CN104990982B - 一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无损检测技术领域,涉及一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法。本发明方法利用不同波长入射脉冲超声波在蒙皮/蜂窝芯连接层、蜂窝芯连接层/蜂窝壁、蜂窝芯连接层/蜂窝格界面形成的反射回波信号,通过建立相应的转换函数进行缺陷判别和超声成像。可选择不同入射脉冲超声波频率、换能器及其声束直径、扫描步进、声学耦合方式及超声自动扫描设备等,实现不同胶接、焊接等蜂窝夹芯结构的超声自动扫描成像检测。实际检测效果表明,显著地提高了蜂窝芯结构检测灵敏度和分辨率及检测能力,可准确检出蒙皮/蜂窝芯、蒙皮/连接层、连接层/蜂窝格之间的缺陷和结合情况,大大提高了检测的可靠性。

Description

一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域,涉及一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法。
背景技术
随着复合材料蜂窝夹芯结构及金属蜂窝夹芯结构在航空航天、交通等工业领域的应用广泛,通常采用胶接和焊接等工艺制造成各种各样的蜂窝夹芯结构,需要对装机应用的蜂窝夹芯结构进行自动扫描无损检测,确保装机结构的质量和服役安全。目前主要是采用的两种检测方法:(1)X-射线数字成像检测方法,其主要不足是:1)只能检出蜂窝芯本身的缺陷,难以检出蒙皮/蜂窝芯连接界面的缺陷;2)成本高;3)需要严格的射线防护;4)不环保;(2)超声检测方法,多采用穿透法检测,其主要不足是:1)多采用平面换能器和低频换能器,分辨率低,难以得到每个蜂窝芯格与蒙皮的连接情况;2)对于大厚度蜂窝芯,因声波衰减异常剧烈,检测困难;3)换能器需要从零件两侧接近被检测零件,从而需要复杂的同步扫描机构和严格的喷水耦合控制及水净化要求;4)不能确定检出缺陷的深度位置。
发明内容
本发明的目的是针对复合材料及金属蜂窝夹芯结构,提出一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,实现复合材料蜂窝夹芯结构及金属蜂窝夹芯结构的超声成像检测,改进超声检测的灵敏度和分辨率,提高对胶接和焊接蜂窝夹芯结构中蒙皮、蒙皮/蜂窝芯、蜂窝芯/连接层之间的缺陷的检出能力和检测的可靠性。
本发明的技术解决方案是,
采用脉冲反射法,利用自动扫描超声成像检测系统进行蜂窝夹芯结构超声成像检测,自动扫描超声成像检测系统包括换能器、超声单元、信号处理单元、机械扫查机构、扫查控制单元和成像系统,其特征是,
通过自动扫描超声成像检测系统中的换能器向被检测蜂窝芯夹层结构发射宽带窄脉冲超声信号up,此宽带窄脉冲超声信号up通过换能器与蜂窝夹芯结构表面之间的声学耦合剂传播到被检测蜂窝夹芯结构的蒙皮表面,并在被检测蜂窝夹芯结构的蒙皮表面形成超声反射和折射后,在蜂窝夹芯结构的蒙皮表面形成反射宽带窄脉冲超声信号uf和透射宽带窄脉冲超声信号ut,其中,透射宽带窄脉冲超声信号ut经过蜂窝夹芯结构的蒙皮后传播到蒙皮/蜂窝芯连接层,形成新的超声反射/折射,
1)当ut的波长λ<<hi时,这里,hi为蜂窝芯连接层的厚度,此时,
①换能器接收到来自蜂窝夹芯结构的蒙皮/蜂窝芯连接层的反射宽带窄脉冲超声信号ub表示为:
对应的成像信号G表示为:
G=kub;(1b)
这里,G—为成像信号,其域值范围为[0,255],
k—为调制系数,根据ub的大小和超声单元的增益,由试验设定。
②换能器接收到来蜂窝芯连接层/蜂窝壁界面反射的宽带窄脉冲超声信号u′b表示为:
对应的成像信号G′表示为:
G′=ku′b; (2b)。
