CN103792291A - 用于测量层压板的面内弹性常数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包含波发生器（104）、多个换能器（106）和处理设备（112）的装置（100）。该波发生器（104）可以被配置为同时产生穿过层压板（102）沿多个面内方向传播的多个声波。该换能器（106）可以彼此隔开并且沿各个面内方向可定位在距波发生器（104）一个或更多已知距离处。该换能器（106）可以被配置为检测穿过层压板（102）沿各个面内方向传播的声波。该处理设备（112）可以被耦合到换能器（106）并且被配置为根据由换能器（106）检测的声波的速度的函数同时计算层压板（102）的多个弹性常数。此外，该处理设备（112）可以被配置为根据已知距离和声波到换能器（106）的到达时间的函数计算所述速度。

Description

用于测量层压板的面内弹性常数的装置和方法

技术领域

本发明总体涉及无损检测，特别涉及确定层压板或板状结构的一个或更多面内弹性常数。

背景技术

在包括例如飞行器、航天器及其它类型的车辆或舰船、建筑物、桥梁及其它结构的各种机械或结构设备或组件中，经常希望能够确定指定部件的材料属性或材料属性变化。部件的设计和安全操作取决于在该部件中的特定方向或位置上具有特殊的属性。此外，材料属性的任何变化都可能表明该部件的退化。例如，材料刚度可能是影响结构的性能的重要参数。虽然可以基于构成结构的材料的已知初始刚度来设计该结构，但是多种因素都可能使材料失去刚度。

应力、疲劳和环境侵袭如热过程和氧化过程仅是可以在材料刚度方面使材料退化的几种机制。纤维/基质复合材料可能特别易受刚度退化的影响，主要通过被称为微裂纹的过程，其中微观裂纹可能在将纤维粘合在一起的基质材料中发展。这种微裂纹可能导致复合材料内机械性能的有害变化、应力集中和重新分布，其进而可能导致性能退化、分层以及纤维损伤。

可能重要的是定量地确定板（例如复合层压板）的沿该板的面内方向的材料性能，例如确定其制造条件和/或工作条件。

因此，可能期望具有将至少一些上述问题以及可能的其它问题考虑在内的装置和方法。

发明内容

本发明的示例性实施方式通常涉及用于测量大致正交各向异性（orthotropic）单片或复合层压板（例如连续纤维增强复合单层片或薄层压板）的面内弹性常数的装置和方法。一个示例的装置和方法可以使用激光产生的超声波源和单一样本，并且其可以同时包含三个方向上的面内纵向和横向波速的测量。所测得的面内速度可以进而与一个或更多弹性常数例如两个正交方向上的杨氏模量、泊松比和剪切模量在算法上相关。本发明的示例性实施方式可以提供快速且成本有效的手段来获得大致正交各向异性复合材料的弹性特性，并实现复合结构中的材料退化的现场监测。

根据示例性实施方式的一个方面，所述装置包含波发生器、多个换能器以及处理设备。波发生器可以被配置为同时产生穿过层压板沿多个面内方向传播的多个声波。在一个示例中，波发生器可以包含易受能量源诱导而产生超声波的标靶，该能量源被配置为将脉冲引导到标靶上。在一个示例中，能量源可以是超声换能器。

换能器可以被彼此隔开并沿各个面内方向可定位在距波发生器一个或更多已知距离处。在各种示例中，换能器可以被定位在距波发生器相同的已知距离r处，或者一个或更多换能器可以被定位在不同的已知距离处。在任何一种情况下，可以沿各个0°、45°和90°面内方向定位换能器。换能器可以被配置为检测穿过层压板沿各个面内方向传播的声波。附加或可替换地，例如，所述装置可以包含支架臂，换能器被彼此分隔地固定在该支架臂上。在该示例中，支架臂可以是可定位的，从而沿各个0°、45°和90°面内方向定位换能器。

处理设备可以被耦合到换能器并且被配置为根据由换能器探测到的声波的速度的函数同时计算层压板的多个弹性常数。处理设备可以被配置为根据所述已知距离与声波到换能器的到达时间的函数计算所述速度。在一个示例中，面内方向包括正交的第一和第二面内方向。在该示例中，处理设备被配置为同时计算多个弹性常数可以包括其被配置为计算正交的第一个和第二个方向上的杨氏模量、泊松比和剪切模量。

