CN102507747A - 纤维缠绕复合材料液浸超声检测探头位置的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液浸超声无损检测复合材料时聚焦超声换能器位置的优化方法，通过对不同频率、晶片直径、焦距的聚焦换能器在水和复合材料中聚焦规律和特性的研究，分别给出反射法和透射法检测时计算焦距F、探头至工件距离H等的公式，依此给出聚焦探头最佳放置位置的方法，实现检测过程中对缺陷检测精度和灵敏度的提高以及对工件的可靠性检测。

Description

纤维缠绕复合材料液浸超声检测探头位置的优化方法

一、技术领域

本发明涉及一种液浸超声检测复合材料时聚焦超声换能器位置的优化方法，属于无损检测领域。

二、背景技术

复合材料由于具有耐高温、高比强度、比刚度、抗氧化和抗疲劳性能好等优异性能，已发展成为民用和军用领域不可或缺的材料之一，目前不仅应用于导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，同时在汽车、医疗、机械、电子、桥梁等多个行业中得到应用。由于复合材料独特的制作工艺，导致其缺陷类型与传统材料有所不同，主要有分层、疏松、孔隙、夹杂和树脂固化不良等。这些缺陷的存在会导致复合材料性能的显著下降，必须进行无损检测，而超声检测是复合材料无损检测最常用的方法。

目前常用的复合材料超声检测技术主要包含超声C扫描检测、超声导波检测、空气耦合超声检测、相控阵超声检、激光超声检测等，超声C扫描由于显示直观，检测速度快，是大型复合材料构件普遍采用的技术，目前在超声C扫描检测复合材料技术中，为避免超声波束在水中的扩散，通常采用聚焦超声换能器使超声波束进行会聚，进入工件后形成二次聚焦焦点，来提高缺陷的检测精度和灵敏度，尤其对于复杂曲面或表面粗糙不平整的工件，其检测效果更加明显。

复合材料超声C扫描检测中，根据超声换能器接收信号的方式，一般可分为超声反射法和透射法检测，反射法只使用一个换能器实现超声信号的发射和接收，检测灵敏度较透射法高，但主要适合工件近表面缺陷的检测；透射法需要使用两个超声换能器，采取一发一收的方式，通过对透射超声信号的能量衰减来识别缺陷，信号识别比较简单，适合整个工件厚度各位置缺陷的检测，比反射法应用广泛。无论反射还是透射法检测都存在聚焦探头最佳位置的放置问题；对于反射法检测，聚焦探头的放置相对简单，因为超声波束由水进入工件内形成二次聚焦，在遇到缺陷后，回波信号会按照原路线从工件返回到水中(对平底孔缺陷效果最明显)，所以只需调整一个探头的位置；而透射法检测时需要同时调整两个探头的位置，且要考虑两个探头的频率、晶片直径、标称焦距各不相同等因素，所以比较难实现，但只要找出两个聚焦探头在工件内的聚焦规律，完全可以利用其聚焦特性达到精确检测的目的。

三、发明内容

本发明的目的是通过对聚焦超声换能器在水和纤维缠绕复合材料两种不同介质中传播时聚焦特性的研究，给出检测时聚焦探头放置的最佳检测位置，以提高缺陷检测精度和灵敏度。

本发明提出的复合材料检测时聚焦探头位置的优化方法，其原理在于：

根据几何超声学原理，如附图1中所示，超声球面聚焦换能器在水中焦距的公式：

其中F为探头在水中的焦距；R为声透镜曲率半径；C_水和C_透镜分别为超声波在水和透镜中的声速。

焦区直径计算公式： $\mathrm{\φ}\≈\mathrm{\λ}\·\frac{F}{D}---\left(2\right)$

焦区长度计算公式： $L=4\mathrm{\λ}\·{\left(\frac{F}{D}\right)}^2---\left(3\right)$

其中φ为焦区直径，L为焦区长度，λ为声波波长，F为探头在水中的焦距，D为晶片直径。根据焦区直径和焦区长度的概念，聚焦换能器在焦点附近形成一个圆柱形的区域，在这个区域内声压没有突变现象，因此实际检测时应使被检测的缺陷处于焦区圆柱内。

上面给出的是超声波在单一介质(水)中传播时的聚焦规律和特性，而利用聚焦声束实际检测工件内部缺陷时，必须考虑水和工件形成的液固界面对聚焦声束的影响，找到聚焦换能器在工件中真正的焦点(焦区)，才能有效利用其聚焦特性来进行检测。反射法检测聚焦如附图2所示，超声波束在进入复合材料试件时发生折射，形成二次聚焦，由于声波在复合材料里的声速相比水中要大，因此二次聚焦点比原聚焦点靠近工件表面。其聚焦计算公式：

