CN102608214A - 复合材料缺陷的高压气体耦合超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料缺陷的高压气体耦合超声检测方法，主要通过改变检测环境的压强(增加检测环境中的耦合气体密度)，降低超声传播衰减程度，来提高缺陷检测的精度和灵敏度。该方法具有非接触、非浸入、完全无损的特点，使用灵活方便，能够实现快速在线扫查，具有很好的应用前景。

Description

复合材料缺陷的高压气体耦合超声检测方法

一、技术领域

本发明涉及一种复合材料缺陷的高压气体耦合超声检测方法，属于无损检测领域。

二、背景技术

复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑等领域，近几年更是得到了飞速发展。然而由于复合材料的非均质性和各向异性，在制造过程中工艺不稳定，容易产生缺陷；在应用过程中，由于疲劳累积、撞击、腐蚀等物理化学的因素影响，复合材料也容易产生缺陷，且这些缺陷很大一部分产生在复合材料内部，不容易直接观测到，存在很大的使用安全隐患，因此，对复合材料进行制造和使用过程中的无损检测就显得尤为重要。

目前，尽管有多种方法可用于复合材料的无损检测，但其中以超声检测方法最为有效、方便，发展也最快。用于超声无损检测的传统方法是接触式的，即在超声探头和待测试件之间必须用水或其他液体作为声耦合介质。这种传统方法对于复合材料试件的检测不是完全适用的，主要原因是水会使试样受潮或变污，且有可能渗入损伤处，这会严重影响构件的力学强度和尺寸稳定；其次，对机器进行在役定期例行检查和维修时，水耦合超声检测方法也不适用；再次，使用其他液体声耦合介质时，检测后的耦合剂的清理也很费时。非接触的空气耦合超声检测方法是解决这个问题的新途径，空气耦合式超声波无损检测技术具有非接触、非浸入、完全无损的特点，特别是能够实现快速在线扫查，使得该技术有很好的应用前景。

超声波在媒质中传播时，如果一部分声能不可逆地转换为媒质的其他形式的能量，那么这部分超声波能量就被耗散掉了。超声波在空气中传输时，衰减系数与温度、相对湿度、大气压力等均有很大关系，对检测环境参数进行优化，可以降低超声传播过程中的衰减程度，来提高缺陷的检测精度和灵敏度。

三、发明内容

本发明的目的是利用空气耦合探头对复合材料的内部缺陷进行检测，通过改变检测环境的压强(增加检测环境中的耦合气体密度)，以提高缺陷检测的精度和灵敏度。

本发明提出的复合材料缺陷的高压气体耦合超声检测方法，其原理在于：

对流体媒质中平面声波(纵波)的吸收主要有两部分组成：对于切变粘性引起的吸收衰减系数α_η和热传导引起的吸收衰减系数α_κ，吸收衰减和散射衰减取决于介质的特性。

其中

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{\η}}=\frac{2}{3}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ρc}}^3}\mathrm{\η},{\mathrm{\α}}_k=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ρc}}^3}(\mathrm{\γ}-1)\frac{K_c}{C_p}.---\left(1\right)$

式中，η是流体的动力切变粘滞系数；K_c是导热系数；C_p是定压比热；γ是定压比热与定容比热的比值。此外，对热辐射等其他因素引起的吸收也都进行过研究，但发现其吸收衰减数的数值都比上述两个因素要小得多，可以暂时忽略不计。这样，流体的声吸收衰减系数为：

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\α}}_k=\frac{2}{3}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ρc}}^3}[\mathrm{\η}+\frac{3}{4}(\mathrm{\γ}-1)\frac{K_c}{C_p}]---\left(2\right)$

但是实验测得的α值总是比上述经典公式给出的数值较大，因此引入一个体积粘滞系数η′，并把吸收公式写成：

$\mathrm{\α}=\frac{2}{3}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ρc}}^3}[(\mathrm{\η}+\frac{3}{4}{\mathrm{\η}}^{\′})+\frac{3}{4}(\mathrm{\γ}-1)\frac{K_c}{C_p}]---\left(3\right)$

