基于水膜耦合導波傳感器的復合材料檢測研究

何 婕，閆 瑜，高 檗，劉增華，黃漫國,5，于 瑞

(1.空裝駐北京地區(qū)第五軍事代表室，北京 101399；2.航空工業(yè)北京長城航空測控技術研究所，北京 101111；3.空間重點物理實驗室，北京 100076；4.北京工業(yè)大學 材料與制造學部，北京 100124；5.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 101111)

碳纖維復合材料與金屬材料或其他工程材料相比，具有強度高、耐疲勞、抗腐蝕、材料性能可裁剪等優(yōu)良性能，在能源、交通、建筑、航空航天等工業(yè)領域被廣泛使用[1]。

在制造過程中，復合材料制品的材料與結(jié)構(gòu)同時成形，因此許多不確定的影響因素會使成品結(jié)構(gòu)中存在缺陷[2]。此外，在使用過程中也可能會發(fā)生各種損傷[3]。制造過程中產(chǎn)生的缺陷主要有氣孔、分層、夾雜、疏松等；使用過程中的缺陷主要有脫膠、分層、劃傷等[4-5]。復合材料的使用過程中，缺陷的存在會對生產(chǎn)安全和使用安全構(gòu)成極大的威脅，需要通過必要的無損檢測手段對復合材料件進行質(zhì)量檢測[6]。由于聲波對復合材料的疏密、纖維方向、彈性模量等材料特性敏感，超聲檢測能夠有效檢測出分層、裂紋、孔隙和夾雜等多種缺陷。相對于常規(guī)超聲波檢測，超聲導波檢測可實現(xiàn)長距離、低能量損失和大范圍的檢測，避免檢測數(shù)據(jù)量的冗余，極大提高了檢測效率。劉增華等[7]研究了復合材料板中超聲導波的偏斜效應，對理論計算的群速度進行幅度和方向修正，提高了各向異性復合材料板中超聲導波缺陷定位和識別能力。于洪濤[8]采用空氣耦合的超聲入射方式在樹脂基復合材料板中激勵出Lamb波，并改進損傷概率成像算法，實現(xiàn)了對不同尺寸缺陷的成像檢測。

使用超聲導波做檢測時，耦合過程是影響結(jié)果的關鍵要素。目前常見的超聲檢測耦合方式有空氣耦合、液體耦合和干壓耦合等?？諝怦詈鲜菍⒖諝庾鳛轳詈辖橘|(zhì)的超聲檢測法，該方法使傳感器與待檢材料之間不直接接觸，避免傳感器劃傷試件。但由于超聲波在空氣中的衰減很大，并且衰減程度會隨著頻率提高而增大，這就使空耦法無法實現(xiàn)高頻檢測，存在檢測精度低的問題。液體水浸耦合則是通過在探頭和試件間增加液體從而實現(xiàn)聲能傳遞的方法。但該方法需要將試件完全浸于水中，不適于對大型板材進行檢測，而且部分復合材料構(gòu)件長時間浸泡水中容易破壞結(jié)構(gòu)并降低材料板性能[9]。干壓耦合是在探頭下直接附以軟橡膠或塑料軟墊的探頭，在掃查過程中，由于壓力和摩擦力的存在，耦合膜存在磨損，并且為維持穩(wěn)定性，其掃查速度也被限制在6～10 cm/s[10]。帶液泡和橡膠墊的探頭也稱為水膜耦合傳感器[11]，其壓力可由液泡提供，柔軟靈活，液體的流動性能使耦合膜更好地貼合待檢材料，易實現(xiàn)自動化掃查?；谒ゑ詈戏椒?，Drinkwater等[12]研究了橡膠耦合性能，提出利用耦合交界面處的反射系數(shù)表征兩材料之間耦合性能好壞的方法，并實驗分析了灰塵污垢對固體與橡膠耦合性能的影響。鄭海平等[13]利用前端帶液泡的水膜耦合傳感器對非金屬復合材料的干壓耦合超聲自動探傷方法進行研究，分析了耦合壓力和步距對實驗結(jié)果的影響。水膜耦合可實現(xiàn)超聲波中高頻信號成分的有效傳播，提高檢測精度，柔性耦合避免了傳感器與待測復合材料之間出現(xiàn)劃傷，有利于實現(xiàn)自動化檢測。

本文通過理論計算和實驗研究，結(jié)合導波檢測技術和水膜耦合技術，設計并制作了用于檢測復合材料板缺陷的水膜耦合導波傳感器。最后在實驗室環(huán)境下搭建檢測平臺，測試了水膜耦合導波傳感器的檢測性能。

