程建楠， 王明泉， 楊順民， 李光亞， 鄒 琪

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

復(fù)合材料空氣耦合超聲檢測(cè)

程建楠， 王明泉， 楊順民， 李光亞， 鄒 琪

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

復(fù)合材料由于其特殊的物理結(jié)構(gòu)， 具有強(qiáng)度高， 質(zhì)量小， 力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域. 但其在制造過程中會(huì)產(chǎn)生夾雜、 分層等問題， 使復(fù)合材料在服役過程中產(chǎn)生安全隱患. 針對(duì)該問題開發(fā)了空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)， 結(jié)合國(guó)標(biāo)HB7224-95與HB5461-90， 利用新型的空氣耦合超聲實(shí)現(xiàn)了對(duì)10 mm 以內(nèi)復(fù)合材料分層缺陷的高速準(zhǔn)確檢測(cè)， 能在一定程度上反映材料結(jié)構(gòu). 配合一定的圖像處理方法使成像精度更高， 準(zhǔn)確識(shí)別3 mm以上缺陷部位. 結(jié)果證明了該檢測(cè)方法的可靠性， 對(duì)復(fù)合材料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義.

復(fù)合材料； 空氣耦合； 聚焦探頭； 無損檢測(cè)

在航空航天工程當(dāng)中， 新型復(fù)合材料以其各項(xiàng)優(yōu)異性能而得到廣泛應(yīng)用， 但由于生產(chǎn)工藝的問題導(dǎo)致復(fù)合材料當(dāng)中存在各式各樣的問題， 諸如脫層、 脫粘、 夾雜等等， 這些缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能發(fā)生變化， 嚴(yán)重影響其使用壽命， 甚至有時(shí)候會(huì)帶來巨大損失[1]. 所以針對(duì)復(fù)合材料行之有效的檢測(cè)是十分關(guān)鍵的. 傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方式有射線檢測(cè)、 超聲檢測(cè)等， 但射線檢測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴， 且它的放射性對(duì)人體有危害； 而接觸式的超聲檢測(cè)需要用到水或者油等耦合劑， 有些新型復(fù)合材料由于形狀、 材質(zhì)的原因使其使用受到限制[2]. 近年來隨著空氣耦合超聲技術(shù)的發(fā)展， 它的功率及增益問題逐步得到克服， 匹配得到進(jìn)一步的改善， 空氣耦合超聲檢測(cè)逐步進(jìn)入實(shí)用階段[3].

1 檢測(cè)原理

超聲波在不同介質(zhì)界面垂直入射時(shí)， 其聲壓往返透射率

式中：Za,Zs為兩種材料的聲阻抗， 常溫常壓下， 空氣的聲阻抗為428.6 Rayl(1 Rayl=1 kg/m2s)， 鋁的聲阻抗為17 MRayl， 水的聲阻抗為1.5 MRayl. 計(jì)算可得超聲從水入射到鋁材質(zhì)的透射率為0.29， 而由空氣入射透射率僅為0.000 1[4]， 可以看出當(dāng)兩種物質(zhì)之間聲阻抗有較大差異時(shí)聲波通過率極低， 即使不考慮聲波的衰減， 空氣耦合靈敏度也會(huì)下降80 dB， 所以常規(guī)檢測(cè)系統(tǒng)無法滿足這一要求[5-7]. 空氣耦合超聲在高電壓激勵(lì)和高增益的基礎(chǔ)上， 在探頭表面耦合一層匹配材料使得超聲從探頭到空氣不會(huì)造成大幅度衰減， 從而達(dá)到以空氣為耦合劑進(jìn)行超聲檢測(cè)的目的[8-10].

2 系統(tǒng)構(gòu)成

該檢測(cè)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成： 電腦控制系統(tǒng)、 超聲收發(fā)射采集系統(tǒng)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).

超聲收發(fā)射系統(tǒng)采用的是日本探頭株式會(huì)社系列產(chǎn)品， 其超聲發(fā)射裝置具有高功率、 高帶寬的特點(diǎn)， 可激勵(lì)從100 kHz～10 MHz之間頻率的探頭， 且激勵(lì)功率可調(diào)， 基本可匹配市面上的絕大部分探頭. 接收部分有60 dB的硬件增益， 滿足了空氣耦合對(duì)增益的要求.

機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)開發(fā)， 由兩組步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)， 能夠在X，Y兩個(gè)自由度高精確運(yùn)動(dòng)， 精度可達(dá)0.1 mm， 且豎直方向的探頭夾具可調(diào)， 方便各種位置的掃描. 運(yùn)動(dòng)的控制通過PCI運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)， 以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)集成至軟件內(nèi)部， 在軟件界面實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭位置的控制.