在一般情况下，如果所用的超声波频率不是太高，对于大多数流体来说，上式是能够适用的，所以通常认为流体的声衰减系数是与频率平方是正比的，与流体密度是反比的。但是，在使用极高频率超声波时所得的实测结果却说明η′并非一个恒量而是随频率变化的。

对于平面波来说，声压衰减规律可用下式表示：

p＝p₀e^-αx    (4)

式中，p₀为起始声压；p为超声波从声压为p₀处传播一段距离x后的声压；α为衰减系数。

上式取自然对数，则有：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{x}\ln \frac{p_0}{p}---\left(5\right)$

式中，α的单位为Np/cm，若换算为用dB/cm来表示，则有下式存在：

$\mathrm{\α}=20\frac{1}{x}\log \frac{p_0}{p}---\left(6\right)$

可知，声源声压p一定时，声衰减系数越小，到达试件表面的声压p₀越大，检测精度和灵敏度越高。又由式(3)流体的声衰减系数与流体密度程反比，即流体密度越高，声衰减系数越小。可以看出，流体密度越高，声源声压p一定时，到达试件表面的声压p₀越大，检测精度和灵敏度越高。

空气是一种特殊的流体，空气密度与空气压强的关系为：

p_空＝ρVg    (7)

在体积V和重力加速度g一定时，空气压强p_空越大，空气密度ρ越大，这是本发明提出的优化方法所依据的主要原理。

四、附图说明

图1为高压气体耦合超声检测系统总体设计示意图；

图2为关键部件超声检测系统示意图。

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关参数，包括试件厚度T、声速C等，保证在一定的激励电压和增益的情况下超声波可以穿透试件。

2)确定所选用的发射和接收空气耦合超声探头，同为标称频率500KHz，近场距离60mm，孔径20mm。

3)将被测试件放置于发射和接收换能器之间，调节探头的水平位置使两探头轴线保持一致，同时调节好距离使接收到的A扫描波形幅值达到最大。

4)将空气耦合超声换能器和被测试件置于密闭加压室内，在标准大气压下观测接收到的A扫描波形并记录最大幅值，关闭加压室并利用加压设备(如空气增压泵等)增加加压室内空气压强，在增压过程中实时观测A扫描波形的幅值变化。

5)根据密闭室情况进行加压，达到可承受的安全压力时(如3个标准大气压)，观测A扫描波形幅值，如幅值过大则减小增益，如幅值过小则增大激励电压，直至接收到较理想的A扫波形为止。

6)对复合材料试件进行C扫查，得到其C扫描图像。

7)对于关键部位或是较复杂曲面的检测，采用小型独立的密闭加压系统，使检测更加灵活方便，进而有效提高检测灵敏度和检测效率，检测示意图如图2所示。

Claims (2)

1.一种复合材料缺陷的高压气体耦合超声检测方法，其特征在于：通过改变检测环境的压强(增加检测环境中的耦合气体密度)，降低超声传播衰减程度，来提高缺陷检测的精度和灵敏度。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其步骤如下：

A、确定待检测复合材料工件的相关参数，包括试件厚度T、声速C等，保证在一定的激励电压和增益的情况下超声波可以穿透试件。

B、确定所选用的发射和接收空气耦合超声探头，同为标称频率500KHz，近场距离60mm，孔径20mm。

C、将被测试件放置于发射和接收换能器之间，调节探头的水平位置使两探头轴线保持一致，同时调节好距离使接收到的A扫描波形幅值达到最大。

D、将空气耦合超声换能器和被测试件置于密闭加压室内，在标准大气压下观测接收到的A扫描波形并记录最大幅值，关闭加压室并利用加压设备(如空气增压泵等)增加加压室内空气压强，在增压过程中实时观测A扫描波形的幅值变化。

E、根据密闭室情况进行加压，达到可承受的安全压力时(如3个标准大气压)，观测A扫描波形幅值，如幅值过大则减小增益，如幅值过小则增大激励电压，直至接收到较理想的A扫波形为止。

F、对复合材料试件进行C扫查，得到其C扫描图像。

G、对于关键部位或是较复杂曲面的检测，采用小型独立的密闭加压系统，使检测更加灵活方便，进而有效提高检测灵敏度和检测效率。

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