CN105004793A - 一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法。本发明方法利用大量冲击脉冲波在复合材料泡沫结构中形成的超声波，通过构建超声波在复合材料泡沫结构中的传递函数，建立超声波与复合材料泡沫结构不同部位缺陷的数理关系，进行缺陷判别和超声检测；可选择不同类型、大小和频率的冲击脉冲超声波以及超声检测实现方法，实现不同复合材料泡沫结构的超声检测。实际检测效果表明，显著地提高了复合材料泡沫结构检测灵敏度和分辨率及检测能力，可准确检出蒙皮、蒙皮/泡沫胶接区、泡沫/泡沫胶接区及泡沫区的缺陷和结合情况，大大提高了检测的可靠性，泡沫检测厚度可到100mm。

Description

一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法。

背景技术

复合材料泡沫结构作为一种超轻结构，已在航空航天、交通等工业领域应用广泛，通过选用不同复合材料与泡沫材料、设计不同形状和厚度的泡沫胶接工艺，可以制造出形式多样化地复合材料泡沫结构。为了改进复合材料泡沫结构工艺、保证复合材料泡沫结构的质量，通常都需要对复合材料泡沫结构进行无损检测。目前需要进行无损检测的泡沫结构可分为两大类，如图2所示：一类是泡沫直接与复合材料蒙皮胶接，构成各种不同的复合材料泡沫结构，如图2(a)和图2(b)所示；另一类是多层泡沫胶接后，再与复合材料蒙皮胶接，构成各种不同的大厚度、变厚复合材料泡沫结构，如图2(c)和图2(d)所示。通常这类复合材料泡沫结构都具有大尺寸的特点。理论上，目前可行的无损检测方法有：(1)软X-射线检测方法，其主要不足是：1)对于垂直X-射线束取向的泡沫胶接界面的缺陷难以检出；2)检测效率低、成本高、需要专门的辐射防护；(2)常规超声检测方法，其主要不足是：因声波在泡沫结构中衰减十分剧烈，导致入射声波难以在泡沫中有效传播，从而难以实现泡沫及泡沫/泡沫胶接缺陷的检测；(3)空气耦合超声检测方法，其主要不足是：1)多采用音频脉冲激励超声波，其空间分辨率低，难以满足复合材料泡沫结构中的蒙皮、蒙皮/泡沫胶接区的缺陷检测要求；2)入射声波在泡沫区的传播行为与在空气中的传播行为非常接近，从而会导致缺陷判别困难。

发明内容

本发明的目的是针对复合材料泡沫结构，提出一种基于高能量冲击脉冲激励的复合材料泡沫结构超声检测方法，实现复合材料泡沫结构中蒙皮、蒙皮/泡沫胶接区、泡沫区、泡沫/泡沫胶接区等不同部位的超声检测，提高超声对复合材料泡沫结构中蒙皮、蒙皮/泡沫胶接、泡沫/泡沫胶接及泡沫区缺陷的检出能力和检测的可靠性，改进复合材料泡沫结构的可检性。本发明的技术解决方案是，

利用超声穿透法检测系统进行复合材料泡沫结构超声检测，超声穿透法检测系统主要包括发射换能器、接收换能器、超声单元、信号处理单元、扫查单元和显示单元，其特征是，

利用发射换能器产生大能量冲击脉冲作为入射超声波u_p，从复合材料泡沫结构的一侧入射，形成探测声波，利用接收换能器从复合材料泡沫结构的另一侧接收u_p在复合材料泡沫结构中形成的透射超声波u_t，

1)当复合材料泡沫结构为整体泡沫结构时，透射超声波u_t近似表示为，

$u_t={\[\frac{4{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1}{({\mathrm{\ρ}}_0{c}_0+{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1)({\mathrm{\ρ}}_1{c}_1+{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2)}\]}^2{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2{u}_p---\left(1\right)$

这里，

ρ₀—发射换能器和接收换能器与复合材料泡沫结构右蒙皮和左蒙皮表面之间的声学耦合介质的密度，

ρ₁—为复合材料泡沫结构的右蒙皮和左蒙皮的密度，

ρ₂—为复合材料泡沫结构中的泡沫的密度，

c₀—为发射换能器和接收换能器与复合材料泡沫结构的右蒙皮和左蒙皮表面之间的声学耦合介质中的声速，

c₁—为复合材料泡沫结构的右蒙皮和左蒙皮中的声速，

c₂—为复合材料泡沫结构中的泡沫中的声速，

当在复合材料泡沫结构中存在缺陷，此时接收换能器接收到的透射超声波u_r近似表示为，

$u_r=\frac{S_u-S_d}{S_u}{u}_t---\left(2\right)$

这里，

S_u—为发射换能器和接收换能器在复合材料泡沫结构中形成的两个声束面积，

S_d—为复合材料泡沫结构中缺陷在垂直声波传播方向的投影面积,

进行缺陷判别：

根据接收换能器接收到来自复合材料泡沫结构中的透射超声波u_t和透射超声波u_r，利用式判别复合材料泡沫结构中有无缺陷，

u_r＝u_t，无缺陷，

u_r<u_t，当S_u>S_d，有缺陷，

u_r→0，当S_u<S_d，有缺陷，且缺陷面积较大。

2)当复合材料泡沫结构中的泡沫层由右泡沫和左泡沫两层泡沫胶接而成时，透射超声波u′_t近似表示为，

$u_t^{\&prime;}={\&lsqb;\frac{4{\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1{\mathrm{\&rho;}}_2{c}_2}{({\mathrm{\&rho;}}_0{c}_0+{\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1)({\mathrm{\&rho;}}_2{c}_2+{\mathrm{\&rho;}}_3{c}_3)}\&rsqb;}^2\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_0{c}_0}{{\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1+{\mathrm{\&rho;}}_3{c}_3}{u}_p---\left(3\right)$