G′的域值范围为[0,255],
③换能器接收到来蜂窝芯连接层/蜂窝格界面反射的宽带窄脉冲超声信号u″b表示为:
u″b≈-(1-ub); (3a)
对应的成像信号G″表示为:
G″=ku″b; (3b)。
G″的域值范围为[0,255],
这里,
ρ1—为换能器与被检测蜂窝夹芯结构之间的声学耦合介质的密度,
ρ2—为蒙皮的材料的密度,
ρ3—当蒙皮/蜂窝芯连接层界面没有缺陷时,ρ3为蜂窝芯连接层的材料的密度,当蜂窝夹芯结构的蒙皮/蜂窝芯连接层界面存在脱粘缺陷时,ρ3近似为空气的密度,
ρ4—当蜂窝夹芯结构的蒙皮/蜂窝壁界面没有缺陷时,ρ4为蜂窝芯的材料的密度,当蜂窝夹芯结构的蒙皮/蜂窝壁界面有缺陷时,ρ4近似为空气的密度,
c1—为换能器与被检测蜂窝夹芯结构之间的声学耦合介质中的声速,
c2—为蒙皮中的声速,
c3—当蒙皮/蜂窝芯连接层界面没有缺陷时,c3为蜂窝芯连接层中的声速,当蒙皮/蜂窝芯连接层界面出现脱粘缺陷时,c3近似为空气中的声速,
c4—当蒙皮/蜂窝壁界面没有缺陷时,c4为蜂窝芯中的声速,当蒙皮/蜂窝壁界面有缺陷时,c4近似为空气中的声速,
进行缺陷判别:
①根据换能器接收到来自蜂窝夹芯结构中的蒙皮/蜂窝芯连接层界面的反射宽带窄脉冲超声信号ub,按照式判别蒙皮/蜂窝芯连接层界面的缺陷,按照式(1b)将反射宽带窄脉冲超声信号ub转换为成像信号G;
②根据换能器接收到来蜂窝芯连接层/蜂窝壁界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′b,按照式(2a)判别蜂窝芯连接层/蜂窝壁界面的缺陷,按照式(2b)将反射宽带窄脉冲超声信号u′b转换为成像信号G′,按照式(3a)判别蜂窝芯连接层/蜂窝格界面,按照式(3b)将反射宽带窄脉冲超声信号u″b转换为成像信号G″;
2)当ut的波长λ>>hi时,此时,ut只会形成蒙皮/蜂窝壁界面的反射宽带窄脉冲超声信号uc和蒙皮/蜂窝格界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′c,分别表示为:
对应蜂窝芯连接层/蜂窝壁界面的成像信号Gc和蒙皮/蜂窝格界面的成像信号G′c分别表示为:
Gc=kuc; (4b)
G′c=ku′c; (5b)
Gc和G′c的域值范围为[0,255],
进行缺陷判别:
根据换能器接收到来自蒙皮/蜂窝壁界面的反射宽带窄脉冲超声信号uc和蒙皮/蜂窝格界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′c,按照式(4a)和式(5a)判别蒙皮/蜂窝壁界面的缺陷,按照式(4b)和式(5b)将对应的反射宽带窄脉冲超声信号uc和u′c转换为成像信号。
根据被检测蜂窝夹芯结构、工艺的特点和检测要求,选择入射脉冲超声波的频率,用于检测蒙皮/蜂窝芯连接层界面为胶接或焊接而成的蜂窝夹芯结构,频率在5—15MHz之间选择。
换能器与被检测蜂窝夹芯结构之间采用喷液耦合、液膜接触耦合或液浸耦合方式。
换能器与被蜂窝夹芯结构之间的声学耦合介质选用:水、油、冷却液或者其他液体耦合剂,以适应不同材料被检测结构或者零件在不同环境条件下的超声成像检测。
换能器的声束直径大小du按下式选择,
du≤min{Li,dj}; (6)
这里,i=1,2,3,4,5,6,
j=1,2,3,
Li—表示蜂窝芯格的第i条边的边长,
dj—表示第j条蜂窝芯格相对两平行边的边长,
min—表示取最小值,
换能器(1)与蜂窝夹芯结构零件表面之间的距离hf按下式选择,
hf=df±0.5dw; (7)
这里,df—为换能器的焦距,
dw—为换能器的焦柱。扫描步进S按下式选择,
S≤(0.5~0.7)×min{Li,dj}; (8)。