電腦控制系統(tǒng)主要由PC上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)， 軟件內(nèi)部一方面控制超聲發(fā)射、 接收和采集， 并同步控制機(jī)械裝置精準(zhǔn)定位探頭， 另一方面將數(shù)據(jù)采集、 保存、 處理成像， 達(dá)到最終復(fù)合材料成像檢測(cè)的目的.

圖 1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the system

圖 2 系統(tǒng)實(shí)物Fig.2 System in kind

3 樣品制備

圖 3 與圖 4 所示均為完好的碳纖維復(fù)合板， 各項(xiàng)參數(shù)均一致， 圖 3 為6 mm板， 圖 4 為4 mm板， 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HB7224-95與HB5461-90模擬復(fù)合材料分層缺陷， 在碳纖維板表面致密粘合一層薄膜， 模擬缺陷處預(yù)先放置隔離層， 以達(dá)到隔離粘接的目的. 圖3所示為模擬“T”形脫粘結(jié)構(gòu)， 寬度為2～3 mm； 圖 4 所示為模擬正方形脫粘缺陷， 從左到右尺寸分別為11 mm, 9 mm, 7 mm, 5 mm和3 mm.

圖 5 為蜂窩復(fù)合材料缺陷模擬過程， 它由上下兩層一樣的碳纖維板及中間的10 mm厚六邊形蜂窩狀鋁材支撐物構(gòu)成， 3者通過環(huán)氧樹脂粘合而成， 具有輕質(zhì)、 強(qiáng)度高的特性. 其常見的結(jié)構(gòu)缺陷為粘合失效， 即蜂窩鋁材支撐物和上下表面粘連不合格. 使用環(huán)氧樹脂粘合鋁芯與兩層碳纖維板之前， 在兩者之間插入一層薄膜隔離物， 尺寸大小和位置如圖 5 所示， 分別為15 mm, 10 mm和5 mm， 位置保持上端對(duì)齊， 左右間隔為10 mm， 以達(dá)到隔離鋁芯和碳纖維板的目的.

圖 3 T形缺陷模擬Fig.3 T-shaped defect simulation

圖 4 正方形缺陷模擬Fig.4 Square defect simulation

圖 5 蜂窩材料脫粘缺陷模擬與粘合后成品Fig.5 Honeycomb material debonding defects simulation and bonding after the finished product

4 信號(hào)處理方法

圖 6 希爾伯特變換Fig.6 Hilbert transform

檢測(cè)時(shí)使用400 kHz圓形聚焦探頭， 探頭焦點(diǎn)位于距探頭約40 mm處， 將發(fā)射探頭垂直放置于材料一側(cè)40 mm處， 接收探頭放置于材料另一側(cè)， 調(diào)整角度使接收到的信號(hào)幅值最大， 以1 mm為步進(jìn)， 對(duì)缺陷范圍內(nèi)進(jìn)行C掃描， 以5 MHz的采樣頻率采樣信號(hào)， 采樣深度為10 b， 每組采集2 048個(gè)點(diǎn)， 采集得若干組數(shù)據(jù)進(jìn)行C掃描成像.

直接使用原始數(shù)據(jù)做最值成像時(shí)存在一個(gè)問題就是取值為最大值的時(shí)候， 各成像點(diǎn)采用的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間可能不一致， 即各組數(shù)據(jù)最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)不是同一時(shí)間點(diǎn)， 這可能導(dǎo)致成像結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差. 為了解決這一問題， 使用同一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值來精確成像， 用希爾伯特變換方法來實(shí)現(xiàn).

Hilbert變換法對(duì)各次諧波都能有精確的90°移相， 給定一連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)， 其希爾伯特變換為

對(duì)所有一維波形做希爾伯特變換后提取其幅值， 可得回波信號(hào)的包絡(luò)， 如圖 6 所示. 使用固定位置的幅值來進(jìn)行成像， 成像結(jié)果比直接C掃描成像結(jié)果更穩(wěn)定.

5 結(jié)果討論

C掃直接成像分辨率取決于掃描的步進(jìn)， 與機(jī)械系統(tǒng)的精度息息相關(guān)， T形缺陷成像結(jié)果如圖7(a)所示， 分辨率較低， 視覺效果差， 雖然缺陷部分可較完整地顯現(xiàn)出來， 但邊界信息缺失嚴(yán)重. 為了獲得較好的成像結(jié)果， 對(duì)圖7(a)結(jié)果進(jìn)行插值平滑， 得到圖7(b)所示結(jié)果， 對(duì)比圖3缺陷模擬可以看出， 檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)情況相差不大， 且尺寸與樣本基本一致.