1 超聲導波的基本概念

在有限尺寸的波導(如管道、薄板等)中傳播產(chǎn)生的超聲波稱為導波。導波是由于在空間有限介質(zhì)中，聲波傳播到邊界發(fā)生反射并產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換，多次往復后，不同的波形之間產(chǎn)生復雜的疊加干涉和幾何彌散而形成的。對于板材而言，板內(nèi)的縱波和橫波將會產(chǎn)生上下往復的反射，并且向板另一端傳播，由于在平行的邊界發(fā)生的反射多為全反射，大部分聲能量仍保留在板內(nèi)，導致超聲波主要在板內(nèi)傳播。波速只與介質(zhì)材料性質(zhì)有關，與波動本身無關[8]。

在傳播過程中，頻率相近的波疊加形成波包，波包的速度稱為群速度，其相位變化的速度稱為相速度。在超聲導波中，群速度代表脈沖波的包絡上具有某種特征(如幅值最大)的點的傳播速度，是波群的能量傳播速度，而相速度則代表波上相位固定的一點沿傳播方向的傳播速度，兩者關系為

(1)

式中:CP為相速度；Cg為群速度；ω為頻率。

受有限空間限制，導波具有頻散性和多模態(tài)性[14]，即導波的相速度和群速度隨頻率的不同而變化，并且在同一頻率下有多個模態(tài)的波同時存在。

1.1 Lamb波檢測理論

Lamb波是在板類波導結(jié)構(gòu)中傳播的導波，最早是由Lamb[15]在研究無限大自由板中導波傳播理論的過程中發(fā)現(xiàn)的。Lamb波在傳播過程中能覆蓋整個傳播路徑，聲能衰減小、檢測范圍大且對多種類型缺陷敏感，適合實現(xiàn)大型板狀結(jié)構(gòu)的快速無損檢測。

Lamb波在傳播過程中，板厚度方向上的質(zhì)點均受波的影響而產(chǎn)生振動，振動方式主要為橫向與縱向。Lamb波的結(jié)構(gòu)為質(zhì)點在兩方向振動的合成。根據(jù)波結(jié)構(gòu)的不同，可以將Lamb波分為對稱模態(tài)S和反對稱模態(tài)A兩種基本形式。對稱模態(tài)的質(zhì)點相對于板的中間層做對稱運動。反對稱模態(tài)的質(zhì)點則相對于板中間層做反對稱運動。兩種模態(tài)質(zhì)點運動滿足以下兩種方程。

① 對稱模態(tài)質(zhì)點運動方程為

(2)

② 反對稱模態(tài)質(zhì)點運動方程為

(3)

其中：

式中：k為波數(shù)；b為1/2板厚；CP為相速度；CL為縱波波速；CS為橫波波速；f為聲波頻率。

1.2 Lamb波檢測復合材料理論

由于導波具有頻散特性和多模態(tài)性，信號往往非常復雜，準確計算導波的傳播時間是分析波形結(jié)構(gòu)的關鍵。然而，在復合材料層合板中，不同層間波速在同方向上的傳播速度不同，這一結(jié)構(gòu)特點使復合材料中Lamb波模態(tài)更為復雜，分析也更加困難。由于目前少有解析式能定量表征不同鋪層復合材料層合板中導波波速的變化，因此，關于復合材料層合板內(nèi)導波的研究并沒有真正考慮各向異性波的傳播。大多研究以假設準各向同性板中Lamb波在各方向傳播速度相同作為研究前提[8]。

本文檢測對象為T300/QY8911碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板，該板采用對稱的鋪層方式，該方式為[(0/45/90/-45)2]s，每層厚度為0.14 mm，板厚為2.24 mm，共16層。待檢復合材料單向帶的材料屬性如表1所示。

表1 待檢復合材料單向帶的材料屬性

在復合材料板中，需要計算Lamb波的頻散曲線，Lowe[16]和其課題組研究人員編寫了用于計算波導結(jié)構(gòu)頻散曲線的Disperse軟件。根據(jù)本文采用的復合材料板，可以利用Disperse軟件繪制該材料板在準各向同性鋪層情況下Lamb波的相速度和波長頻散曲線，如圖1所示。