根据蜂窝夹芯结构的工艺特点,选择相应的换能器用于胶接蜂窝夹芯结构和焊接蜂窝夹芯结构以及其他蜂窝夹芯结构的检测与缺陷判别。
本发明具有的优点和有益效果,
1.针对复合材料蜂窝夹芯结构及金属蜂窝夹芯结构的自动扫描无损检测,本发明提出采用高分辨率超声反射法,利用不同波长入射脉冲超声波在蒙皮/蜂窝芯连接层、蜂窝芯连接层/蜂窝壁、蜂窝芯连接层/蜂窝格界面形成的反射回波信号,通过建立相应的转换函数进行缺陷判别和超声成像,换能器只需从一侧接近蜂窝芯结构,入射声波不需要穿透蜂窝芯,从而大大提高了大厚度蜂窝芯的检测能力。
2.本发明提出的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,采用小声束扫描技术,分辨率得到显著提高,能够准确检出蒙皮/蜂窝芯格之间的缺陷以及蒙皮/连接层、连接层/蜂窝芯格之间的缺陷和结合情况,显著地提高了超声自动扫描检测对复合材料及金属蜂窝芯结构陷的检测灵敏度和分辨率及检测能力。
3.利用本发明提出的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,可以准确地确定检出缺陷在蜂窝夹芯结构中的深度,从而为工艺改进提供了十分重要的支撑数据信息。
4.本发明提出的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,通过选用自适应跟踪换能器,不需要从零件两侧对被检测蜂窝芯结构进行形面跟踪,大大地简化了超声自动扫描机构的复杂程度,对喷水耦合无严格要求,无需水净化系统,从而显著地减低了制造成本和检测成本,大大提高了检测的可靠性。
附图说明
图1是本发明基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法原理示意图(λ<<hi),其中:图1(a)为蜂窝夹芯结构检测原理示意图,图1(b)为入射声波在蜂窝夹芯结构2中的蒙皮2a、蜂窝芯连接层2b和蜂窝壁2c中传播示意图,图1(c)为入射声波在蜂窝夹芯结构2中的蒙皮2a、蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b和蜂窝格2d中传播示意图,图1(d)为蜂窝格2d的形状、边长示意图。
图2是本发明基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法原理示意图(λ>>hi),其中:图2(a)为入射声波在蜂窝夹芯结构2中的蒙皮2a、蜂窝壁2c中传播示意图,图2(b)为入射声波在蜂窝夹芯结构2中的蒙皮2a和蜂窝格2d中传播示意图。
图3是本发明基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法原理组成。
具体实施方式
采用脉冲反射法,利用自动扫描超声成像检测系统进行蜂窝夹芯结构超声成像检测,蜂窝夹芯结构由蒙皮2a、蜂窝芯连接层2b、蜂窝壁2c和蜂窝格2d组成,蜂窝壁2c的两端头分别通过胶接或焊接与其两侧的蒙皮2a连接,进而构成蜂窝夹芯结构,如图1所示,自动扫描超声成像检测系统包括换能器1、超声单元3、信号处理单元4、机械扫查机构5、扫查控制单元6和成像系统7,如图3所示,
通过自动扫描超声成像检测系统中的换能器1向被检测蜂窝芯夹层结构2发射宽带窄脉冲超声信号up,此宽带窄脉冲超声信号up通过换能器与蜂窝夹芯结构2表面之间的声学耦合剂传播到被检测蜂窝夹芯结构2的蒙皮2a表面,并在被检测蜂窝夹芯结构2的蒙皮表面形成超声反射和折射后,在蜂窝夹芯结构2的蒙皮2a表面形成反射宽带窄脉冲超声信号uf和透射宽带窄脉冲超声信号ut,其中,透射宽带窄脉冲超声信号ut经过蜂窝夹芯结构2的蒙皮2a后传播到蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b,形成新的超声反射/折射,