圖 7 T形缺陷檢測(cè)結(jié)果Fig.7 T-shaped defect detection results

圖 8 為4 mm厚碳纖維板正方形缺陷檢測(cè)插值平滑后的結(jié)果， 可見3 mm的缺陷也可以顯現(xiàn)出來. 將測(cè)量檢測(cè)結(jié)果的尺寸與樣本進(jìn)行對(duì)比， 擬合曲線如圖 9 所示， 檢測(cè)結(jié)果可較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)缺陷， 超聲的衍射效果會(huì)造成邊界的模糊， 同時(shí)淹沒較小的缺陷， 產(chǎn)生檢測(cè)精度的極限. 同時(shí)檢測(cè)結(jié)果略大于實(shí)際缺陷的大小， 檢測(cè)結(jié)果約比實(shí)際尺寸大1 mm.

圖 8 正方形缺陷檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Square defect detection results

圖 9 檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際尺寸Fig.9 Test results and actual size

對(duì)于蜂窩復(fù)合材料而言， 由于支撐物采用的是鋁合金， 聲速6 300 m/s遠(yuǎn)大于空氣中的聲速340 m/s， 當(dāng)超聲信號(hào)到達(dá)上表層后會(huì)產(chǎn)生兩種傳播路徑， 一種沿鋁材支撐物穿透到下表層， 另一種會(huì)通過中心空氣緩慢穿透下表層， 與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波的往返， 如圖 10 所示.

圖 11 為蜂窩復(fù)合材料的檢測(cè)結(jié)果， 材料粘合時(shí)預(yù)埋的3個(gè)缺陷在圖中也可以較為完整地顯現(xiàn)出來， 但5 mm缺陷處檢測(cè)效果略差， 這是因?yàn)閮?nèi)部蜂窩晶格大小為7 mm， 5 mm 缺陷無法完全遮擋信號(hào)通過支撐鋁材傳播.

圖 11 中低幅值(黑色)區(qū)域?yàn)闆]有支柱的空心區(qū)域， 高幅值(白色區(qū)域中黑色點(diǎn))區(qū)域?yàn)橛兄е蔚奈恢茫?選取其中有支柱支撐的高幅值的8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和空心低幅值的7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的一維波形對(duì)比顯示， 如圖 12 所示, 圖12(a)為有支撐物粘連區(qū)域的穿透波， 由于固體介質(zhì)對(duì)聲波傳播性能相對(duì)優(yōu)良， 且聲波通過表面碳纖維和支撐物直接傳導(dǎo)至下表面， 所以穿透波在幅值上集中在0.4～0.6這一區(qū)間， 波形也沒有較大的形變， 整體較為規(guī)整. 但在空心區(qū)域， 超聲波穿透上下兩層表面材料和中間空氣之后有較大的衰減， 且由于各種反射、 衍射和傳播路徑的問題導(dǎo)致了波形的混雜， 成分極為復(fù)雜.

圖 10 超聲穿透示意圖Fig.10 Ultrasound through the schematic diagram

圖 11 蜂窩材料缺陷檢測(cè)結(jié)果Fig.11 Honeycomb material defect detection results

6 結(jié) 論

空氣耦合超聲在10 mm內(nèi)復(fù)合材料檢測(cè)中可以準(zhǔn)確檢測(cè)出缺陷位置， 利用聚焦探頭可以達(dá)到一定的檢測(cè)精度， 取得良好的檢測(cè)效果， 檢測(cè)結(jié)果也證明了該檢測(cè)方法的可靠性， 對(duì)復(fù)合材料制作工藝的改善有一定的指導(dǎo)意義.

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Air-CoupledUltrasonicTestingofCompositeMaterial

CHENG Jiannan, WANG Mingquan, YANG Shunmin, LI Guangya, ZOU Qi

(College of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Due to the special physical structure of the composite material, it has the advantages of high strength, low quality and good mechanical properties. It is widely used in the aerospace field. But it will produce inclusions, delamination and other issues in the process of making it. And it makes the composite material to produce security risks in the service process. In this paper, an air-coupled ultrasonic testing system was developed. Combined with the national standard HB7224-95 and HB5461-90, the high speed and accurate detection of the lamination defect of composite material in 10 mm is realized by using the new air coupling ultrasonic, and to a certain extent, it reflects the material structure. With certain image processing methods to make the imaging accuracy higher. It could accurately identify more than 3 mm defect site. The results show that the reliability of the detection method has certain guiding significance for the improvement of the composite material production process.

composite; air coupling; focusing probe; nondestructive testing

1671-7449(2017)06-0479-06

2017-01-09

山西省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015021086)； 山西省留學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015-080)

程建楠(1993-)， 男， 碩士生， 主要從事信息與信號(hào)處理的研究.

TJ303.4

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.06.003