在换能器可以沿各个0°、45°和90°面内方向可定位的更具体示例中，由换能器探测的声波的速度可以包括0°、45°和90°面内方向上的纵向波速和0°面内方向上的横向波速。在该示例中，处理设备可以被配置为基于0°、45°和90°面内方向上的纵向波速、0°面内方向上的横向波速以及层压板的已知密度同时计算杨氏模量、泊松比和剪切模量。

有利地，处理器和存储计算机可读程序代码部分的存储器能够使处理设备确定声波到包含波发生器和换能器的装置的多个换能器处的到达时间，其中波发生器被配置为同时生成穿过层压板沿多个面内方向传播的多个声波，并且其中换能器彼此隔开且沿各个面内方向可定位在距波发生器一个或更多已知距离处。此外，换能器被有利地配置为探测穿过层压板沿各个面内方向传播的声波，确定由换能器检测的声波的到达时间，并且根据由换能器检测的声波的速度的函数同时计算层压板的多个弹性常数，所述速度是根据一个或更多已知距离和声波到换能器的到达时间的函数计算的。

在另一示例中，有利地，波发生器包含易受能量源诱导而产生超声波的标靶，该能量源被配置为将脉冲引导到标靶上。换能器是沿各个0°、45°和90°面内方向可定位的。有利地，所述装置进一步包含支架臂，换能器被彼此分隔地固定在该支架臂上，支架臂是可定位的，从而沿各个0°、45°和90°面内方向定位换能器。面内方向有利地包括正交的第一和第二面内方向。有利地，使处理设备同时计算多个弹性常数包括使其计算正交的第一和第二面内方向上的杨氏模量、泊松比和剪切模量。

在更具体的示例中，换能器是沿各个0°、45°和90°面内方向可定位的，并且由换能器检测的声波的速度包括0°、45°和90°面内方向上的纵向波速和0°面内方向上的横向波速，并且使处理设备基于0°、45°和90°面内方向上的纵向波速、0°面内方向上的横向波速以及层压板的已知密度同时计算杨氏模量、泊松比和剪切模量。

在示例性实施方式的其它方面，提供用于测量层压板的面内弹性常数的处理设备和方法。在此讨论的特征、功能和优势可以在各种示例性实施方式中单独实现，或者在其它示例性实施方式中被结合，其进一步细节可以参考以下说明书和附图来理解。

附图说明

在已经对本发明的示例性实施方式进行概括描述后，现在将参考附图，其不必按比例绘制，其中：

图1示出根据一个示例性实施方式的装置；

图2是示出根据各种示例性实施方式的方法中的各种操作的流程图；

图3是示出根据一个示例性实施方式的飞行器生产和使用方法中的各种操作的流程图；以及

图4是根据一个示例性实施方式的飞行器的框图。

具体实施方式

现在，下文中将参考附图更充分地描述本发明的一些实施方式，在附图中示出了本发明的一些但非全部实施方式。事实上，本发明的各种实施方式可以以许多不同的形式体现，并且其不应当被解读为局限于本文所阐述的实施方式；相反，提供这些示例性实施方式将使本发明全面和完整，并将充分地向本领域技术人员表达本发明的范围。相同的参考数字始终指代相同的元件。

复合层压板上某一点处的应力的一般状态可以由三个方向上的法向应力来表示，也可以由三个平面上的剪切应力来表示。法向应力可以包括：σ₁₁，其表示沿0°（纤维）面内材料主方向（例如x方向）的法向应力；σ₂₂，其表示沿正交的90°面内材料主方向（例如y方向）的法向应力；以及σ₃₃，其表示厚度方向（例如z方向）上的法向应力。在上述内容中，下标1和2可以表示两个面内材料主方向，而下标3可以表示垂直于1-2平面的厚度方向。于是，剪切应力可以包括：σ₂₃，其表示在2-3平面上的剪切应力；σ₃₁，其表示在3-1平面上的应力；以及σ₁₂，其表示在1-2平面上的剪切应力。