1)当ut的波长λ<<hi时,这里,hi为蜂窝芯连接层2b的厚度,此时,
①换能器1接收到来自蜂窝夹芯结构2的蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b的反射宽带窄脉冲超声信号ub表示为:
如图1(b)所示,对应的成像信号G表示为:
G=kub; (1b)
这里,G—为成像信号,其域值范围为[0,255],
k—为调制系数,根据ub的大小和超声单元的增益,由试验设定。
②换能器1接收到来蜂窝芯连接层2b/蜂窝壁2c界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′b表示为:
如图1(c)所示,对应的成像信号G′表示为:
G′=ku′b; (2b)
G′的域值范围为[0,255],
③换能器1接收到来蜂窝芯连接层2b/蜂窝格2d界面反射的宽带窄脉冲超声信号u″b表示为:
u″b≈-(1-ub); (3a)
对应的成像信号G″表示为:
G″=ku″b; (3b)
G″的域值范围为[0,255],
这里,
ρ1—为换能器1与被检测蜂窝夹芯结构2之间的声学耦合介质的密度,
ρ2—为蒙皮2a的材料的密度,
ρ3—当蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b界面没有缺陷时,ρ3为蜂窝芯连接层2b的材料的密度,当蜂窝夹芯结构2的蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b界面存在脱粘缺陷时,ρ3近似为空气的密度,
ρ4—当蜂窝夹芯结构的蒙皮2a/蜂窝壁2c界面没有缺陷时,ρ4为蜂窝壁2c的材料的密度,当蜂窝夹芯结构的蒙皮2a/蜂窝壁2c界面有缺陷时,ρ4近似为空气的密度,
c1—为换能器1与被检测蜂窝夹芯结构2之间的声学耦合介质中的声速,
c2—为蒙皮2a中的声速,
c3—当蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b界面没有缺陷时,c3为蜂窝芯连接层2b中的声速,当蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b界面出现脱粘缺陷时,c3近似为空气中的声速,
c4—当蒙皮2a/蜂窝壁2c界面没有缺陷时,c4为蜂窝壁2c中的声速,当蒙皮2a/蜂窝壁2c界面有缺陷时,c4近似为空气中的声速,
进行缺陷判别:
①根据换能器1接收到来自蜂窝夹芯结构2中的蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b界面的反射宽带窄脉冲超声信号ub,按照式(1a)判别蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b界面的缺陷,按照式(1b)将反射宽带窄脉冲超声信号ub转换为成像信号G。
②根据换能器1接收到来蜂窝芯连接层2b/蜂窝壁2c界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′b,按照式(2a)判别蜂窝芯连接层2b/蜂窝壁2c界面的缺陷,按照式(2b)将反射宽带窄脉冲超声信号u′b转换为成像信号G′,按照式(3a)判别蜂窝芯连接层2b/蜂窝格2d界面,按照式(3b)将反射宽带窄脉冲超声信号u″b转换为成像信号G″。
2)当ut的波长λ>>hi时,此时,ut只会形成蒙皮2a/蜂窝壁2c界面的反射宽带窄脉冲超声信号uc和蒙皮2a/蜂窝格2d界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′c,分别表示为:
