詹紹正，寧 寧，王 丹

（中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

隨著復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)上應(yīng)用比例的提升及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量受到越來越廣泛的關(guān)注，對(duì)復(fù)合材料的無損檢測(cè)也提出了更高的要求。一方面面對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上日益劇增的復(fù)合材料用量，高效、快速的無損檢測(cè)手段對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程和服役階段都是迫切需要的；另一方面，隨著復(fù)合材料工藝及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加，由此產(chǎn)生的檢測(cè)技術(shù)問題也給傳統(tǒng)的檢測(cè)手段帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

超聲相控陣技術(shù)已有近二十年的發(fā)展歷史，初期主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域［1］。近年來，超聲相控陣技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并憑借著高效率、聲束動(dòng)態(tài)可控等技術(shù)優(yōu)勢(shì)在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 超聲相控陣的原理及特點(diǎn)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是在傳統(tǒng)超聲技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種多聲束掃描成像技術(shù)，所采用的超聲檢測(cè)探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，各陣列單元在發(fā)射電路激勵(lì)下以可控的相位激發(fā)出超聲，產(chǎn)生的球面波在傳播過程中波前相互疊加，形成不同的聲束。各聲束相位可控，可用軟件控制聚焦焦點(diǎn)，不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭就能掃查大厚度工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域［2］。

有別于傳統(tǒng)的超聲無損檢測(cè)技術(shù)，超聲相控陣無損檢測(cè)的基本原理是相位控制。其相位控制包括發(fā)射與接收兩大部分，如圖1所示。相控陣的發(fā)射是通過對(duì)陣列換能器各晶片激發(fā)時(shí)間的調(diào)節(jié)，控制聲束波陣面的形狀，實(shí)現(xiàn)超聲波的聚焦與偏轉(zhuǎn)。相控陣的接收是根據(jù)回波到達(dá)各晶片的時(shí)間差分別對(duì)各晶片接收的信號(hào)進(jìn)行延遲處理，接收時(shí)按照回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對(duì)各陣元接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后進(jìn)行聲束合成。

圖1 超聲相控陣發(fā)射和接收原理示意

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有聲束角度可控和動(dòng)態(tài)聚焦兩大特點(diǎn)，與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：①超聲相控陣探頭是由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，并由電子系統(tǒng)控制，檢測(cè)效率高。②各聲束相位可控，可用軟件動(dòng)態(tài)控制聚焦焦點(diǎn)和聲束方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)心區(qū)域的多角度、多分層次、多方向的掃查，工況適應(yīng)性好，不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭就能掃查大厚度工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域，而且檢測(cè)系統(tǒng)更加靈活。③可以對(duì)焦柱長(zhǎng)度、焦點(diǎn)尺寸、聲束方向進(jìn)行優(yōu)化控制，提高了缺陷分辨率、信噪比及缺陷檢出率。

2 超聲相控陣技術(shù)在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

2.1 在復(fù)合材料平面結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

線性掃查是超聲相控陣檢測(cè)復(fù)合材料平面結(jié)構(gòu)的主要方式，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高檢測(cè)效率和分辨率，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者設(shè)計(jì)了形狀巧妙的相控陣探頭來解決技術(shù)問題。如美國(guó)的JASON 等人采用線陣列的延遲塊探頭［3］（圖2（a））對(duì)飛機(jī)上碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料平板構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，比傳統(tǒng)超聲檢測(cè)速度快而且成像效果好；英國(guó)JOE 等人用一種新穎的相控陣超聲探頭檢測(cè)大面積航空復(fù)合材料構(gòu)件，把晶片陣列安裝在橡膠滾輪中［4］（圖2（b）），該滾輪既可手動(dòng)也可自動(dòng)控制，能有效檢出航空復(fù)合材料構(gòu)件中的分層及未貼合等缺陷。該輪式探頭的問世，進(jìn)一步推動(dòng)了超聲相控陣技術(shù)在大面積平面型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