每个应力σ₁₁、σ₂₂、σ₃₃、σ₂₃、σ₃₁和σ₁₂可以产生相应的应变ε₁₁、ε₂₂、ε₃₃、ε₂₃、ε₃₁和ε₁₂。对一般正交各向异性固体来说，在材料主坐标系中，弹性应力-应变关系可以写成：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{11}\\ {\mathrm{\σ}}_{22}\\ {\mathrm{\σ}}_{33}\\ {\mathrm{\σ}}_{23}\\ {\mathrm{\σ}}_{31}\\ {\mathrm{\σ}}_{12}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccccc}{C}_{11}& C_{21}& C_{13}& 0& 0& 0\\ C_{12}& C_{22}& C_{23}& 0& 0& 0\\ C_{13}& C_{23}& C_{33}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& C_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& C_{55}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& C_{66}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{11}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{22}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{33}\\ 2{\mathrm{\ϵ}}_{23}\\ 2{\mathrm{\ϵ}}_{31}\\ 2{\mathrm{\ϵ}}_{12}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

在方程式（1）中，C表示刚度张量，其包含若干个分量常数（C₁₁、C₂₂、C₃₃、C₁₂、C₁₃、C₂₃、C₄₄、C₅₅、C₆₆）。

通过求解克里斯多夫（Christoffel）方程可以示出，纵向波和横向波的相速度V_L(θ)、V_T(θ)（对于任意角度θ，二者均在1-2平面上被极化）可以由下列公式给出：

$2\mathrm{\ρ}{V}_L^2\left(\mathrm{\θ}\right)=A+\sqrt{A^2-4C}---\left(2\right)$

$2\mathrm{\ρ}{V}_T^2\left(\mathrm{\θ}\right)=A-\sqrt{A^2-4C}---\left(3\right)$

在方程式（2）和（3）中，ρ表示板密度，而A表示面内刚度。根据上述内容，C和A可以表示如下：

A=C₆₆+C₁₁cos²(θ)+C₂₂sin²(θ)   (4)

C=[C₁₁cos²(θ)+C₆₆sin²(θ)][C₆₆cos²(θ)+C₂₂sin²(θ)]

                                    (5)

-(C₁₂+C₆₆)²cos²(θ)sin²(θ)

在方程式（4）和（5）中设置θ=0°、45°和90°可以得出下列四个独立的方程式来求解四个未知的面内常数C₁₁、C₂₂、C₁₂和C₆₆：

$2\mathrm{\ρ}{V}_L^2\left(0\right)=C_{11}---\left(6\right)$

$2\mathrm{\ρ}{V}_T^2\left(0\right)=C_{66}---\left(7\right)$

$2\mathrm{\ρ}{V}_L^2\left(90\right)=C_{22}---\left(8\right)$

$2{\mathrm{\ρV}}_L^2\left(45\right)=(C_{66}+\frac{C_{22}+C_{11}}{2})+\sqrt{{\left(\frac{C_{11}-C_{22}}{2}\right)}^2+{(C_{11}+C_{66})}^2}---\left(9\right)$

假设上述面内波的平面应力条件（可以认为其对薄复合单层片或层压板是近似精确的）以及三个方向的无外力边界条件，则可以将四个面内刚度常数进一步简化为：

$C_{11}=\frac{E_1}{1-{\mathrm{\υ}}_{21}{\mathrm{\υ}}_{12}}---\left(10\right)$

$C_{22}=\frac{E_2}{1-{\mathrm{\υ}}_{21}{\mathrm{\υ}}_{12}}---\left(11\right)$

$C_{12}=\frac{{\mathrm{\υ}}_{21}{E}_2}{1-{\mathrm{\υ}}_{21}{\mathrm{\υ}}_{12}}---\left(12\right)$

C₆₆=G₁₂   (13)

在上述方程式（10）-（13）中，E₁、E₂、υ₁₂、υ₂₁和G₁₂可以是工程弹性常数，其表示材料主方向上的杨氏模量(E₁,E₂)、泊松比(υ₁₂,υ₂₁)和剪切模量(G₁₂)。

从公式（6）-（13）可以导出工程弹性常数的下列显式表达式：

${\mathrm{\υ}}_{21}=\sqrt{{(2R_L\left(45\right)-R_{\mathrm{TL}}\left(0\right)-\frac{1-R_L\left(90\right)}{2})}^2-{\left(\frac{1-R_L\left(90\right)}{2}\right)}^2}-R_{\mathrm{TL}}\left(0\right)---\left(14\right)$

