一種用于復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)作為一種超輕結(jié)構(gòu)，已在航空航天、交通等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛， 通過(guò)選用不同復(fù)合材料與泡沫材料、設(shè)計(jì)不同形狀和厚度的泡沫膠接工藝，可以制造出形 式多樣化地復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)。為了改進(jìn)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)工藝、保證復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu) 的質(zhì)量，通常都需要對(duì)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。目前需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的泡沫結(jié) 構(gòu)可分為兩大類，如圖2所示：一類是泡沫直接與復(fù)合材料蒙皮膠接，構(gòu)成各種不同的復(fù)合 材料泡沫結(jié)構(gòu)，如圖2(a)和圖2(b)所示；另一類是多層泡沫膠接后，再與復(fù)合材料蒙皮膠 接，構(gòu)成各種不同的大厚度、變厚復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)，如圖2(c)和圖2(d)所示。通常這類 復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)都具有大尺寸的特點(diǎn)。理論上，目前可行的無(wú)損檢測(cè)方法有：（1)軟X-射 線檢測(cè)方法，其主要不足是：1)對(duì)于垂直X-射線束取向的泡沫膠接界面的缺陷難以檢出； 2)檢測(cè)效率低、成本高、需要專門的輻射防護(hù)；（2)常規(guī)超聲檢測(cè)方法，其主要不足是：因聲 波在泡沫結(jié)構(gòu)中衰減十分劇烈，導(dǎo)致入射聲波難以在泡沫中有效傳播，從而難以實(shí)現(xiàn)泡沫 及泡沫/泡沫膠接缺陷的檢測(cè)；（3)空氣耦合超聲檢測(cè)方法，其主要不足是：1)多采用音頻 脈沖激勵(lì)超聲波，其空間分辨率低，難以滿足復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙皮、蒙皮/泡沫膠接 區(qū)的缺陷檢測(cè)要求；2)入射聲波在泡沫區(qū)的傳播行為與在空氣中的傳播行為非常接近，從 而會(huì)導(dǎo)致缺陷判別困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對(duì)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)，提出一種基于高能量沖擊脈沖激勵(lì)的復(fù) 合材料泡沫結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中蒙皮、蒙皮/泡沫膠接區(qū)、泡沫 區(qū)、泡沫/泡沫膠接區(qū)等不同部位的超聲檢測(cè)，提高超聲對(duì)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中蒙皮、蒙皮 /泡沫膠接、泡沫/泡沫膠接及泡沫區(qū)缺陷的檢出能力和檢測(cè)的可靠性，改進(jìn)復(fù)合材料泡沫 結(jié)構(gòu)的可檢性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，
[0004] 利用超聲穿透法檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)，超聲穿透法檢測(cè)系統(tǒng) 主要包括發(fā)射換能器、接收換能器、超聲單元、信號(hào)處理單元、掃查單元和顯示單元，其特征 是，
[0005] 利用發(fā)射換能器產(chǎn)生大能量沖擊脈沖作為入射超聲波up，從復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的 一側(cè)入射，形成探測(cè)聲波，利用接收換能器從復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的另一側(cè)接收Up在復(fù)合材 料泡沫結(jié)構(gòu)中形成的透射超聲波ut，
[0006] 1)當(dāng)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)為整體泡沫結(jié)構(gòu)時(shí)，透射超聲波ut近似表示為，
[0007]
(：1>
[0008]這里，
[0009] P。一發(fā)射換能器和接收換能器與復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)右蒙皮和左蒙皮表面之間的 聲學(xué)耦合介質(zhì)的密度，
[0010] P為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的右蒙皮和左蒙皮的密度，
[0011] P2-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的泡沫的密度，
[0012] c。一為發(fā)射換能器和接收換能器與復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的右蒙皮和左蒙皮表面之 間的聲學(xué)耦合介質(zhì)中的聲速，
[0013] Cl-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的右蒙皮和左蒙皮中的聲速，
[0014] 〇2-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的泡沫中的聲速，
[0015]當(dāng)在復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中存在缺陷，此時(shí)接收換能器接收到的透射超聲波^近似 表示為，
[0016].(2.)'