H+h＝F1                        (5)

H+h′＝F                       (6)

解(4)、(5)、(6)式可得：

其中，H为探头到工件的距离，F为探头在水中的焦距，F1为探头在工件里的实际焦距，h为实际焦点到工件表面的距离，h′为假设在水中传播焦点到工件表面的距离，C_复合材料和C_水分别为声波在复合材料和水中的声速。

由(7)、(8)式可以看出，在确定聚焦探头和被检复合材料的情况下，F、C_复合材料、C_水参数三个参数都是已知的，因此只要给出准备在复合材料工件内聚焦的具体位置(即实际焦点到工件表面的距离)h，便可确定F1和H，也就确定了聚焦探头的最佳位置。

透射法检测聚焦如附图3所示，可得到如下关系式：

h1+h2＝T                (11)

其中，F_发射和F_接收分别为发射和接收探头的标称焦距，T为被测工件厚度。

由于超声波束在焦区范围内的声压基本不变，因此实际检测时只要使缺陷处在焦区范围内即认为达到最佳聚焦效果。对于透射法检测，如使用两个频率、晶片直径、焦距完全相同的探头，应保证两探头的聚焦焦区在工件内重合，如附图3工件中的矩形区域，要实现该聚焦区域能够覆盖整个检测工件的厚度T，只要相应调整两个探头到工件的距离H₁和H₂并满足上面三个关系式。

应用频率、晶片直径、焦距不同的两个探头进行检测时，首先按照公式(2)、(3)计算出各自的焦区直径和长度，即可得出两个圆柱形的焦区，检测时应保证两探头中焦区小的圆柱完全被焦区大的圆柱包含，同时满足(9)、(10)、(11)三式，并使被检缺陷处于焦区小的圆柱内。

四、附图说明：

图1为超声波换能器水浸聚焦示意图；

图2为反射法检测聚焦示意图；

图3为透射法检测聚焦示意图。

五、具体实施方式：

下面对本发明的具体实施步骤进行详细说明：

1)确定待检测复合材料工件的相应参数，包括厚度T、声速C_复合材料。

2)对于近表面的缺陷检测可使用反射法，确定所用聚焦探头后，根据公式(2)、(3)计算其焦区直径和焦区长度，选用探头的原则是其焦区直径和长度应尽量小，这样检测精度和灵敏度会更高。确定h值(根据声波穿透复合材料的情况，保证能接收到清晰的底面回波信号)，代入(7)式计算得出H，即为检测时聚焦探头到工件的距离。

3)透射法检测首先保证声波能够穿透被检测的复合材料工件，在确定所用发射聚焦探头后，代入公式(2)、(3)计算其焦区直径和焦区长度，确定h1(即计划聚焦的区域)，然后代入(9)式计算出H1；根据所确定发射探头的聚焦焦区情况来选择接收探头，将接收探头的频率、晶片直径和焦距代入求出焦区直径和长度，根据h2＝T-h1确定h2，然后代入(10)式求出H2，既为接收探头放置的最佳位置。

4)对于厚度较小的被测工件，无论反射还是透射法检测，在选择探头时尽量使其焦点处于工件厚度中央，焦区长度等于或接近工件厚度；对于厚度较大的被测工件，利用调节h1和h2实现整个厚度方向上不同位置聚焦的效果。

Claims (4)

1.一种液浸超声无损检测复合材料时聚焦超声换能器位置的优化方法，其特征在于：分反射法和透射法两种检测。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：反射法检测的步骤如下：

1)确定所用聚焦探头后，根据公式计算其焦区直径和焦区长度，选用探头的原则是其焦区直径和长度应尽量小，这样检测精度和灵敏度会更高。

2)确定h值(根据声波穿透复合材料的情况，保证能接收到清晰的底面回波信号)，代入(1)式计算得出H，即为检测时聚焦探头到工件的距离。

3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：透射法检测的步骤如下：

1)确定所用发射聚焦探头后，根据公式计算其焦区直径和焦区长度；

2)确定h1(即计划聚焦的区域)，然后代入(2)式计算出H1；

3)根据所确定发射探头的聚焦焦区情况来选择接收探头，求出其焦区直径和长度，根据h2＝T-h1确定h2，然后代入(3)式求出H2，既为接收探头放置的最佳位置。

4.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：对于厚度较小的被测工件，无论反射还是透射法检测，在选择探头时尽量使其焦点处于工件厚度中央，焦区长度等于或接近工件厚度；对于厚度较大的被测工件，利用调节h1和h2实现整个厚度方向上不同位置聚焦的效果。

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