分别如图2(a)和图2(b)所示,。
对应蜂窝芯连接层2b/蜂窝壁2c界面的成像信号Gc和蒙皮2a/蜂窝格2d界面的成像信号G′c分别表示为:
Gc=kuc; (4b)
G′c=ku′c; (5b)
Gc和G′c的域值范围[0,255],
当所选用的入射声波的波长λ>>hi时,根据换能器1接收到来自蒙皮2a/蜂窝壁2c界面的反射宽带窄脉冲超声信号uc和蒙皮2a/蜂窝格2d界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′c,按照式(4a)和式(5a)判别蒙皮2a/蜂窝壁2c界面的缺陷,按照式(4b)和式(5b)将对应的反射宽带窄脉冲超声信号uc和u′c分别转换为成像信号Gc和G′c
根据被检测蜂窝夹芯结构、工艺的特点和检测要求,选择入射脉冲超声波的频率,用于检测蒙皮2a/蜂窝芯连接层2b界面为胶接或焊接而成的蜂窝夹芯结构,频率在5—15MHz之间选择。
换能器1与被检测蜂窝夹芯结构2之间采用喷液耦合、液膜接触耦合或液浸耦合方式。
换能器1与被蜂窝夹芯结构2之间的声学耦合介质选用:水、油、冷却液或者其他液体耦合剂,以适应不同材料被检测结构或者零件在不同环境条件下的超声成像检测。
换能器1的声束直径(大小)du按式(6)选择,
du≤min{Li,dj}; (6)
这里,i=1,2,3,4,5,6,
j=1,2,3,
Li—表示蜂窝芯格的第i条边的边长,参见图1(d)所示,
dj—表示第j条蜂窝芯格相对两平行边的边长,参见图1(d)所示,
min—表示取最小值,
换能器1与蜂窝夹芯结构零件表面之间的距离hf按式(7)选择,
hf=df±0.5dw; (7)
这里,df—为换能器1的焦距,
dw—为换能器1的焦柱。
扫描步进S按式(8)选择,
S≤(0.5~0.7)×min{Li,dj}; (8)。
根据蜂窝夹芯结构的工艺特点,选择相应的换能器1,用于胶接蜂窝夹芯结构和焊接蜂窝夹芯结构以及其他蜂窝夹芯结构的检测与缺陷判别。
换能器的选择:可以根据蜂窝夹芯结构的工艺特点,选择相应的换能器1,用于胶接蜂窝夹芯结构和焊接蜂窝夹芯结构以及其他蜂窝夹芯结构的检测与缺陷判别,推荐选用中航复合材料有限责任公司生产的FJ系列高分辨率超声换能器。
蜂窝夹芯结构自动扫描超声成像检测系统成像过程,
1)蜂窝夹芯结构自动扫描超声成像检测系统包括换能器1、超声单元3、信号处理单元4、机械扫查机构5、扫查控制单元6和成像系统7,如图3所示。换能器1采用具有自适应跟踪能力的高分辨率脉冲超声喷水式或者水膜式换能器,换能器1安装在机械扫查机构5中的换能器1安装座上,机械扫查机构5与扫查控制单元6连接,扫查控制单元6与成像系统7通过总线连接,在扫查控制单元6的控制下,实现换能器1对被检测夹芯结构的自动扫描,并将换能器1的每个检测点位置实时传送到成像系统7中;超声单元3的发射/接收I/O端与换能器1的信号端通过高频同轴电缆连接,超声单元3的信号输出端与信号处理单元4的模拟信号输入端连接,信号处理单元4通过PCI总线方式与成像系统7连接,由超声单元3对换能器1接收到的来自被检测夹芯结构2的超声脉冲信号进行放大、滤波等处理后,通过其信号输出端送到,由信号处理单元4,由其转换为数字信号,并实时换能器1的每个检测点超声信号实时传送到成像系统7中,由成像系统7利用实时得到的每个检测点超声信号和检测点位置,按照选定的成像方式,实现检测结果的成像显示。
2)根据被检测蜂窝夹芯结构的几何特征和制造工艺特点,可以选择包含有换能器1、超声单元3、信号处理单元4、机械扫查机构5、扫查控制单元6和成像系统7等功能的自动扫描超声成像检测系统,用于实现本发明专利中的蜂窝夹芯结构自动扫描的超声成像检测方法,其中,机械扫查机构5和扫查控制单元6根据被检测夹芯结构的形面复杂程度和大小,可选择具有能实现换能器1的(x,y,z)位置调节和(α,β,θ)姿态调节的自动扫描超声成像检测系统。这里,
