本發(fā)明屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種確定復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中缺陷鋪層深度的超聲方法。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料目前已在航空航天、交通等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它主要包括樹脂基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料，其中，樹脂基復(fù)合材料中，復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最為廣泛和重要的一類結(jié)構(gòu)形式，在制造和使用過程中容易在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的鋪層界面產(chǎn)生分層或者損傷等缺陷，由于質(zhì)量控制和安全原因，不僅需要對(duì)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行100％無損檢測(cè)，而且還要求對(duì)檢出缺陷在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中的鋪層深度進(jìn)行準(zhǔn)確定位，一方面，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度專家對(duì)檢出缺陷/損傷的計(jì)算分析，以便對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)做出正確的判斷；另一方面，幫助工藝查找缺陷的成因，優(yōu)化制造工藝，降低廢品率，進(jìn)行復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量的控制，指導(dǎo)損傷的精細(xì)修理。

目前超聲是復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)室內(nèi)外無損檢測(cè)的主要方法，對(duì)檢出缺陷的深度主要是相對(duì)深度表征方法：即根據(jù)超聲回波信號(hào)中的表面反射信號(hào)與底面反射信號(hào)之間傳播時(shí)間t_FB和表面反射信號(hào)與缺陷反射信號(hào)之間傳播時(shí)間t_FD之比，給出檢出缺陷的相對(duì)深度或深度，其主要不足是，(1)偏差大，特別是當(dāng)所用的超聲系統(tǒng)的脈沖特性呈現(xiàn)多周時(shí)，會(huì)導(dǎo)致t_FB和t_FD估測(cè)不準(zhǔn)，從而會(huì)導(dǎo)致超聲檢出缺陷的深度估測(cè)不準(zhǔn)，影響檢出缺陷深度位置的判斷，難以準(zhǔn)確得到檢出缺陷的鋪層深度；(2)檢出缺陷的深度量化度不夠，特別是對(duì)于一些關(guān)鍵和重要復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中檢出缺陷的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)受力分析、缺陷/損傷的精細(xì)修理，往往需要提供檢出缺陷的準(zhǔn)確鋪層深度信息，以便進(jìn)行強(qiáng)度的量化評(píng)估；(3)缺少對(duì)超聲檢出缺陷的鋪層深度的量化表征，不利于對(duì)檢出缺陷成因分析和工藝優(yōu)化以及損傷的準(zhǔn)確修理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出一種確定復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中缺陷鋪層深度的超聲方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，

利用脈沖超聲在被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中形成的反射回波信號(hào)的時(shí)域特征進(jìn)行檢出缺陷的鋪層深度的定量表征，

采用能夠發(fā)射/接收單周寬帶窄脈沖超聲波的超聲換能器和單周能夠產(chǎn)生寬帶窄脈沖激勵(lì)信號(hào)的超聲單元，通過高頻信號(hào)電纜將超聲換能器與超聲單元進(jìn)行電器鏈接，調(diào)節(jié)超聲單元的阻尼參數(shù)和增益參數(shù)，使超聲換能器產(chǎn)生寬帶窄脈沖入射超聲波，并使寬帶窄脈沖入射超聲波具有單周脈沖特性，此寬帶窄脈沖入射超聲波在被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中形成的回波顯示信號(hào)的時(shí)域脈沖特性同時(shí)滿足以下條件：

1)回波顯示信號(hào)的時(shí)域占寬t_W滿足(1)式：

式中，h_i—為被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中單個(gè)鋪層的厚度，

2)回波顯示信號(hào)的脈沖周期數(shù)f_T滿足(2)式：

f_T≤1.5 (2)

將超聲換能器置于被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)表面上，超聲單元激勵(lì)超聲換能器產(chǎn)生寬帶窄脈沖入射超聲波通過耦合介質(zhì)傳播到被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)表面，其中一部分入射聲波在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生反射回波，此反射回波被超聲換能器接收后，經(jīng)過超聲單元送入信號(hào)處理單元進(jìn)行單周信號(hào)處理，形成單周回波顯示信號(hào)，單周回波顯示信號(hào)在顯示單元中顯示；寬帶窄脈沖入射超聲波的另一部分經(jīng)折射后傳播到復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中形成透射聲波，繼續(xù)傳播：

來自被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部的反射回波被超聲換能器接收后，經(jīng)過超聲單元送入信號(hào)處理單元進(jìn)行單周信號(hào)處理，形成單周回波顯示信號(hào)顯示在顯示單元中，其中，在時(shí)域上，單周回波顯示信號(hào)與單周回波顯示信號(hào)之間的時(shí)間間隔t_FD用公式(3)表示，