圖2 復(fù)合材料平面結(jié)構(gòu)常用的超聲相控陣探頭

圖3所示為超聲相控陣線性掃查技術(shù)用于典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測(cè)案例，對(duì)于平面結(jié)構(gòu)，相控陣技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地完成檢測(cè)并確定損傷的大小和位置。尤其對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用多閘門的距離－幅度組合成像掃查方式，在一次掃查狀態(tài)下即可完成對(duì)蜂窩區(qū)和蜂窩外圍收邊的板－板粘接區(qū)的檢測(cè)評(píng)價(jià)。

圖3 典型航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果

圖4所示為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最常見的沖擊損傷相控陣檢測(cè)結(jié)果，圖4（d）中C 掃描圖像完整反映了沖擊損傷縱向和橫向的形態(tài)尺寸，而圖4（b）的斷面B掃描圖中直觀地反映出了被測(cè)結(jié)構(gòu)厚度H、沖擊損傷縱向尺寸W、沖擊引起的表面損傷尺寸W0、沖擊損傷從沖擊面開始沿厚度方向上的金字塔狀分布規(guī)律及不同層損傷的深度尺寸等參量信息；同時(shí)通過B掃描圖可以看出在沖擊中心兩側(cè)產(chǎn)生的分層損傷等厚分布的規(guī)律，即圖中B1、B2、B3、B4、B5層損傷分別與對(duì)側(cè)產(chǎn)生的B1’、B2’、B3’、B4’、B5’層損傷的深度尺寸相當(dāng)。在B 掃描圖中對(duì)于非沖擊損傷區(qū)近表面產(chǎn)生的影響D0、D1，通過圖4（a）中非沖擊完好區(qū)的A 掃描波形中近表面出現(xiàn)的草狀波印證為結(jié)構(gòu)自身不均勻所致。

圖4 復(fù)合材料典型沖擊損傷的超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果

2.2 超聲相控陣技術(shù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R（拐角）區(qū)檢測(cè)中的應(yīng)用

R區(qū)的檢測(cè)是航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)面臨的一大難題，一方面由于R 區(qū)多為應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)缺陷的容忍度較小，在制造和使用過程中都極易出現(xiàn)缺陷，而且R 過渡區(qū)為曲面且空間尺寸狹小，不利于缺陷的檢測(cè)。因此，對(duì)R 區(qū)的質(zhì)量控制就顯得非常重要。圖5所示為典型的復(fù)合材料R區(qū)結(jié)構(gòu)及R區(qū)常見的缺陷形式。

圖5 典型的復(fù)合材料R 區(qū)結(jié)構(gòu)及其常見的缺陷位置

超聲相控陣技術(shù)的聲束動(dòng)態(tài)聚焦和偏轉(zhuǎn)特性為檢測(cè)R 區(qū)結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程中R 區(qū)的相控陣檢測(cè)主要采用的有弧陣列換能器和線陣列換能器兩種技術(shù)方案，如圖6所示?；￡嚵袚Q能器方案由于各陣元按照?qǐng)A弧方式排列，掃描時(shí)各陣元直接激勵(lì)，不做任何延時(shí)處理，各陣元發(fā)射的超聲波在弧陣的圓弧圓心位置匯合，聲場(chǎng)能量在該處最強(qiáng)。掃描時(shí)采用順序掃查方式，即若干個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，通過一個(gè)掃描周期，即可實(shí)現(xiàn)各陣列孔徑發(fā)射的超聲合成波束對(duì)試樣不同位置的檢測(cè)，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)R 區(qū)檢測(cè)面的全覆蓋掃描，減小了檢測(cè)盲區(qū)。線陣列換能器檢測(cè)采用順序掃描方式，若干個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，同時(shí)通過控制各陣列孔徑發(fā)射的超聲合成波束以不同的偏轉(zhuǎn)角度和聚焦深度垂直入射到R 區(qū)檢測(cè)面的不同位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同部位和取向缺陷的掃查，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)R 區(qū)的全覆蓋掃描［3－5］。對(duì)于接觸法檢測(cè)時(shí)，通常在線陣列探頭前端配置弧形楔塊以保證楔塊和試樣的耦合良好。

針對(duì)超聲相控陣技術(shù)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R 區(qū)的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)的周正干、徐娜、張冬梅等人開展了深入的研究工作，實(shí)現(xiàn)了從內(nèi)部對(duì)結(jié)復(fù)合材料構(gòu)R 區(qū)的相控陣C掃描檢測(cè)［4－5］。圖7所示為超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料R 區(qū)中的應(yīng)用案例［5－6］。