[0017]這里，
[0018] Su-為發(fā)射換能器和接收換能器在復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中形成的兩個(gè)聲束面積，
[0019] Sd-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中缺陷在垂直聲波傳播方向的投影面積，
[0020] 進(jìn)行缺陷判別：
[0021 ] 根據(jù)接收換能器接收到來(lái)自復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的透射超聲波ut和透射超聲波 利用式判別復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中有無(wú)缺陷，
[0022] ur=ut，無(wú)缺陷，
[0023]ur〈ut，當(dāng)Su>Sd，有缺陷，
[0024]u，0,當(dāng)S u〈Sd，有缺陷，且缺陷面積較大。
[0025] 2)當(dāng)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的泡沫層由右泡沫和左泡沫兩層泡沫膠接而成時(shí)，透射 超聲波u't近似表示為，
[0026]
(3.)
[0027]這里，
[0028]P3-為粘接蒙皮/泡沫、泡沫/泡沫、泡沫/蒙皮的膠接層的材料密度，
[0029]c3-為粘接蒙皮/泡沫、泡沫/泡沫、泡沫/蒙皮的膠接層材料中的聲速，
[0030]當(dāng)在復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中存在缺陷，此時(shí)接收換能器接收到的透射超聲波u'^近 似表示I
[0031] .⑷.
[0032] 進(jìn)行缺陷判別：
[0033] 根據(jù)接收換能器接收到來(lái)自復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的透射超聲波ut'和透射超聲 波u\，利用式（4)判別復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中有無(wú)缺陷，
[0034]u'r=u't，無(wú)缺陷，
[0035]u' r〈Vt，當(dāng)Su>Sd，有缺陷，
[0036] 0,當(dāng)S u〈Sd，有缺陷，且缺陷面積較大，
[0037] 3)不同復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，
[0038]對(duì)于不同復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，由于Pi、P2、Cl、c2不同，同樣利用式（1)至 式（4)，進(jìn)行缺陷的判別。
[0039] 4)檢測(cè)結(jié)果顯示，
[0040] 根據(jù)接收換能器接收到透射超聲波^和u\，將其轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)、射頻信號(hào)或成 像信號(hào)，顯示檢測(cè)結(jié)果。
[0041] 根據(jù)被檢測(cè)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)、工藝的特點(diǎn)和檢測(cè)要求不同，選擇相應(yīng)頻率的入 射脈沖超聲波，用于檢測(cè)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中，
[0042] ①蒙皮/泡沫膠接缺陷，
[0043] ②泡沫/泡沫膠接缺陷，
[0044] ③泡沫中的缺陷，
[0045] ④蒙皮中的缺陷，
[0046] 對(duì)于復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中不同部位的缺陷檢測(cè)，頻率在0. 5MHz - 5MHz范圍內(nèi)選 擇。
[0047]當(dāng)需要確定檢出缺陷在復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的部位時(shí)，發(fā)射換能器工作在反射模 式，根據(jù)其接收到的回波信號(hào)^的時(shí)域特性輔助判斷檢出缺陷在復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙 皮區(qū)、蒙皮/泡沫膠接界面、泡沫區(qū)的部位。
[0048] 發(fā)射換能器和接收換能器的聲束面積Su，通過(guò)選擇不同直徑和類型的發(fā)射換能器 和接收換能器，在被檢測(cè)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同大小的聲束面積Su，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同復(fù)合 材料泡沫結(jié)構(gòu)的超聲透射檢測(cè)，通常根據(jù)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的厚度、材料選擇Su的大小和 類型，
[0049] 對(duì)于泡沫區(qū)及泡沫/泡沫膠接區(qū)的檢測(cè)，在10 - 30mm的直徑范圍內(nèi)選擇Su，平面 聲束，
[0050] 對(duì)于蒙皮及蒙皮/泡沫膠接區(qū)的檢測(cè)，在1一6mm的直徑范圍內(nèi)選擇Su，平面聲束 或者錐形聲束，
[0051] 發(fā)射換能器和接收換能器與復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)表面之間采用不同粘度的耦合劑 進(jìn)行噴液耦合、液膜接觸耦合，用于不同掃查方式下發(fā)射換能器和接收換能器的聲學(xué)耦合， 以適應(yīng)不同材料被檢測(cè)結(jié)構(gòu)或者零件在不同環(huán)境條件與掃查條件下的超聲檢測(cè)。
[0052] 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，
[0053] 1.針對(duì)復(fù)合材