這里，υ—為入射超聲波在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中傳播速度，

h_D—為對(duì)應(yīng)單周回波顯示信號(hào)在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中的深度位置，

1)當(dāng)時(shí)，此時(shí)復(fù)合材料內(nèi)部沒有缺陷，在顯示單元中顯示回波顯示信號(hào)，這里，H為復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱厚度，它由N個(gè)復(fù)合材料鋪層總數(shù)，H的標(biāo)稱厚度近似用(4)式表示，

H＝h_iN (4)

這里，h_i—為單個(gè)復(fù)合材料鋪層的厚度；

2)當(dāng)時(shí)，此時(shí)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷，在顯示單元中顯示回波顯示信號(hào)，缺陷的鋪層深度h_D近似用(5)式表示，

h_D＝h_in_D (5)

這里，h_i—為單個(gè)復(fù)合材料鋪層的厚度，

n_D—為對(duì)應(yīng)檢出缺陷的鋪層深度，

根據(jù)(3)式～(5)式，檢出缺陷的鋪層深度n_D由(6)式進(jìn)行量化表征：

式中，t_FB—為根據(jù)在顯示單元中顯示的單周回波顯示信號(hào)與無缺陷的單周回波顯示信號(hào)之間的時(shí)域刻度位置實(shí)際測(cè)量獲得的時(shí)間間隔，

t_FD—為根據(jù)在顯示單元中顯示的單周回波顯示信號(hào)與有缺陷的單周回波顯示信號(hào)之間的時(shí)域刻度位置實(shí)際測(cè)量獲取的時(shí)間間隔，

N—為被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中所檢測(cè)位置的復(fù)合材料鋪層數(shù)，可從其工程制造圖紙或CAD數(shù)模中直接獲取。

通過選擇頻率在5-15MHz之間的寬帶窄脈沖超聲換能器，產(chǎn)生和接收具有單周脈沖特性的入射超聲波，適應(yīng)不同被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的超聲檢出缺陷的鋪層深度位置。

通過選擇由超聲單元、信號(hào)處理單元和信號(hào)顯示單元組成的便攜式檢測(cè)儀器，以適應(yīng)室內(nèi)制造階段的不同復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的超聲檢出缺陷的鋪層深度和外場(chǎng)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中地超聲檢出損傷的鋪層深度，進(jìn)行缺陷和損傷的深度位置的準(zhǔn)確分析，指導(dǎo)缺陷和損傷的準(zhǔn)確修理。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，針對(duì)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)中檢出的缺陷，提出一種確定檢出缺陷的鋪層深度的超聲定量表征方法，以便更加全面和準(zhǔn)確地對(duì)超聲檢出缺陷的鋪層深度進(jìn)行量化表征，為復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中超聲檢出缺陷和損傷的強(qiáng)度分析、工藝和結(jié)構(gòu)修理等提供確切的缺陷信號(hào)和數(shù)據(jù)，幫助提高復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的安全使用率和成品率。

1.基于超聲反射檢測(cè)原理，采用寬帶窄脈沖高分辨率超聲波在復(fù)合材料中產(chǎn)生的單周脈沖超聲波信號(hào)，克服了多周脈沖導(dǎo)致估測(cè)不準(zhǔn)的問題，顯著提高了t_FB和t_FD估測(cè)的測(cè)準(zhǔn)確性，明顯改善了超聲檢出缺陷深度位置的判斷和測(cè)量的準(zhǔn)確性；

2.通過構(gòu)建超聲檢出缺陷回波信號(hào)的時(shí)域特征與復(fù)合材料鋪層的映射關(guān)系，構(gòu)建了超聲檢出缺陷的鋪層深度的量化表征函數(shù)和確定方法，從而為對(duì)檢出缺陷成因分析和工藝優(yōu)化以及損傷的準(zhǔn)確修理提供了有效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持和信息輸入。

3.所建立的復(fù)合材料超聲檢出缺陷的鋪層深度的超聲量化表征方法，其定深偏差可達(dá)單個(gè)復(fù)合材料鋪層，而且可以用于室內(nèi)外復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的超聲檢出缺陷的深度量化表征，易于實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)效率高、成本低、環(huán)保，從而為工藝改進(jìn)、損傷修理和結(jié)構(gòu)分析及安全評(píng)估提供了十分重要的無損檢測(cè)方法和技術(shù)手段。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的復(fù)合材料檢出缺陷的鋪層深度的超聲定量表征方法原理示意圖。