x,y,z—为换能器1在被检测蜂窝夹芯结构中的坐标位置,
α—为换能器1在x方向的摆角,
β—为换能器1在y方向的摆角,
θ—为换能器1在z方向的摆角,
根据被检测蜂窝夹芯结构的几何形状和尺寸等特点,选用1-6个坐标自由度的超声自动扫描检测设备,实现不同形状、尺寸的蜂窝夹芯结构超声成像检测,推荐使用中航复合材料有限责任公司生产的MUI和CUS系列超声自动扫描检测设备。
3)蜂窝夹芯结构超声成像检测方法步骤是,
①换能器选择
根据被检测蜂窝夹芯结构几何特征和工艺、检测要求,选择换能器1、超声自动扫描检测设备,确定自动扫描方向和步进方向,
②零件装卡
将被检测蜂窝夹芯结构2放置到所选择超声自动扫描检测设备的检测工位,检查无误后,接通电源,开启检测设备,并进入超声自动扫描成像检测窗口,
③参数设置
控制程序加载与自检;调节换能器1与蜂窝夹芯结构表面之间的距离;设置扫描速度、步进、扫描范围;设置采样频率,信号闸门参数,
④扫描成像
a)判断是否开始自动扫描,如果不进入自动扫描,则等待扫描,否则执行下一步;
b)开始行扫描;
c)获取当前行扫描中检测位置点位置信号和超声信号;
d)超声信号转化为成像信号数据;
e)成像信号数据缓存;
f)判断当前行是否结束,如未结束,重复执行步骤c)到e);如果已结束,当前行成像数据保存到对应的行位置,并显示当前扫描行图像;
g)判断零件扫描是否完成,如未完成,扫描步进后,重复步骤b)到f);如果已完成零件扫描,结束扫描,进入图像分析。
实施例一
选择中航复合材料有限责任公司生产的MUI-21和CUS-6000超声自动扫描检测设备和5MHz的FJ-1高分辨率超声换能器和10MHz高分辨率超声换能器,分别采用水膜耦合和喷水对碳纤维复合材料蒙皮/NOMEX蜂窝夹芯结构进行了系列的实际检测应用,复合材料蜂窝夹芯结构的大小在300×500mm—1500×5000mm不等,
复合材料蜂窝夹芯结构的检测
将被检测复合材料蜂窝夹芯结构置于工作台上,换能器频率选择5MHz,采用CUS-6000超声检测设备进行自动扫描检测,由CUS-6000超声检测设备将能器接收到来自复合材料蜂窝夹芯结构中的超声检测信号自动转化为图像信号,根据CUS-6000超声检测设备显示屏上显示的成像信号,按照式(2b)和式(3b)进行缺陷判别。
实施例二
选择中航复合材料有限责任公司生产的MUI-21和CUS-6000超声自动扫描检测设备和5MHz的FJ-1高分辨率超声换能器和10MHz高分辨率超声换能器,分别采用水膜耦合和喷水对金属蒙皮/钎焊蜂窝夹芯结构进行了系列的实际检测应用,钎焊蜂窝夹芯结构的大小在500×1500mm—1500×2000mm不等,
钎焊蜂窝夹芯结构的检测
将被检测钎焊蜂窝夹芯结构置于工作台上,换能器频率选择10MHz,采用CUS-6000超声检测设备进行自动扫描检测,由CUS-6000超声检测设备将换能器接收到来自钎焊蜂窝夹芯结构中的超声检测信号自动转化为图像信号,根据CUS-6000超声检测设备显示屏上显示的成像信号,按照式(2b)和式(3b)进行缺陷判别。
检测应用结果表明,本发明可检测出蜂窝夹芯结构中Ф3mm的缺陷,可以非常清晰地再现蜂窝芯形状及蒙皮/蜂窝芯、蒙皮/蜂窝芯连接层、蜂窝芯连接层/蜂窝芯之间的缺陷和结合情况,取得了很好的实际检测效果。

Claims (7)

1.一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,采用脉冲反射法,利用自动扫描超声成像检测系统进行蜂窝夹芯结构超声成像检测,自动扫描超声成像检测系统包括换能器(1)、超声单元(3)、信号处理单元(4)、机械扫查机构(5)、扫查控制单元(6)和成像系统(7),其特征是,