圖1 復合材料板0°方向Lamb波頻散曲線

對于導波而言，高頻率可檢測更小尺寸的缺陷，但當頻率高于一定程度，使波長小于板厚時，就會使聲表面波占優(yōu)，表面波僅對材料板近表面缺陷的檢測有效，無法有效檢測深層缺陷。表面波的存在會使檢測到的信號波形重疊混雜，不利于波形分析。所以有必要使波長大于待檢測板的厚度以消除表面波。

綜上可得到不同模態(tài)頻率范圍，如表2所示。

表2 不同模態(tài)可供選擇的頻率范圍

2 水膜耦合導波傳感器的研制

水膜耦合導波傳感器采用一種裝配結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺忾]起來，排出空氣，模擬水浸環(huán)境，使聲波的激勵與接收能夠直接在水浸環(huán)境下進行，從而減少高頻聲波的吸收衰減，提高檢測精度。針對該目的，需要設計該裝配結(jié)構(gòu)的部件。不同部件實現(xiàn)的功能不同，對材質(zhì)和結(jié)構(gòu)也有不同要求。采用SolidWorks三維建模軟件完成傳感器的結(jié)構(gòu)設計。

2.1 耦合材料選擇

聲波I0從介質(zhì)1傳播到兩介質(zhì)交界面時，部分能量穿過交界進入介質(zhì)2中成為It，這部分聲波被稱為透射波。另一部分則被界面反射回來，成為Ir，這部分聲波為反射波。由于反射波Ir分走部分能量，該過程造成了能量的損失。用聲壓表征聲能量時，將反射波的聲壓強度Pr與入射波的聲壓強度P0之比稱為聲壓反射率r，而透射波的聲壓強度Pt與P0的比值則表示聲壓透射率t。其表達式為

(4)

(5)

根據(jù)聲壓公式得：

P2=ρcu=Zu

(6)

式中：P為聲壓幅度；ρ為介質(zhì)密度；c為介質(zhì)的聲速；Z為聲阻抗；u為質(zhì)點的振動速度。

將該式(6)帶入到式(4)和式(5)中可以得：

(7)

(8)

式中：Z1、Z2為2種不同材質(zhì)的聲阻擾。

式(7)與式(8)表示不同介質(zhì)的聲阻抗差決定反射和透射的能量比。差越小，透射聲能越大，反射聲能越小。為了提高水膜耦合導波傳感器透射進入待檢材料的能量，需選用聲阻抗與水相近的彈性耐磨材料。表3為不同材料的超聲特性[17]。

表3 不同材料的超聲特性

綜合考慮與水的聲阻抗的相近程度，以及耦合材料的可塑性和耐磨性，最后選用天然橡膠材料作為耦合膜材料。

2.2 入射角度選擇

超聲波斜入射傳播進入不同介質(zhì)材料時，會發(fā)生折射和反射。除了改變傳播方向外，界面處同樣會發(fā)生橫縱波形的轉(zhuǎn)換，如圖2所示，聲波在波導結(jié)構(gòu)板中的多次反射和折射的疊加會產(chǎn)生Lamb波等類型的導波[18]。當聲波在不同介質(zhì)下發(fā)生折射時，垂直于交界面并經(jīng)過入射點的線為法線，折射聲束與法線之間夾角為折射角，入射聲束與法線之間的夾角稱為入射角。圖2中βL與βS為折射角，dL和dS為反射角。

圖2 超聲波傾斜入射到兩介質(zhì)交界面

根據(jù)Snell定律，折射角相對入射角與大小和不同介質(zhì)內(nèi)部聲波的聲速的比率有關，該關系為

(9)

(10)

式中:cL1為縱波在介質(zhì)1中的聲速；cL2為縱波在介質(zhì)2中的聲速；cS1為橫波在介質(zhì)1中的聲速；cS2為橫波在介質(zhì)2中的聲速。

對于斜入射產(chǎn)生的導波過程而言，不同入射角度可以使某一模態(tài)的能量盡可能大，從而得到單一模態(tài)。斜入射傳感器的入射角θ與入射介質(zhì)中波速和待檢測板中Lamb波相速度之間關系同樣符合Snell定律[19]，滿足：

(11)

式中：λair為空氣中聲波的波長；λp為Lamb波的波長；vair為空氣中的聲波波速；vp為Lamb波的相速度；f為聲波頻率。

對于本課題而言，入射介質(zhì)為水與耦合膜材料，由于兩者材質(zhì)聲阻抗相近，聲波傳播波速可近似看成聲波在水中的波速。對于本文中的T300/QY8911碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板，其相速度可依據(jù)圖3所示的頻散曲線求得，水膜耦合入射角頻散曲線可根據(jù)式(11)可求解。