具體實(shí)施方式

1.本發(fā)明方法利用脈沖超聲在被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5中形成的反射回波信號(hào)的時(shí)域特征進(jìn)行檢出缺陷的鋪層深度的表征，

采用能夠發(fā)射/接收單周寬帶窄脈沖超聲波的超聲換能器1和能夠產(chǎn)生單周寬帶窄脈沖激勵(lì)信號(hào)的超聲單元2，通過高頻信號(hào)電纜將超聲換能器1與超聲單元2進(jìn)行電器鏈接，調(diào)節(jié)超聲單元2的阻尼參數(shù)和增益參數(shù)，使超聲換能器1產(chǎn)生寬帶窄脈沖入射超聲波I，并使寬帶窄脈沖入射超聲波I具有單周脈沖特性，此寬帶窄脈沖入射超聲波I在被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5表面形成的回波顯示信號(hào)F、在被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)底面形成的回波顯示信號(hào)B、在被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷處形成的回波顯示信號(hào)D的時(shí)域脈沖特性同時(shí)滿足以下條件：

1)回波顯示信號(hào)F、B和D的時(shí)域占寬t_W滿足(1)式：

式中，h_i—為被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中單個(gè)鋪層的厚度，

2)回波顯示信號(hào)F、B和D的脈沖周期數(shù)f_T滿足(2)式：

f_T≤1.5 (2)

如圖1所示，將超聲換能器1置于被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5表面上，超聲單元2激勵(lì)超聲換能器1產(chǎn)生寬帶窄脈沖入射超聲波I通過耦合介質(zhì)傳播到被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5表面，其中一部分入射聲波在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5表面產(chǎn)生反射回波a，此反射回波a被超聲換能器1接收后，經(jīng)過超聲單元2送入信號(hào)處理單元3進(jìn)行單周信號(hào)處理，形成單周回波顯示信號(hào)F，單周回波顯示信號(hào)F在顯示單元4中顯示；寬帶窄脈沖入射超聲波I的另一部分經(jīng)折射后傳播到復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5中形成透射聲波，繼續(xù)傳播，如圖1所示：

來自被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5內(nèi)部的反射回波b被超聲換能器1接收后，經(jīng)過超聲單元2送入信號(hào)處理單元3進(jìn)行單周信號(hào)處理，形成單周回波顯示信號(hào)D顯示在顯示單元4中，其中，在時(shí)域上，單周回波顯示信號(hào)F與單周回波顯示信號(hào)(D)之間的時(shí)間間隔t_FD用公式(3)表示，

這里，υ—為入射聲波在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5中傳播速度，

h_D—對(duì)應(yīng)單周回波顯示信號(hào)D在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5中的深度位置，

1)當(dāng)時(shí)，此時(shí)復(fù)合材料5內(nèi)部沒有缺陷，在顯示單元4中顯示回波顯示信號(hào)F和B，這里，H為復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5的標(biāo)稱厚度，它由N個(gè)復(fù)合材料鋪層總數(shù)，H的標(biāo)稱厚度近似用(4)式表示，

H＝h_iN (4)

這里，h_i—為單個(gè)復(fù)合材料鋪層的厚度；

2)當(dāng)時(shí)，此時(shí)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)5內(nèi)部存在缺陷，如圖1中缺陷5B所示，在顯示單元4中顯示回波顯示信號(hào)F和D，缺陷的鋪層深度h_D近似用(5)式表示，

h_D＝h_in_D (5)

這里，h_i—為單個(gè)復(fù)合材料鋪層的厚度，

n_D—為對(duì)應(yīng)檢出缺陷的鋪層深度，

根據(jù)(3)式～(5)式，檢出缺陷的鋪層深度n_D由(6)式進(jìn)行量化表征：

式中，t_FB—為根據(jù)在顯示單元4中顯示的單周回波顯示信號(hào)F與無缺陷的單周回波顯示信號(hào)B之間的時(shí)域刻度位置實(shí)際測(cè)量獲得的時(shí)間間隔，

t_FD—為根據(jù)在顯示單元4中顯示的單周回波顯示信號(hào)F與有缺陷的單周回波顯示信號(hào)D之間的時(shí)域刻度位置實(shí)際測(cè)量獲取的時(shí)間間隔，

N—為被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中所檢測(cè)位置的復(fù)合材料鋪層數(shù)，可從其工程制造圖紙或CAD數(shù)模中直接獲取。