进而可将方程式（14）中的变量表示如下：

$R_L\left(45\right)=\frac{V_L^2\left(45\right)}{V_L^2\left(0\right)}---(14-a)$

$R_{\mathrm{TL}}\left(45\right)=\frac{V_L^2\left(0\right)}{V_L^2\left(0\right)}---(14-b)$

$R_L\left(90\right)=\frac{V_L^2\left(90\right)}{V_L^2\left(0\right)}---(14-c)$

${\mathrm{\υ}}_{12}=\frac{{\mathrm{\υ}}_{21}}{R_L\left(90\right)}---\left(15\right)$

$E_1=\mathrm{\ρ}{V}_L^2\left(0\right)(1-{\mathrm{\υ}}_{21}{\mathrm{\υ}}_{12})---\left(16\right)$

$E_2=\mathrm{\ρ}{V}_L^2\left(90\right)(1-{\mathrm{\υ}}_{21}{\mathrm{\υ}}_{12})---\left(17\right)$

$G_{12}=\mathrm{\ρ}{V}_T^2\left(0\right)---\left(18\right)$

板密度ρ可以是已知的。因此，方程式（14）-（18）（包括方程式14-a、14b、14-c）表示具有九个未知数（即E₁、E₂、υ₁₂、υ₂₁、G₁₂、V_L(0)、V_L(90)、V_L(45)和V_T(0)）的八个联立方程组。根据本发明的示例性实施方式，可以确定纵向和横向波速V_L(0)、V_L(90)、V_L(45)和V_T(0)，进而可以根据方程式（14）-（18）确定面内杨氏模量(E₁,E₂)、泊松比(υ₁₂,υ₂₁)和剪切模量(G₁₂)。

通过使波沿着板传播并测量波沿着板在各个方向上行进已知距离（例如距离r）所需的行进时间t_arrival，可以用试验方法确定θ=0°、45°和90°方向上的纵向波速V_L和θ=0°方向上的横向波速V_T，这在下面更详细地解释。本发明的示例性实施方式可以主要在薄板背景中描述，其中板的厚度远小于该板的长度和宽度。然而，应当理解，利用与这里所描述的相同或相似的方法甚至可以得到非板状结构的定性结果。可以预计的是，通过使用经验得出的校正因子甚至可以获得非板状结构的定性结果。

图1示出用于测量一般正交各向异性的单片或复合层压板102（例如连续纤维增强的复合单层片或薄层压板）的面内弹性常数的装置100的各种组件。本发明的示例性实施方式的装置和方法可以被用来确定各种机械或结构设备或组件的材料属性变化。例如，可以利用该测试装置和方法来确定形成飞行器的蒙皮或结构组件的其它部分的复合层压板的材料属性变化。类似地，例如，可以采用该装置和方法来检查航天器、船只、汽车或其它车辆或船舶的蒙皮或结构组件的其它部分。在其它示例中，可以采用该装置和方法来检查其它结构，例如建筑物、桥梁等。

根据本发明的一个示例性实施方式，装置100可以包括声波发生器104和可以紧靠层压板102的主表面布置以便与该层压板进行声通信的多个针换能器（pin transducer）106。在各种示例中，波发生器可以被永久地或可移除地固定或嵌入到层压板中。在各种示例中，换能器可以被支架臂108保持在层压板上，其中换能器可以被固定到支架臂108上。在一个示例中，支架臂可以被进一步固定到夹具或其它结构上，该夹具或其他结构被配置为将支架臂并进而将换能器紧靠层压板保持在固定位置。

声波发生器104可以被配置为在多个方向上产生面内声波（例如超声波）。该波发生器可以被配置为以若干不同的方式产生波。在一个示例中，该波发生器可以是易受能量源110诱导而产生超声波的标靶（例如铝箔带），该能量源被配置为将脉冲引导到标靶上。该能量源可以是包括激光源、压电源、换能器（例如超声换能器）等在内的若干合适的源中的任意一种。在各种示例中，在适当时，可以将波束整形透镜或其它元件置于源和标靶之间。

