頭的應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗子诩庸?，發(fā)射和接收的延遲電路控制簡單。環(huán)形陣列由于不能通過聲束偏轉(zhuǎn)來控制，因此大多用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

現(xiàn)在用于航空NDI（Non-Destructive Inspection）檢測的相控陣探頭是由壓電復(fù)合材料制成，其結(jié)構(gòu)為一系列壓電棒均勻分布在環(huán)氧樹脂當(dāng)中。與傳統(tǒng)探頭相比，相控陣探頭的換能器在靈敏度方面高出10～30 dB。

相控陣探頭工作頻率通常在2 MHz至10 MHz的范圍內(nèi)，低頻換能器穿透力強(qiáng)，高頻換能器分辨率及清晰度高。和傳統(tǒng)的超聲波探頭一樣，相控陣探頭可以安裝楔形物，形成一個(gè)用于直接接觸檢測的角梁組件。

2 飛機(jī)蒙皮檢測的典型應(yīng)用

2.1 檢測方法

超聲波相控陣技術(shù)在波音飛機(jī)的應(yīng)用中目前主要在蒙皮搭接處下蒙皮，檢測因劃傷產(chǎn)生的裂紋。檢測的蒙皮厚度范圍為0.81～6.35 mm，表面允許有厚0.18 mm以下的漆層。蒙皮厚度0.81～1.10 mm范圍內(nèi)可檢測厚度50%深的裂紋，1.10～6.35 mm范圍內(nèi)可以檢測0.51 mm深的裂紋，檢測裂紋長度約為5 mm[3]。典型的蒙皮搭接處及裂紋檢測部位見圖3所示。

波音推薦的相控陣儀是RD Tech公司生產(chǎn)的型號MX儀，如果使用其他型號儀器需經(jīng)波音評估和批準(zhǔn)。相控陣為彩色扇形掃描（S掃描）圖像，缺陷是紅色（綠色本底）。收用10MHz頻率，橫波聲束角度35°～80°，使用兩個(gè)探頭楔塊，N60S（中心聲束角度60°）用于檢測0.81～3.94 mm厚蒙皮；N45S（中心聲束角度45°）用于檢測3.96～6.35 mm厚蒙皮。為覆蓋裂紋檢測區(qū)，試塊的刻槽有A、B、C三個(gè)位置，A槽在下蒙皮的搭接內(nèi)、B槽在搭接處、C槽在搭接的附近。刻槽長度有5 mm，深度分別為0.25 mm、0.38 mm和0.51 mm，用于檢測不同厚度的蒙皮。使用低粘度輕質(zhì)的對蒙皮無腐蝕的耦合劑。

圖3 典型的蒙皮搭接及裂紋檢測部位

2.2 檢測

去除探頭掃描去的漆層（寬約20 mm左右）和搭接處的密封膠。搭接處不能涂過多的耦合劑，以免漏檢或產(chǎn)生假顯示。掃描時(shí)，探頭應(yīng)始終接觸在上蒙皮，掃描速度不能超過限定掃描速度。如果圖像中沒有顯示緊固件，可以適當(dāng)提高增益，直到出現(xiàn)顯示，但評價(jià)缺陷時(shí)，應(yīng)恢復(fù)原檢測靈敏度水平。如果在刻槽附近位置出現(xiàn)顯示，在相應(yīng)位置上作標(biāo)記。

2.3 結(jié)果評定

位于刻槽附近±5°角和楔塊前沿到各刻槽距離（PA距離）的-1.8 mm至0.95 mm范圍內(nèi)的顯示應(yīng)懷疑是裂紋顯示，進(jìn)一步判斷如下：（1）將儀器恢復(fù)至相應(yīng)的校準(zhǔn)靈敏度重新掃描。（2）如果仍有顯示的話，將探頭移離上蒙皮端，探頭移動(dòng)時(shí)顯示不隨之移動(dòng)，則表明不是裂紋而是噪聲顯示。（3）檢描并清除搭接處殘留的膠或多余的耦合劑重新掃描，有漆層的話，去除漆層重新檢測。打開懷疑有裂紋顯示的搭接區(qū)，使用渦流方法確認(rèn)。

3 結(jié)束語

超聲波相控陣不僅提高檢測效率，而且還通過S、C掃描視圖輕松發(fā)現(xiàn)和確定缺陷。飛機(jī)蒙皮損傷的及時(shí)檢出保障了民航飛行安全。隨著超聲波向著便攜化、自動(dòng)化的發(fā)展，超聲波相控陣將得到更加廣泛的應(yīng)用。