本發(fā)明方法通過選擇頻率在5-15MHz之間的高分辨率超聲換能器1，產(chǎn)生和接收具有單周脈沖特性的入射超聲波，以適應(yīng)于不同被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的超聲檢出缺陷的深度量化表征。

本發(fā)明方法通過選擇由超聲單元2、信號(hào)處理單元3和信號(hào)顯示單元4組成的便攜式檢測(cè)儀器，以適應(yīng)室內(nèi)制造階段的不同復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的超聲檢出缺陷的深度量化表征和外場(chǎng)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中地超聲檢出損傷的深度量化表征，進(jìn)行缺陷和損傷的分析，指導(dǎo)缺陷和損傷的準(zhǔn)確修理。

實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料檢出缺陷的鋪層深度的超聲量化表征方法的檢測(cè)系統(tǒng)主要包括：超聲換能器1、超聲單元2、信號(hào)處理單元3和顯示單元4，參見圖1，其中，

超聲換能器1可以安裝在自動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)上，也可以手持，超聲換能器1通過高頻同軸電纜與超聲單元2的發(fā)射/接收端連接，超聲單元2的輸出端與信號(hào)處理單元3的信號(hào)輸入端通過高頻同軸電纜連接，信號(hào)處理單元3的信號(hào)輸出端與顯示單元4的信號(hào)輸入端連接。

超聲換能器1：選用高分辨率寬帶脈沖超聲換能器，推薦使用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FJ-1系列超聲換能器，超聲換能器1與復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)表面之間通過水或者液膜耦合。

超聲單元2：選用與超聲換能器1相匹配的超聲單元，推薦選擇使用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的UPower-1或FCC-D或MUT-1。

信號(hào)處理單元3：選用與超聲單元2相匹配的信號(hào)處理單元構(gòu)成，其增益可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍不小于30dB，阻尼可調(diào)，并能對(duì)來自超聲單元2的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后，形成具有單周特性的回波顯示信號(hào)F、B、D，通過數(shù)據(jù)總線送顯示單元5，進(jìn)行超聲檢測(cè)結(jié)果的成像顯示，推薦選擇使用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的MUT-1。

顯示單元5：采用測(cè)量和數(shù)字顯示方式，用于測(cè)量t_FB和t_FD、計(jì)算和顯示檢出缺陷的絕對(duì)深度、相對(duì)深度和鋪層深度，推薦選擇使用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的MUT-1、CUS-6000、CUS-21J檢測(cè)系統(tǒng)。

也可以選擇與超聲換能器1相匹配的包含超聲單元1、信號(hào)處理單元2和顯示單元3全部功能的集成式超聲檢測(cè)儀器或檢測(cè)系統(tǒng)，如MUT-1、CUS-6000、CUS-21J檢測(cè)系統(tǒng)。

實(shí)施例

選擇中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的UPowr-1、MUT-1超聲檢測(cè)設(shè)備和FJ-1高分辨率換能器、CUS-6000、CUS-21J，分別采用水膜耦合和液膜耦合對(duì)多種復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系列的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用，其中，超聲換能器頻率選擇5MHz、10MHz和15MHz，碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)由40個(gè)鋪層組成，h_i≈0.125mm，H≈40×0.125mm≈5mm，分層缺陷位于被檢測(cè)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)(5)中的鋪層(5A)界面之間，分層缺陷的鋪層深度n_D的設(shè)計(jì)值分別為1個(gè)鋪層、19個(gè)鋪層、39個(gè)鋪層，分層缺陷的當(dāng)量尺寸Ф6mm。經(jīng)超聲檢測(cè)：

在沒有缺陷區(qū)域，t_FB≈3.24μs，

對(duì)應(yīng)1個(gè)鋪層深的分層的t_FD1≈0.08μs，由式(6)得，實(shí)測(cè)分層的鋪層深度n_D1≈0.99≈1個(gè)鋪層，

對(duì)應(yīng)19個(gè)鋪層深的分層的t_FD19≈1.52μs，由式(6)得，實(shí)測(cè)分層的鋪層深度n_D1≈18.85≈19個(gè)鋪層，

對(duì)應(yīng)39個(gè)鋪層深的分層的t_FD39≈3.14μs，由式(6)得，實(shí)測(cè)分層的鋪層深度n_D1≈38.77≈39個(gè)鋪層。

可見經(jīng)超聲檢出的分層缺陷的鋪層深度與其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值相一致，實(shí)際檢出分層缺陷的鋪層深度偏差在1個(gè)鋪層范圍內(nèi)，取得了很好的實(shí)際檢測(cè)效果。