空氣耦合超聲檢測(cè)共固化復(fù)合材料研究

劉太麗 黃漫國(guó) 劉藝 劉偉 李欣 梁曉波

摘要：先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)為復(fù)合材料的廣泛化提供新的契機(jī)，但對(duì)其檢測(cè)提出新的需求。本文利用非接觸的空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)共固化復(fù)合材料缺陷的檢測(cè)。進(jìn)一步地通過(guò)正交分析法對(duì)傳感器間距離、激勵(lì)電壓、增益、波包個(gè)數(shù)、激勵(lì)頻率進(jìn)行了條件試驗(yàn)，最終確定了儀器最佳檢測(cè)參數(shù)為傳感器間距離80mm、激勵(lì)電壓150V、增益30dB、波包個(gè)數(shù)3個(gè)、激勵(lì)頻率390kHz。本文研究可為后續(xù)實(shí)現(xiàn)針對(duì)共固化復(fù)合材料的空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)的規(guī)范化檢測(cè)提供一定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：空氣耦合超聲；共固化復(fù)合材料；正交分析；缺陷檢測(cè)；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TB55文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.07.010

復(fù)合材料（CFRP）在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不但可極大降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，還可提高使用壽命，降低維護(hù)費(fèi)用[1-2]。隨著技術(shù)發(fā)展，復(fù)合材料大量用于主關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)和復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，而制作工藝也向整體成形和共固化方向發(fā)展[3-5]。共固化技術(shù)有低成本、高合格率、高成形率的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于機(jī)翼壁板成形。隨著新工藝的不斷完善，對(duì)于飛機(jī)共固化復(fù)合材料的加工、裝配、檢驗(yàn)等都提出了新的需求與挑戰(zhàn)[6-7]，尤其是檢測(cè)方面，因共固化材料結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，極大提高了缺陷檢測(cè)的難度。

傳統(tǒng)超聲檢測(cè)由于價(jià)格低、操作簡(jiǎn)易而成為最為廣泛的應(yīng)用技術(shù)。但目前在該技術(shù)自動(dòng)化的道路上，耦合劑的使用是一個(gè)不可避免的障礙，因其需要花費(fèi)巨大的資源才能自動(dòng)地連續(xù)提供耦合劑和自動(dòng)清潔這兩個(gè)功能集成在系統(tǒng)中。因此空氣耦合超聲（Air-coupled ultrasound，ACU）在工業(yè)應(yīng)用中的意義日益重要，與其他接觸超聲相比，其具有無(wú)需液體、固體或凝膠狀的耦合劑的優(yōu)點(diǎn)，這樣可以避免被測(cè)物的污染和傳感器的磨損[8-9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)空氣耦合超聲技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究和試驗(yàn)測(cè)試。

在成像方面，?？〗艿萚10]采用提取出頻域信號(hào)的概率損傷因子的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料多種缺陷的成像。Imielińska等[11]采用超聲空氣耦合C掃描技術(shù)和X射線成像技術(shù)檢測(cè)薄碳纖維、環(huán)氧復(fù)合板的沖擊損傷，發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的材料損傷區(qū)域大小基本一致。Liu等[12]利用空氣耦合超聲換能器激勵(lì)、接收Lamb波對(duì)復(fù)合材料層合板內(nèi)的分層缺陷進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，最終采用虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的成像。

在聲場(chǎng)仿真與數(shù)值分析方面。Rai？utis等[13]研究了導(dǎo)波在非接觸式激勵(lì)、接收情況下沿方形CFRP棒的傳播效應(yīng)（透射、反射、散射和模態(tài)轉(zhuǎn)換）并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的實(shí)際尺寸的檢測(cè)?？诐萚14]研究了空氣耦合超聲換能器聲場(chǎng)分布特性與測(cè)量技術(shù)，試驗(yàn)測(cè)量與聲場(chǎng)的理論計(jì)算結(jié)果取得很好的一致性。Rmmeler等[9]通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算的方式來(lái)確定空氣耦合超聲該設(shè)置的4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，兩個(gè)角度和兩個(gè)距離。結(jié)論表明通過(guò)空氣耦合超聲參數(shù)設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)Lamb模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步進(jìn)行缺陷檢測(cè)和定位。因此，試驗(yàn)時(shí)必須進(jìn)行沿蘭姆波傳播方向的多次測(cè)量，才能進(jìn)行完整的信號(hào)分析和缺陷可視化?？梢?jiàn)檢測(cè)參數(shù)會(huì)影響成像結(jié)果，而反復(fù)試驗(yàn)的迭代法會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。