换能器106可以被配置为检测由声波发生器104在各个方向上产生的波，并将声波转换成电波形。所述换能器可以是包括超声换能器、激光干涉仪等在内的若干合适的换能器中的任意一种。换能器可以被彼此隔开地固定到支架臂108上，并且其在各个方向上距波发生器的距离相等。例如，如图所示，换能器可以被分隔地固定在支架臂上，使得换能器能够被定位在距波发生器相等的距离r处。在另一示例中，一个或更多（甚至全部）换能器可以定位在距波发生器不同的距离处。可以按若干不同的方式选择该距离，例如在范围6-15cm中选择。无论与换能器的距离相同还是不同，换能器都可以沿各个0°、45°和90°面内方向定位。在一个示例中，支架臂可以包括圆形或其他弯曲部分，换能器可以被固定在该圆形或其他弯曲部分上。

在各向异性配置中，模量/刚度（以及因此速度）可以有意、定向地相关。波形纵向和剪切分量在时间上可以被其速度隔开并且在幅度上被其与换能器的交互隔开，使得它们可以被换能器106独立地测量。

换能器106和能量源110可以例如通过有线或无线连接被耦合到适当的处理设备112。该处理设备可以被配置为控制由声波发生器104进行的面内声波（例如超声波）的产生。类似地，该处理设备可以被配置为接收来自换能器的电波形。该处理设备可以记录来自各个换能器的波形并确定各个波的到达时间。

波发生器与换能器106之间的距离可以是已知的，因此处理设备112可以被配置为通过用已知距离除以到达时间来确定波速。在这方面，可以确定在θ=0°、45°和90°方向（换能器沿着这些方向定位）上的波速，其可以对应于V_L(0)、V_L(90)、V_L(45)和V_T(0)。然后，处理设备可以被配置为根据如上所述的方程式（14）-（18）计算面内杨氏模量(E₁,E₂)、泊松比(υ₁₂,υ₂₁)和剪切模量(G₁₂)。

根据本发明的示例性实施方式，处理设备112可以用各种手段来实现，包括单独的或在一个或更多计算机程序代码指令指导下的硬件、程序指令或来自计算机可读存储介质的可执行的计算机可读程序代码指令。在一个示例中，可以提供被配置为充当或以其他方式实现该处理设备的一个或更多处理设备。在涉及多于一个处理设备的示例中，可以按若干不同的方式（例如通过电线直接或间接地或无线地）将各个处理设备彼此连接或连通。

通常，本发明的示例性实施方式的一个合适的处理设备可以包含、包括或具体化为一个或更多固定的或便携的电子设备。合适的电子设备的示例包括智能电话、平板计算机、膝上型计算机、台式计算机、工作站计算机、服务器计算机等。处理设备可以包括一个或更多若干组件中的每一个（例如连接到存储器的处理器）。

处理器一般是能够处理信息诸如数据、计算机可读程序代码、指令等（统称为“计算机程序”，例如软件、固件等）和/或其它合适的电子信息的任何一块硬件。更具体地，例如，处理器可以被配置为执行计算机程序，该计算机程序可以被存储在处理器上或以其他方式存储在（相同处理设备或另一处理设备的）存储器中。依据特定的实施方式，处理器可以是若干处理器、多处理器内核或一些其它类型的处理器。此外，处理器可以利用若干异构处理器装置来实现，在该异构处理器装置中，主处理器和一个或更多辅助处理器存在于单个芯片上。作为另一说明性示例，处理器可以是包含多个相同类型的处理器的对称多处理器装置。在又一示例中，处理器可以体现为或包括一个或更多专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）等。因此，虽然处理器能够执行计算机程序来完成一个或更多功能，然而在没有计算机程序的帮助的情况下，各种示例的处理器也能够完成一个或更多功能。

存储器一般是能够暂时性或永久性地存储信息诸如数据、计算机程序和/或其它合适的信息的任何一块硬件。在一个示例中，存储器可以被配置为将各种信息存储在一个或更多数据库中。存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器，并且其可以是固定的或可移除的。合适的存储器的示例包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、硬盘驱动器、闪速存储器、拇指盘驱动器、可移除计算机软磁盘、光盘、磁带或以上各装置的一些组合。光盘可以包括只读光盘存储器（CD-ROM）、读/写光盘（CD-R/W）、DVD等。在各种实例中，存储器可以被称为计算机可读存储介质，其作为能够存储信息的永久设备与能够将信息从一个位置传送到另一位置的计算机可读传输介质例如短暂电子信号是可区分开的。这里所描述的计算机可读介质通常可以指计算机可读存储介质或计算机可读传输介质。