圖6 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R 區(qū)的超聲相控陣檢測(cè)方案示意

然而，隨著復(fù)合材料制造水平的發(fā)展，一體化成型工藝逐漸獲得青睞。對(duì)于圖8所示的一體化成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件或裝配后的組合結(jié)構(gòu)件的R區(qū)檢測(cè)，采用前述方法由R區(qū)內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)存在困難，此時(shí)為發(fā)現(xiàn)R區(qū)存在分層、氣孔等缺陷，可采用線陣列換能器配置帶角度的延遲塊進(jìn)行扇形掃查來實(shí)現(xiàn)探測(cè)。圖9所示為一T 型加筋板試塊，在其R 區(qū)預(yù)制了φ1～10mm 短橫孔模擬缺陷，采用32陣元的線陣列換能器配置35°的有機(jī)玻璃延遲塊由外部進(jìn)行扇形掃查，可以清晰地探測(cè)到弧底反射和模擬缺陷。

2.3 在復(fù)合材料復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

為適應(yīng)復(fù)合材料復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)的檢測(cè)需求，在傳統(tǒng)超聲相控陣換能器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來了柔性相控陣換能器（圖10（a）），其感應(yīng)探頭極富有柔韌性，在一定程度內(nèi)可以彎折，對(duì)不同的曲率結(jié)構(gòu)可以自適應(yīng)的貼合表面，可在不同的凹面和凸面進(jìn)行貼附檢測(cè)作業(yè)。英國(guó)鳳凰檢測(cè)系統(tǒng)有限公司已將此項(xiàng)技術(shù)成功的應(yīng)用于飛機(jī)翼梁、飛機(jī)直升機(jī)葉片、艦船桅桿等結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中，圖10（b）、（c）所示為柔性相控陣換能器的檢測(cè)應(yīng)用案例［7］。

3 結(jié)語(yǔ)

圖7 復(fù)合材料R 區(qū)超聲相控陣檢測(cè)的典型應(yīng)用

圖8 一體化成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件照片

圖9 復(fù)合材料R 區(qū)的線陣列換能器在外部扇形掃查檢測(cè)案例

（1）自適應(yīng)聚焦技術(shù)：超聲相控陣檢測(cè)時(shí)在聲束焦點(diǎn)處分辨率和靈敏度最高，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力最強(qiáng)。但實(shí)際檢測(cè)時(shí)，由于被測(cè)結(jié)構(gòu)的不均勻性等原因，使得理想焦點(diǎn)與實(shí)際焦點(diǎn)存在偏差，嚴(yán)重時(shí)可能實(shí)際并不存在焦點(diǎn)，這些將影響系統(tǒng)的分辨率，并最終會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性［8］。因此，相控陣檢測(cè)時(shí)的自適應(yīng)聚焦技術(shù)對(duì)于提高檢測(cè)靈敏度和分辨率具有重要的作用，也是相控陣儀器發(fā)展的技術(shù)方向之一。

圖10 相控陣柔性換能器及其檢測(cè)應(yīng)用案例

（2）聲場(chǎng)建模仿真技術(shù)：隨著待測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加以及面陣、環(huán)陣等多維換能器的應(yīng)用，正確配置檢測(cè)參數(shù)是保證后續(xù)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提條件。然而，對(duì)于多維換能器檢測(cè)而言，其材料中的聲場(chǎng)是極其復(fù)雜的，單純依賴人為設(shè)定各陣元激發(fā)時(shí)間和聚焦法則是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，聲場(chǎng)的建模仿真技術(shù)的提出，可以讓用戶在聲場(chǎng)可視化的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)參數(shù)的正確配置和優(yōu)化，也是當(dāng)下相控陣設(shè)備發(fā)展的又一主打技術(shù)方向。在當(dāng)前的相控陣檢測(cè)設(shè)備中，M2M 和ZETEC 公司的產(chǎn)品已集成了部分聲場(chǎng)計(jì)算功能，但都僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的建模仿真，對(duì)于復(fù)雜聲場(chǎng)的建模及分析功能，還需進(jìn)一步的發(fā)展。

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