為提高試驗(yàn)效率，Sen等[15]對(duì)過(guò)去傳統(tǒng)的試驗(yàn)迭代法進(jìn)行了改進(jìn)。其研制了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)角度掃描系統(tǒng)，可以自動(dòng)確定探頭與被測(cè)試件的最佳共振角。危荃等[16]為解決空氣耦合超聲信號(hào)信噪比差的問(wèn)題，自主研制了內(nèi)置專(zhuān)用信號(hào)處理單元，試驗(yàn)結(jié)果表明空氣耦合超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于蜂窩夾芯復(fù)合材料、復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料的非接觸無(wú)損檢測(cè)。

綜上所述，空氣耦合超聲方法可用于共固化復(fù)合材料的檢測(cè)，學(xué)者們分別采用了仿真與試驗(yàn)的方法來(lái)研究結(jié)果的影響檢測(cè)結(jié)果的各種參數(shù)，但仿真計(jì)算偏向于理想化，對(duì)比實(shí)際情況仍有差距，而傳統(tǒng)的試驗(yàn)法需消耗大量時(shí)間。因此本文提出了使用正交分析的方法對(duì)空氣耦合超聲檢測(cè)的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到檢測(cè)的最佳參數(shù)設(shè)置。

1空氣耦合超聲檢測(cè)方法

在空氣耦合超聲檢測(cè)方法中，最常被采用的檢測(cè)方法主要包含穿透法、脈沖反射法（包括同側(cè)檢測(cè)法和回波法）及表面波法、Lamb波法等，其中以穿透法最為廣泛地被應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)。而針對(duì)復(fù)合材料，反射法中，信號(hào)需要經(jīng)過(guò)多次分界面的反射、折射及空氣傳播衰減，因此返回的信號(hào)非常微弱，依現(xiàn)有技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。而透射法，激勵(lì)與接收傳感器分別位于試塊兩側(cè)，如有缺陷，其大小、形狀都會(huì)反映在信號(hào)的反射情況和衰減程度上，可判斷出材料內(nèi)部狀態(tài)。

基于穿透法的檢測(cè)原理示意圖如圖1所示。空氣耦合超聲穿透檢測(cè)方法與常規(guī)超聲穿透法類(lèi)似，工件被放置在載物支架平臺(tái)上，發(fā)射、接收傳感器被放置于試件兩側(cè)。盡量保證兩傳感器軸線重合，且軸線與試塊表面垂直。超聲波經(jīng)空氣后入射至被檢查材料的內(nèi)部，透過(guò)的超聲波被接收傳感器采集。當(dāng)沒(méi)有空氣層、異物等存在時(shí)，試樣的密度相同，透過(guò)的超聲波能量一致；當(dāng)有空氣層、異物等存在時(shí)，試樣的密度發(fā)生變化，透過(guò)的超聲波能量不一致，且兩者在超聲波幅值和穿透的時(shí)間上存在差異，可以通過(guò)接收信號(hào)的不同時(shí)域響應(yīng)過(guò)程來(lái)表征材料內(nèi)部的特性。因此通過(guò)透射的超聲波特征值可以判斷被檢查材料內(nèi)部是否存在空氣層、異物等。

圖2為A掃描波形對(duì)比圖，其中，圖2（a）為無(wú)缺陷的A掃波形圖，圖2（b）有缺陷的A掃波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)有缺陷時(shí)，回波幅值將會(huì)明顯降低。