除存储器之外，处理器也可以但是不必须连接到用于显示、传送和/或接收信息的一个或更多接口。所述接口可以包括一个或更多通信接口和/或一个或更多用户接口。通信接口可以被配置为传送信息到其它处理设备、网络等和/或从其它处理设备、网络等接收信息。通信接口可以被配置为通过物理的（利用电线）和/或无线的通信链路来传送和/或接收信息。合适的通信接口的示例包括网络接口控制器（NIC）、无线NIC（WNIC）等。

用户接口可以包括显示器和/或一个或更多用户输入接口。显示器可以被配置为向用户呈现或以其他方式显示信息，其合适的示例包括液晶显示器（LCD）、发光二极管显示器（LED）、等离子显示面板（PDP）等。用户输入接口可以是有线的或无线的，并且其可以被配置为将数据从用户接收至处理设备，例如用来处理、存储和/或显示。用户输入接口的合适的示例包括麦克风、图像或视频捕捉设备、键盘或键区、操纵杆、触摸屏表面（与触摸屏分离或被集成到触摸屏中）、生物统计传感器等。用户接口可以进一步包括用来与外围设备如打印机、扫描仪等进行通信的一个或更多接口。

如上所述，程序代码指令可以被存储在存储器中并由处理器执行，从而实现本文所描述的处理设备的功能。应该认识到的是，可以将任何合适的程序代码指令从计算机可读存储介质中加载到计算机或其它可编程装置上以产生特定机器，使得该特定机器成为用于实现在此指定的功能的工具/装置。这些程序代码指令也可以被存储在能够指导计算机、处理器或其它可编程装置按特定方式运行的计算机可读存储介质中，从而形成特定机器或特定加工品/制品（article of manufacture）。存储在计算机可读存储介质中的指令可以产生制品，其中该制品变成用于实现在此描述的功能的工具/装置。可以从计算机可读存储介质中获取程序代码指令并将其加载到计算机、处理器或其它可编程装置中，从而配置计算机、处理器或其它可编程装置来执行将在计算机、处理器或其它可编程装置上执行的或由计算机、处理器或其它可编程装置执行的操作。

可以连续地进行程序代码指令的获取、加载和执行，使得每次获取、加载和执行一条指令。在一些示例性实施方式中，可以并行地进行获取、加载和/或执行，使得多条指令一起被获取、加载和/或执行。程序代码指令的执行可以形成计算机实施的过程，使得由计算机、处理器或其它可编程装置执行的指令提供用于实现在此描述的功能的操作。

处理器对指令的执行或指令在计算机可读存储介质中的存储支持用于执行指定功能的操作的组合。也应该理解的是，一个或更多功能以及功能的组合可以由执行指定功能的基于专用硬件的计算机系统和/或处理器实现，或者由专用硬件和程序代码指令的组合体实现。

图2示出根据本发明的示例性实施方式的方法200中的各种操作。该方法可以包括紧靠层压板102的主表面布置波发生器104和多个换能器106，如块202所示。该波发生器和多个换能器可以被布置成与层压板进行声通信。在一个示例中，可以紧靠飞行器上包含层压板的部分布置该波发生器和换能器。

如块204所示，该方法可以包括波发生器104同时生成穿过层压板102沿多个面内方向传播的多个声波。在一个示例中，波发生器可以包括标靶，并且能量源可以将脉冲引导到该标靶上从而诱导该标靶产生超声波。

如块206所示，该方法也可以包括换能器106检测穿过层压板沿各个面内方向传播的声波。换能器106可以被彼此隔开并沿着各个面内方向定位在距波发生器一个或更多已知距离处。在各种示例中，换能器可以被定位在距波发生器相等的已知距离r处，或者一个或更多换能器可以被定位在不同的已知距离处。在任何一个示例中，换能器可以沿各个0°、45°和90°面内方向定位。附加或可替换地，例如，该装置可以包括支架臂，换能器被彼此隔开地固定在该支架臂上。在该示例中，支架臂可以被定位以便沿着各个0°、45°和90°面内方向定位换能器。

