一種基于反射原理的復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)超聲檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于反射原理的復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)超聲 檢測方法。
【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， 通過選用不同復(fù)合材料與泡沫材料，設(shè)計不同形狀和厚度的泡沫膠接工藝，可W制造出形 式多樣化的復(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，通常都需要對復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測。較為常見的一種復(fù)合材料泡沫結(jié) 構(gòu)是，泡沫直接與復(fù)合材料蒙皮膠接，構(gòu)成各種不同用途的復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)，通常該類復(fù) 合材料泡沫結(jié)構(gòu)都具有大尺寸的特點。目前可行的無損檢測方法有；（1)軟X-射線檢測方 法，其主要不足是；1)對于X-射線束垂直取向的泡沫膠接界面及復(fù)合材料蒙皮中的缺陷 難W檢出；2)檢測效率低、成本高、需要?？诘母Ｉ浞雷o(hù)；（2)常規(guī)超聲檢測方法，其主要不 足是；a)超聲表面檢測盲區(qū)大（通常在l-3mm)，而復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙皮厚度通常在 0. 5-3mm，因此，極易造成漏檢；b)檢測信號回波為多周特性，分辨率低，難W準(zhǔn)確確定泡沫 復(fù)合材料中的缺陷深度位置和性質(zhì)；C)當(dāng)采用固體延時換能器進(jìn)行手段掃查檢測時，對表 面檢測盲區(qū)有所改善（可達(dá)0. 8-2mm之間），但固體延時塊與復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)表面硬接觸 禪合，容易造成因禪合不良產(chǎn)生漏檢，從而難W實現(xiàn)復(fù)合材料蒙皮及復(fù)合材料蒙皮/泡沫 膠接界面缺陷的可靠檢測和缺陷準(zhǔn)確定位，也會導(dǎo)致缺陷判別和定位困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)，提出一種基于寬帶窄脈沖復(fù)合材料泡沫 結(jié)構(gòu)的超聲反射檢測方法，實現(xiàn)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙皮、蒙皮/泡沫膠接區(qū)等不同部 位的超聲檢測，提高超聲對復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙皮、蒙皮/泡沫膠接缺陷的檢出能力 和檢測的可靠性，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] 利用的超聲反射法檢測系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)超聲檢測，超聲反射法檢測系 統(tǒng)包括換能器、超聲單元、信號處理單元、掃查單元和顯示單元，其特征是，
[0005] 1)通過超聲反射法檢測系統(tǒng)中的換能器產(chǎn)生寬帶窄脈沖入射超聲波IV并從被復(fù) 合材料泡沫結(jié)構(gòu)的一側(cè)入射，分別在復(fù)合材料蒙皮表面、復(fù)合材料蒙皮/膠接層界面及復(fù) 合材料蒙皮/膠接層界面的缺陷區(qū)和膠接層/泡沫界面形成探測寬帶窄脈沖超聲波，
[0006] ①寬帶窄脈沖入射超聲波Up在復(fù)合材料蒙皮表面形成的寬帶窄脈沖反射超聲波 Uf近似表示為，
[0007]
(1)
[000引 該里，
[0009] P。一換能器與復(fù)合材料蒙皮之間的聲學(xué)禪合介質(zhì)的密度，
[0010] P1-為復(fù)合材料蒙皮的密度，
[0011] C。一為換能器與復(fù)合材料蒙皮表面之間的聲學(xué)禪合介質(zhì)中的聲速，
[0012] Cl-為復(fù)合材料蒙皮中的聲速。
[0013] ②來自復(fù)合材料蒙皮/膠接層界面的寬帶窄脈沖反射超聲波Ub近似表示為，
[0014]
[001引 該里，
[0016] P2-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的膠接層的密度，
[0017] C2-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的膠接層的聲速，
[0018] P3-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的泡沫的密度，
[0019] C3-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的泡沫的聲速，
[0020] ⑨寬帶窄脈沖入射超聲波Up在復(fù)合材料蒙皮/膠接層界面的缺陷區(qū)和膠接層/泡 沫界面的缺陷區(qū)形成的寬帶窄脈沖超聲反射聲波近似表示為，
[0021]
(3)
[00巧。缺陷判別；
[0023] 根據(jù)換能器接收到來自復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的寬帶窄脈沖反射超聲波Ub和Uf，
[0024] 當(dāng)換能器接收到的寬帶窄脈沖反射超聲波Uf近似表示為，
[002引 Uf+Ub(4)