2試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

依照空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理，建立了空氣耦合超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括上位機(jī)操作系統(tǒng)、信號(hào)（函數(shù)）發(fā)生器、功率放大器、空氣耦合超聲傳感器、前置放大器、兩軸運(yùn)動(dòng)掃描架、載物支架平臺(tái)等?？諝怦詈铣暀z測(cè)裝置示意圖如圖3所示?？諝怦詈铣暣┩笝z測(cè)方法與常規(guī)超聲穿透法類(lèi)似，工件被放置在載物支架平臺(tái)上，激勵(lì)、接收傳感器被放置于試件兩側(cè)。盡量保證兩傳感器軸線重合，且軸線與試件表面垂直。

當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播路程、激勵(lì)頻率決定了聲波的吸收衰減與頻散，激勵(lì)頻率增大則其衰減隨之變大，且傳播路程越長(zhǎng)衰減越大。因此，采用常規(guī)增幅率最高超聲波發(fā)射接收器，只能達(dá)到60dB，且當(dāng)頻率大于1MHz時(shí)，是不足以實(shí)現(xiàn)利用空氣耦合超聲波檢測(cè)出材料內(nèi)部損傷的。本文使用的Japan Probe公司開(kāi)發(fā)的一種內(nèi)部自帶增幅高達(dá)80dB的超高功率空氣耦合超聲波傳感器JPR-600，如圖4所示。此種超聲波發(fā)射接收器可持續(xù)發(fā)射波數(shù)為300個(gè)，電壓幅值達(dá)600V的矩形脈沖。

試驗(yàn)選用的試塊為復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)，試塊實(shí)物圖如圖5所示，尺寸為237mm×215mm×18mm，在上、下膠結(jié)界面處各有兩排大小分別為？6mm、？10mm和？20mm的缺陷，試件缺陷位置示意圖如圖6所示。紅色邊框圈出的范圍為掃描區(qū)域。

2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

儀器的參數(shù)設(shè)置對(duì)檢測(cè)結(jié)果有很大影響，由于檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)影響結(jié)果的可調(diào)參數(shù)眾多，要分析出每個(gè)設(shè)置量對(duì)檢測(cè)性能的影響需要大量試驗(yàn)。為提高優(yōu)化計(jì)算效率，正交試驗(yàn)方法常被用來(lái)規(guī)劃超聲檢測(cè)試驗(yàn)方案，以減少試驗(yàn)時(shí)間。該法采用正交表編排與分析多試驗(yàn)參數(shù)變量，核心在于其可在由試驗(yàn)變量的全部參數(shù)值組合中，挑選出個(gè)別有表征性的參數(shù)組合來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)以個(gè)別來(lái)了解全面。圖7為正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程。

為了降低試驗(yàn)次數(shù)，5個(gè)可控設(shè)置參數(shù)各取4個(gè)值，提取參數(shù)分別為傳感器間距離L、激勵(lì)頻率F、激勵(lì)電壓U、增益A、波包個(gè)數(shù)W，這5個(gè)參數(shù)為正交試驗(yàn)的“因素”，各參數(shù)所取數(shù)值簡(jiǎn)稱為“水平”，本文中各參數(shù)分別取4個(gè)“水平”值。以蜂窩結(jié)構(gòu)試塊檢測(cè)效果為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究?jī)x器設(shè)置的最佳參數(shù)設(shè)置值，表1為蜂窩結(jié)構(gòu)試塊檢測(cè)儀器參數(shù)水平表。

由于缺陷C掃描只提取A掃描信號(hào)幅值最大值來(lái)成像，因此以正常信號(hào)與缺陷信號(hào)幅值最大值之差比上正常信號(hào)幅值最大值的比值百分?jǐn)?shù)B為優(yōu)化指標(biāo)，B越大缺陷信號(hào)與正常信號(hào)的差異越大。5因素4水平對(duì)應(yīng)于正交表L16（45），共需進(jìn)行18組試驗(yàn)。表2為蜂窩結(jié)構(gòu)試塊檢測(cè)儀器參數(shù)正交試驗(yàn)表。其中B值為按照試驗(yàn)表對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)后計(jì)算得出。