如块208所示，该方法也可以包括处理设备112根据由换能器检测的声波的速度的函数同时计算层压板的多个弹性常数，其中该速度是根据所述距离和声波到换能器的到达时间的函数计算的。在一个示例中，面内方向包括正交的第一和第二面内方向。在该示例中，同时计算包括正交的第一和第二面内方向上的杨氏模量、泊松比和剪切模量的计算。在换能器沿着各个0°、45°和90°面内方向定位的更具体示例中，由换能器检测的声波的速度可以包括纵向波速V_L(0)、V_L(90)和V_L(45)以及横向波速V_T(0)。在该示例中，同时计算杨氏模量、泊松比和剪切模量可以包括求解如上所提供的方程组（14）-（18）。

本发明的示例性实施方式可以应用于各种潜在的应用，特别是交通运输业，包括诸如航空航天、船舶和汽车应用。因此，现在参考图3和图4，示例性实施方式可以被运用于图3所示的飞行器制造和使用方法300以及图4所示的飞行器400的背景中。在预生产期间，该示例方法可以包括飞行器的规范和设计302、制造顺序和工艺规划304以及材料采购306。在飞行器的规范和设计以及/或者制造顺序和工艺规划期间，可以指定使用所公开的方法。在生产期间，进行飞行器的组件和子装配件制造308以及系统集成310。

在各种示例中，飞行器的多个部分可以包括层压板，并且在组件和子装配件制造过程308或系统集成310中任何一个或两者期间，可以使用所公开的装置和方法来测量这些层压板中的一个或更多个的面内弹性常数。之后，飞行器400可以进行认证和交付312，以便投入使用314。客户使用飞行器时，可以对该飞行器安排日常的维护和维修316（其也可以包括改装、重新配置、翻新等）。在运行时并且在一个示例中的维护和维修期间，可以根据所公开的装置和方法测量飞行器上的一个或更多层压板的面内弹性常数。

示例方法300的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营者（例如客户）来执行或实施。为了该说明书的目的，系统集成商可以包括诸如任意数目的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可以包括诸如任意数目的销售商、分包商和供应商；而运营者可以包括诸如航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。

如图4所示，由示例方法300生产的示例飞行器400可以包括带有多个系统404和内部406的机身402。可以在机身中和/或内舱中使用层压板，该层压板的弹性常数可以根据所公开的装置和方法来测量。高层次系统404的示例包括推进系统408、电气系统410、液压系统412、环境系统414等中的一个或更多个。可以包括任意数目的其它系统404。虽然示出了航空航天示例，然而本发明的原理可以适用于其它工业，例如船舶和汽车工业。

在示例性生产和运行方法300的任意一个或更多阶段期间可以采用这里所包含的系统和方法。例如，对应于生产过程308的组件或子装配件可以包括一个或更多层压板，当飞行器400在使用中314时，可以根据所公开的方法测量该层压板的弹性常数。同样，在生产阶段308和310期间，可以利用一个或更多示例性系统实施方式、方法实施方式或其组合来测量一个或更多层压板的弹性常数，这在一个示例中可以允许识别材料属性的任何变化，该变化可能表明部件的错误加工或退化。这进而可以大幅地加快飞行器400的装配或降低飞行器400的成本。类似地，例如，在飞行器400在使用中314时，可以使用一个或更多示例性系统实施方式、方法实施方式或其组合。

受益于上述说明和相关附图所呈现的教导内容的本发明所属领域的技术人员将想得到本文所阐述的发明的许多修改和其它实施方式。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施方式，并且所附权利要求的范围旨在将修改和其它实施方式包括在内。此外，虽然上述说明和相关附图描述了在元件和/或功能的某些示例性组合的背景中的示例性实施方式，然而，应当认识到在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可以由可替换的实施方式来提供元件和/或功能的不同组合。在这方面，例如，不同于上述明确描述的元件和/或功能的不同组合也是可预期的，其可能在一些所附权利要求中被阐述。虽然本文采用了具体的术语，但是其仅用于通用和描述性意义，并非为了限制的目的。

Claims (14)