通过自动扫描超声成像检测系统中的换能器(1)向被检测蜂窝芯夹层结构(2)发射宽带窄脉冲超声信号up,此宽带窄脉冲超声信号up通过换能器与蜂窝夹芯结构(2)表面之间的声学耦合剂传播到被检测蜂窝夹芯结构(2)的蒙皮(2a)表面,并在被检测蜂窝夹芯结构(2)的蒙皮表面形成超声反射和折射后,在蜂窝夹芯结构(2)的蒙皮(2a)表面形成反射宽带窄脉冲超声信号uf和透射宽带窄脉冲超声信号ut,其中,透射宽带窄脉冲超声信号ut经过蜂窝夹芯结构(2)的蒙皮(2a)后传播到蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b),形成新的超声反射/折射,
1)当ut的波长λ<<hi时,这里,hi为蜂窝芯连接层(2b)的厚度,此时,
①换能器(1)接收到来自蜂窝夹芯结构(2)的蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b)的反射宽带窄脉冲超声信号ub表示为:
对应的成像信号G表示为:
G=kub; (1b)
这里,G—为成像信号,其域值范围为[0,255],
k—为调制系数,根据ub的大小和超声单元的增益,由试验设定,
②换能器(1)接收到来蜂窝芯连接层(2b)/蜂窝壁(2c)界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′b表示为:
对应的成像信号G′表示为:
G′=ku′b; (2b),
G′的域值范围为[0,255],
③换能器(1)接收到来蜂窝芯连接层(2b)/蜂窝格(2d)界面的反射宽带窄脉冲超声信号u″b表示为:
u″b≈-(1-ub); (3a)
对应的成像信号G″表示为:
G″=ku″b; (3b),
G″的域值范围为[0,255],
这里,
ρ1—为换能器(1)与被检测蜂窝夹芯结构(2)之间的声学耦合介质的密度,
ρ2—为蒙皮(2a)的材料的密度,
ρ3—当蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b)界面没有缺陷时,ρ3为蜂窝芯连接层(2b)的材料的密度,当蜂窝夹芯结构(2)的蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b)界面存在脱粘缺陷时,ρ3近似为空气的密度,
ρ4—当蜂窝夹芯结构的蒙皮(2a)/蜂窝壁(2c)界面没有缺陷时,ρ4为蜂窝壁(2c)的材料的密度,当蜂窝夹芯结构的蒙皮(2a)/蜂窝壁(2c)界面有缺陷时,ρ4近似为空气的密度,
c1—为换能器(1)与被检测蜂窝夹芯结构(2)之间的声学耦合介质中的声速,
c2—为蒙皮(2a)中的声速,
c3—当蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b)界面没有缺陷时,c3为蜂窝芯连接层(2b)中的声速,当蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b)界面出现脱粘缺陷时,c3近似为空气中的声速,
c4—当蒙皮(2a)/蜂窝壁(2c)界面没有缺陷时,c4为蜂窝壁(2c)中的声速,当蒙皮(2a)/蜂窝壁(2c)界面有缺陷时,c4近似为空气中的声速,
进行缺陷判别:
①根据换能器(1)接收到来自蜂窝夹芯结构(2)中的蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b)界面的反射宽带窄脉冲超声信号ub,按照式(1a)判别蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b)界面的缺陷,按照式(1b)将反射宽带窄脉冲超声信号ub转换为成像信号G;