[0026] 判別復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中無缺陷，
[0027]當(dāng)換能器接收到的寬帶窄脈沖超聲反射聲波Uf近似表示為，
[002引 U f+Ud+kUb巧）
[0029] 該里，
[0030] 當(dāng)Sd《Su時，
[003U 當(dāng)Sd^Su時，k= 0，
[0032] Su-為換能器在復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中形成的寬帶窄脈沖入射超聲波的聲束面積 (la),
[0033] Sd-為復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中缺陷在垂直寬帶窄脈沖入射超聲波傳播方向的投影 面積，
[0034] 分別判別復(fù)合材料蒙皮中的缺陷、復(fù)合材料蒙皮/膠接層界面的缺陷、膠接層/泡 沫界面的缺陷。
[0035] 根據(jù)寬帶脈沖反射超聲波Uf的時域特性和相位，確定檢出缺陷在復(fù)合材料泡沫結(jié) 構(gòu)中的復(fù)合材料蒙皮中、復(fù)合材料蒙皮/膠接層界面、膠接層/泡沫界面的位置，確定檢出 缺陷在復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料蒙皮中深度hd，確定復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙皮的 厚度hb，
[0036]
<^6)
[0037]
[003引該里，
[0039]td-為Uf和U之間的時間差，
[0040] tb_為Uf和U之間的時間差。
[0041] 根據(jù)被檢測復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)、工藝的特點和檢測要求不同，選擇相應(yīng)頻率的寬 帶脈沖入射超聲波，用于檢測復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙皮中的缺陷、蒙皮/泡沫膠接層界 面的缺陷或泡沫膠接層/泡沫界面的缺陷，用于檢測復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙皮中的缺陷 的頻率在5MHz- 15MHz范圍內(nèi)選擇，用于檢測復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中的蒙皮/泡沫膠接層界 面的缺陷或泡沫膠接層/泡沫界面的缺陷的頻率在2MHz-5MHz范圍內(nèi)選擇。
[0042] 通過選擇具有單周脈沖特性的不同直徑和類型的換能器，在被檢測復(fù)合材料泡沫 結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不同大小的寬帶窄脈沖入射超聲波的聲束面積Su，實現(xiàn)對不同復(fù)合材料泡沫結(jié) 構(gòu)的超聲檢測，根據(jù)復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的厚度、材料和檢出缺陷要求，在0. 5-10mm的直徑 范圍內(nèi)選擇Su的大小和類型，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禪合劑 進(jìn)行聲學(xué)禪合，即；噴液禪合或液膜接觸禪合，用于不同掃查方式下?lián)Q能器的聲學(xué)禪合，W 適應(yīng)不同材料的被檢測結(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。
[0043] 換能器和超聲單元相匹配，實現(xiàn)單周脈沖特性的寬帶窄脈沖超聲波的發(fā)射/接收 和檢測結(jié)果的視頻、射頻或者圖像顯示，進(jìn)行復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的高分辨率和無盲區(qū)的檢 測。
[0044] 本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果，
[0045] 1.針對復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的超聲反射檢測，通過構(gòu)建復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的聲波傳 播行為和缺陷判別函數(shù)，清晰地表征了復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)中各種部位、不同特點的缺陷與 接收信號之間的數(shù)理聯(lián)系，基于此數(shù)理聯(lián)系，用于超聲檢測和缺陷判別，明顯提高了復(fù)合材 料泡沫結(jié)構(gòu)超聲缺陷定性定量檢測的準(zhǔn)確性；
[0046] 2.針對復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的超聲檢測，本發(fā)明提出采用寬帶窄脈沖產(chǎn)生入射聲 波，使換能器與超聲單元匹配，提高入射聲波的能量的同時，還保持有足夠的空間分辨率， 從而顯著提高了對復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)的檢測能力和缺陷分辨率及檢測靈敏度，表面檢測盲 區(qū)和檢測分辨率可達(dá)到單個復(fù)合材料鋪層厚度，約0. 13mm，檢測靈敏度可達(dá)〇 3mm，大大地 提高了復(fù)合材料泡沫結(jié)構(gòu)表面及近表面缺陷的檢出能力；
[0047] 3.采用寬帶窄脈沖超聲激勵/接收方法，基于超聲反射模式，使超聲