根據(jù)圖3中的計算結(jié)果可得，取中心頻率為600 kHz時，為了在水膜耦合的基礎上激勵單一的A0模態(tài)，其最佳入射角為86°。由圖2可以看出，入射高度與入射波束在交界面的投影長度之比等于入射角的正切值。按照最佳入射角可得，入射高度每增高1 mm，則入射波投影在介質(zhì)交接面的投影長度增長14.3 mm。

圖3 沿復合材料板0°方向傳播的Lamb波水耦合入射角頻散曲線

由于傳感器的設計需要為整個聲束提供水環(huán)境，過長的聲波傳播距離給設計帶來了一定難度，并且傳感器的尺寸過大也會使導波掃描陷入困難。

為了盡量提升入射波能量，需要結(jié)合波結(jié)構(gòu)完成模態(tài)和角度的選取。圖4為頻率650 kHz的S0模態(tài)的波結(jié)構(gòu)。由圖4可見，頻率650 kHz的S0模態(tài)離面位移與面內(nèi)位移同時存在。在材料板近表面的離面位移較小，面內(nèi)位移較大；而在材料板中間層的離面位移較大，面內(nèi)位移較小。水膜耦合導波傳感器在使用過程中耦合膜與板結(jié)構(gòu)是直接接觸的，所以既可以檢測到面內(nèi)位移也可以檢測到離面位移，在頻率為650 kHz時，S0模態(tài)能夠?qū)Υ龣z材料整個厚度方向上的缺陷實現(xiàn)有效檢測。由圖3可得入射角度為40°。

圖4 頻率650kHz時S0模態(tài)波結(jié)構(gòu)

2.3 整體結(jié)構(gòu)設計

在對傳感器的整體結(jié)構(gòu)進行設計時，采用SolidWorks三維建模軟件可以使設計過程更直觀快捷。SolidWorks內(nèi)置有許多可以輔助設計的功能，在進行裝配體設計時，干涉檢查功能可以檢查不同部件之間是否存在實體重合。標準件庫可以直接調(diào)取符合國標的標準件。采用SolidWorks參與傳感器的設計能提高效率，避免設計錯誤。

本文設計的傳感器需要包覆純凈水作為傳聲介質(zhì)，對傳感器的密封性要求較高，需要保證傳感器不會由于漏水而降低其使用性能，減少使用時長，避免溢水造成整個系統(tǒng)出現(xiàn)工作環(huán)境風險。另外在使用過程中，要保證整體結(jié)構(gòu)不會因掃描移動發(fā)生變形而造成檢測波形的失真。基于上述需求設計了水膜耦合導波傳感器的三維模型，如圖5所示。

圖5 水膜耦合導波傳感器的三維模型

圖5中，耦合膜材料壓制成型的囊狀結(jié)構(gòu)主要起到支撐和儲存水的作用。該結(jié)構(gòu)的設計需要保證底部與待檢材料接觸的部分盡可能薄，設計厚度為0.5 mm，其他部分的厚度為2 mm。囊狀結(jié)構(gòu)頂端要向外伸出外沿以供定位與夾緊。連接支撐由3D打印制成，該結(jié)構(gòu)分為上下兩層，應用時可以夾緊底部的囊狀結(jié)構(gòu)。此外該結(jié)構(gòu)還可以連接換能探頭、快換接頭、支撐定位桿等。CPC快換接頭起到密封和單向注水的作用。工作時定制的商用換能器底端浸泡在水中。橡膠墊片可以封閉部件之間的細小縫隙，防止內(nèi)部漏水。定位桿在工作時支撐傳感器整體結(jié)構(gòu)并支持小范圍調(diào)節(jié)壓力與入射角度。根據(jù)所設計的3D模型，完成水膜耦合導波傳感器的制作，如圖6所示。

圖6 水膜耦合導波傳感器

3 實驗驗證及結(jié)果

3.1 實驗設計

水膜耦合導波檢測系統(tǒng)如圖7所示。水膜耦合導波檢測實驗系統(tǒng)由7個部分組成，包括函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、水膜耦合導波傳感器、前置放大器、下位機、計算機和自動化掃描平臺。函數(shù)發(fā)生器可激勵出任意波信號，內(nèi)置5周期正弦信號的波形數(shù)據(jù)，頻率可調(diào)，存在幅值上限。

圖7 水膜耦合導波檢測系統(tǒng)