3結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算各超聲儀器設(shè)置參數(shù)因素在相同水平下的B值的算數(shù)平均值kj，取得各因素水平對(duì)超聲信號(hào)強(qiáng)度的影響（其中，j被用來(lái)作為各儀器可控參數(shù)因素水平的序號(hào)，j= 1，2，3，4）。根據(jù)kj可求得各超聲檢測(cè)儀器因素的極差R，表3為蜂窩結(jié)構(gòu)試塊正交試驗(yàn)結(jié)果分析。

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果可繪制出各可控超聲檢測(cè)儀器參數(shù)因素與B之間的關(guān)系圖，圖8為蜂窩結(jié)構(gòu)試塊B值隨參數(shù)變化趨勢(shì)圖。由于傳感器的中心頻率為400kHz，因此從激勵(lì)頻率F可以驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)置的正確性，即正交試驗(yàn)在激勵(lì)頻率接近400kHz時(shí)，檢測(cè)效果最優(yōu)。

結(jié)合表3和圖8可知，當(dāng)傳感器間距離為80mm、激勵(lì)電壓為150V、增益為30dB、波包個(gè)數(shù)為三個(gè)、激勵(lì)頻率為390kHz時(shí)，具有最優(yōu)的檢測(cè)效果。圖9為成像結(jié)果對(duì)比圖，其中，圖9（a）為非最佳參數(shù)檢測(cè)結(jié)果，圖9（b）為最佳參數(shù)檢測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，儀器參數(shù)對(duì)于成像結(jié)果有明顯的影響，采用試驗(yàn)的方法來(lái)優(yōu)化儀器設(shè)置參數(shù)，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

4結(jié)論

本文采用空氣耦合超聲C掃描技術(shù)對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)研究。結(jié)果表明，該技術(shù)可用于共固化復(fù)合材料脫黏缺陷的檢測(cè)。同時(shí)為降低人為因素導(dǎo)致的掃描誤差，采用正交試驗(yàn)法對(duì)超聲掃描檢測(cè)儀器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。分析發(fā)現(xiàn)傳感器間距離與增益值的設(shè)置對(duì)檢測(cè)效果影響較大，針對(duì)本試驗(yàn)中的蜂窩結(jié)試塊構(gòu)，其檢測(cè)的最優(yōu)儀器設(shè)置參數(shù)應(yīng)為：傳感器間距離80mm、激勵(lì)電壓150V、增益30dB、波包個(gè)數(shù)三個(gè)、激勵(lì)頻率390kHz。本研究對(duì)共固化復(fù)合材料缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè)技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。為后續(xù)實(shí)現(xiàn)針對(duì)共固化復(fù)合材料的空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、工程化提供方法。

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Air-coupled Ultrasonic Testing of Co-cured Composite Materials

Liu Taili，Huang Manguo，Liu Yi，Liu Wei，Li Xin，Liang Xiaobo

Beijing Changcheng Aeronautic Measurement and Control Technology Research Institute，Beijing 101111，China

Abstract： Advanced composite material co-curing technology provides a new opportunity for the widespread use of composite materials， but it puts forward new requirements for its testing. This paper adopts non-contact air-coupled ultrasonic testing technology to realize the detection of defects in co-cured composite materials. Furthermore， the distance between sensors， excitation voltage， gain， number of wave packets， and excitation frequency were tested by orthogonal analysis. Finally， the best detection parameters of the instrument are determined as follows： the distance between the sensors is 80mm， the excitation voltage is 150V， the gain is 30dB， the number of wave packets is 3， and the excitation frequency is 390kHz. It provides a basis for the standardization of air coupled ultrasonic testing technology for Co-cured composites

Key Words：air-coupled ultrasound；Co-cured composite materials；orthogonal analysis；defect detection； parameter optimization