1.一种装置（100），其包含：

波发生器（104），其被配置为同时生成穿过层压板（102）沿多个面内方向传播的多个声波；

多个换能器（106），其彼此隔开并沿各个面内方向可定位在距所述波发生器（104）一个或更多已知距离处，所述换能器（106）被配置为检测穿过所述层压板（102）沿各个面内方向传播的声波；以及

处理设备（112），其被耦合到所述换能器（106）并被配置为根据由所述换能器（106）检测的声波的速度的函数同时计算所述层压板（102）的多个弹性常数，所述处理设备（112）被配置为根据所述一个或更多已知距离和所述声波到所述换能器（106）的到达时间的函数计算所述速度。

2.根据权利要求1所述的装置（100），其中所述波发生器（104）包含易受能量源（110）诱导而产生超声波的标靶，所述能量源（110）被配置为将脉冲引导到所述标靶上。

3.根据权利要求1所述的装置（100），其中所述换能器（106）能够沿各个0°、45°和90°面内方向定位。

4.根据权利要求3所述的装置（100），其进一步包含：

支架臂（108），所述换能器（106）被彼此分隔地固定在所述支架臂上，所述支架臂（108）能够被定位从而沿各个0°、45°和90°面内方向定位所述换能器（106）。

5.根据权利要求1所述的装置（100），其中所述面内方向包括正交的第一和第二面内方向，并且

其中所述处理设备（112）被配置为同时计算所述多个弹性常数包括其被配置为计算在所述正交的第一和第二面内方向上的杨氏模量、泊松比和剪切模量。

6.根据权利要求5所述的装置（100），其中所述换能器（106）能够沿各个0°、45°和90°面内方向定位，由所述换能器（106）检测的声波的速度包括在所述0°、45°和90°面内方向上的纵向波速度和在所述0°面内方向上的横向波速度，以及

其中所述处理设备（112）被配置为基于在所述0°、45°和90°面内方向上的纵向波速度、在所述0°面内方向上的横向波速度以及所述层压板（102）的已知密度同时计算杨氏模量、泊松比和剪切模量。

7.一种方法（200），其包括：

由波发生器（104）同时生成穿过层压板（102）沿多个面内方向传播的多个声波；

由多个换能器（106）检测穿过所述层压板（102）传播的声波，所述换能器（106）彼此隔开并沿各个面内方向被定位在距所述波发生器（104）一个或更多已知距离处，所述换能器（106）被配置为检测穿过所述层压板（102）沿各个面内方向传播的声波；以及

根据由所述换能器（106）检测的声波的速度的函数同时计算所述层压板（102）的多个弹性常数，所述速度是根据所述一个或更多已知距离和所述声波到所述换能器（106）的到达时间的函数计算的。

8.根据权利要求7所述的方法（200），其中所述波发生器包含标靶，并且同时生成所述多个声波包括能量源（110）将脉冲引导到所述标靶从而诱导所述标靶生成超声波。

9.根据权利要求7所述的方法（200），其进一步包括：

紧靠所述层压板（102）的主表面布置所述波发生器（104）和换能器（106）以便与所述层压板（102）进行声通信。

10.根据权利要求7所述的方法（200），其中所述换能器（106）沿各个0°、45°和90°面内方向定位。

11.根据权利要求10所述的方法（200），其中所述装置（100）进一步包含支架臂（108），所述换能器（106）被彼此分隔地固定在所述支架臂上，所述支架臂（108）被定位从而沿各个0°、45°和90°面内方向定位所述换能器（106）。

12.根据权利要求7所述的方法（200），其中所述面内方向包括正交的第一和第二面内方向，并且

其中同时计算所述多个弹性常数包括计算所述正交的第一和第二面内方向上的杨氏模量、泊松比和剪切模量。

13.根据权利要求12所述的方法（200），其中沿各个0°、45°和90°面内方向定位所述换能器（106），由所述换能器（106）检测的声波的速度包括所述0°、45°和90°面内方向上的纵向波速和所述0°面内方向上的横向波速，以及

其中基于所述0°、45°和90°面内方向上的所述纵向波速、所述0°面内方向上的所述横向波速以及所述层压板（102）的已知密度同时计算所述杨氏模量、泊松比和剪切模量。

14.根据权利要求7所述的方法（200），其进一步包括：

紧靠包括所述层压板（102）的飞行器的一部分布置所述波发生器（104）和所述换能器（106）。

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