②根据换能器(1)接收到来蜂窝芯连接层(2b)/蜂窝壁(2c)界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′b,按照式(2a)判别蜂窝芯连接层(2b)/蜂窝壁(2c)界面的缺陷,按照式(2b)将反射宽带窄脉冲超声信号u′b转换为成像信号G′,按照式(3a)判别蜂窝芯连接层(2b)/蜂窝格(2d)界面,按照式(3b)将反射宽带窄脉冲超声信号u″b转换为成像信号G″;
2)当ut的波长λ>>hi时,此时,ut只会形成蒙皮(2a)/蜂窝壁(2c)界面的反射宽带窄脉冲超声信号uc和蒙皮(2a)/蜂窝格(2d)界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′c,分别表示为:
对应蜂窝芯连接层(2b)/蜂窝壁(2c)界面的成像信号Gc和蒙皮(2a)/蜂窝格(2d)界面的成像信号G′c分别表示为:
Gc=kuc; (4b)
G′c=ku′c; (5b)
Gc和G′c的域值范围为[0,255],
进行缺陷判别:
根据换能器(1)接收到来自蒙皮(2a)/蜂窝壁(2c)界面的反射宽带窄脉冲超声信号uc和蒙皮(2a)/蜂窝格(2d)界面的反射宽带窄脉冲超声信号u′c,按照式(4a)和式(5a)判别蒙皮(2a)/蜂窝壁(2c)界面的缺陷,按照式(4b)和式(5b)将对应的反射宽带窄脉冲超声信号uc和u′c转换为成像信号。
2.根据权利要求 1所述的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,其特征是,根据被检测蜂窝夹芯结构、工艺的特点和检测要求,选择入射脉冲超声波的频率,用于检测蒙皮(2a)/蜂窝芯连接层(2b)界面为胶接或焊接而成的蜂窝夹芯结构,频率在5—15MHz之间选择。
3.根据权利要求 1所述的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,其特征是,换能器(1)与被检测蜂窝夹芯结构(2)之间采用喷液耦合、液膜接触耦合或液浸耦合方式。
4.根据权利要求 1所述的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,其特征是,换能器(1)与被蜂窝夹芯结构(2)之间的声学耦合介质选用:水或者油,以适应不同材料被检测结构或者零件在不同环境条件下的超声成像检测。
5.根据权利要求 1所述的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,其特征是,换能器(1)的声束直径大小du按下式选择,
du≤min{Li,dj}; (6)
这里,i=1,2,3,4,5,6,
j=1,2,3,
Li—表示蜂窝芯格的第i条边的边长,
dj—表示第j条蜂窝芯格相对两平行边的边长,
min—表示取最小值,
换能器(1)与蜂窝夹芯结构零件表面之间的距离hf按下式选择,
hf=df±0.5dw; (7)
这里,df—为换能器(1)的焦距,
dw—为换能器(1)的焦柱。
6.根据权利要求 5所述的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,其特征是,扫描步进S按下式选择,
S≤(0.5~0.7)×min{Li,dj}; (8)。
7.根据权利要求 1所述的一种基于自动扫描的蜂窝夹芯结构超声成像检测方法,其特征是,根据蜂窝夹芯结构的工艺特点,选择相应的换能器(1)用于胶接蜂窝夹芯结构和焊接蜂窝夹芯结构以及其他蜂窝夹芯结构的检测与缺陷判别。
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