函數(shù)發(fā)生器激勵出的信號經(jīng)過功率放大器放大后，直接作用于水膜耦合導波傳感器，放大倍數(shù)固定為200倍。該過程中，導波傳感器接收模擬電信號并轉(zhuǎn)換為高壓高能的超聲信號，激勵進入復合材料板中。前置放大器可以檢測到微弱信號，并放大該信號。下位機主要起到模數(shù)轉(zhuǎn)換的作用，接收前置放大器放大后的模電信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至計算機中。后續(xù)對信號的處理，均由計算機完成。精密自動化掃描平臺內(nèi)置了驅(qū)動器，可以由計算機直接控制，并反饋當前坐標信息。在實際使用過程中，水膜耦合導波傳感器通過夾具固定在精密自動化掃描平臺，精密自動化掃描平臺可以在計算機的操縱下控制傳感器在x、y、z三個方向上的運動。中心軸所連接的搭載傳感器的橫梁可以進行90°的旋轉(zhuǎn)，改變導波掃描方向。傳感器夾具可以進行微動旋轉(zhuǎn)，調(diào)整水膜耦合導波傳感器微小角度。

3.2 實驗結(jié)果

含直徑30 mm圓形分層缺陷的復合材料板檢測實驗布置如圖8所示。復合材料待檢試樣長和寬均為800 mm，板中預置一個直徑30 mm的圓形分層缺陷，設定0°方向為x軸，90°方向為y軸，遠離邊界，沿x軸方向與y軸方向均掃描200 mm的距離，掃描步進間距為4 mm，最后形成一個長200 mm、寬200 mm的掃描區(qū)域。

圖8 含直徑30 mm圓形分層缺陷的復合材料板檢測實驗布置

對不同掃描路徑的接收信號進行虛擬時反操作，對本課題研究對象而言，無法獲取基準信號，所以需要采用免參考的損傷指數(shù)提取方法。由于在無缺陷區(qū)傳播的波形經(jīng)時間反轉(zhuǎn)后與原始激勵波形相似，而缺陷則會破壞時間可逆性。所以可以通過比較兩信號的相似度提取該路徑下的損傷指數(shù)。Park等[19]提出了一種比較時反重構(gòu)信號和激勵信號差異性的方法，綜合幅值和相位兩方面因素計算損傷指數(shù)DI，其表達式為

式中：I(t)為激勵信號；V(t)為時反重構(gòu)信號；DI為損傷指數(shù)。

計算提取不同掃描路徑的時間反轉(zhuǎn)損傷指數(shù),結(jié)果如圖9所示。圖9中紅線表示缺陷邊緣所對應的x與y的坐標，根據(jù)結(jié)果顯示，無缺陷位置損傷指數(shù)整體上較小，當掃描到缺陷位置時損傷指數(shù)較大，說明損傷指數(shù)可以用來表征缺陷。不過，由于該板材在加工時黏合劑粘貼不均勻，在y軸方向上缺陷處附近的非缺陷處損傷指數(shù)與缺陷處的損傷指數(shù)的差異性比x軸方向上的損傷指數(shù)差異性小。

圖9 復合材料板(30 mm圓形缺陷)不同位置的歸一化損傷指數(shù)

利用概率損傷算法進行缺陷重構(gòu)，結(jié)果如圖10所示。圖10中紅色區(qū)域為缺陷預埋坐標和缺陷尺寸大小，可以看出基于虛擬時間反轉(zhuǎn)方法的水膜耦合導波掃描系統(tǒng)可以有效地檢測出缺陷所在區(qū)域，檢測結(jié)果與預埋缺陷的坐標與尺寸大小十分吻合。

圖10 含直徑30 mm圓形缺陷的復合材料板檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

討論分析了水膜耦合導波傳感器耦合材料的選擇，通過聲阻抗確定了以天然橡膠材料作為耦合材料。利用仿真與數(shù)值計算確定了入射角度。然后完成了水膜耦合導波傳感器整體結(jié)構(gòu)的設計并制作成型。最后搭建實驗平臺，測試了傳感器在缺陷區(qū)波形與非缺陷區(qū)波形的差異，成功在板材結(jié)構(gòu)中激勵出了Lamb波，驗證了該傳感器檢測缺陷的可行性。但是該類型傳感器在檢測微小缺陷時無法規(guī)避傳感器存在的擾動問題，并且易受到復合材料粘接均勻效果的影響，需進一步優(yōu)化傳感器，并研究對應的信號處理問題。