这里，

ρ₃—为粘接蒙皮/泡沫、泡沫/泡沫、泡沫/蒙皮的胶接层的材料密度，

c₃—为粘接蒙皮/泡沫、泡沫/泡沫、泡沫/蒙皮的胶接层材料中的声速，

当在复合材料泡沫结构中存在缺陷，此时接收换能器接收到的透射超声波u'_r近似表示为，

$u_r^{\&prime;}=\frac{S_u-S_d}{S_u}{u}_t^{\&prime;}---\left(4\right)$

进行缺陷判别：

根据接收换能器接收到来自复合材料泡沫结构中的透射超声波u_t′和透射超声波u'_r，利用式(4)判别复合材料泡沫结构中有无缺陷，

u'_r＝u′_t，无缺陷，

u'_r<u′_t，当S_u>S_d，有缺陷，

u'_r→0，当S_u<S_d，有缺陷，且缺陷面积较大，

3)不同复合材料泡沫结构的检测，

对于不同复合材料泡沫结构的检测，由于ρ₁、ρ₂、c₁、c₂不同，同样利用式(1)至式(4)，进行缺陷的判别。

4)检测结果显示，

根据接收换能器接收到透射超声波u_r和u'_r，将其转换为视频信号、射频信号或成像信号，显示检测结果。

根据被检测复合材料泡沫结构、工艺的特点和检测要求不同，选择相应频率的入射脉冲超声波，用于检测复合材料泡沫结构中，

①蒙皮/泡沫胶接缺陷，

②泡沫/泡沫胶接缺陷，

③泡沫中的缺陷，

④蒙皮中的缺陷，

对于复合材料泡沫结构中不同部位的缺陷检测，频率在0.5MHz—5MHz范围内选择。

当需要确定检出缺陷在复合材料泡沫结构中的部位时，发射换能器工作在反射模式，根据其接收到的回波信号u_r的时域特性辅助判断检出缺陷在复合材料泡沫结构中的蒙皮区、蒙皮/泡沫胶接界面、泡沫区的部位。

发射换能器和接收换能器的声束面积S_u，通过选择不同直径和类型的发射换能器和接收换能器，在被检测复合材料泡沫结构产生不同大小的声束面积S_u，实现对不同复合材料泡沫结构的超声透射检测，通常根据复合材料泡沫结构的厚度、材料选择S_u的大小和类型，

对于泡沫区及泡沫/泡沫胶接区的检测，在10—30mm的直径范围内选择S_u，平面声束，

对于蒙皮及蒙皮/泡沫胶接区的检测，在1—6mm的直径范围内选择S_u，平面声束或者锥形声束，

发射换能器和接收换能器与复合材料泡沫结构表面之间采用不同粘度的耦合剂进行喷液耦合、液膜接触耦合，用于不同扫查方式下发射换能器和接收换能器的声学耦合，以适应不同材料被检测结构或者零件在不同环境条件与扫查条件下的超声检测。

本发明具有的优点和有益效果，

1.针对复合材料泡沫结构的超声检测，通过构建复合材料泡沫结构的声波传播行为和缺陷判别函数，清晰地表征了复合材料泡沫结构中各种部位、不同特点的缺陷与接收信号之间的数理联系，基于此数理联系，用于超声检测和缺陷判别，明显提高了复合材料泡沫结构超声缺陷定性定量检测的准确性；

2.针对复合材料泡沫结构的超声检测，本发明提出采用高能量的冲击脉冲产生入射声波，提高入射声波的能量的同时，还保持有足够的空间分辨率，既可以用于复合材料整体泡沫结构的检测，也可以用于复合材料两层及两层以上的泡沫层结构的检测，大大提高了入射声波在复合材料泡沫结构中的穿透能力，从而显著提高了对复合材料泡沫结构的检测能力和缺陷分辨率；

3.采用穿透模式，使两相互匹配的大能量脉冲超声换能器分别位于复合材料泡沫结构的两侧，接入射声波单次穿透泡沫区，缩短入射声波在泡沫中的传播距离，减低声波的衰减，显著提高了对泡沫区及泡沫/泡沫胶接区的缺陷检出能力；

4.采用冲击波激励产生宽带超声脉冲信号，使尽量多的有效频率成分的声波能在泡沫区产生传播行为，显著增强了检测信号的信噪比，从而提高了对泡沫区缺陷检出能力；

5.对换能器接收到的小mv量级的检测信号采用高信噪比高增益处理，以获取能够用于泡沫区缺陷判别的超声信号，从而提高了对厚度泡沫区缺陷的检出能力和检测灵敏度；

6.本发明提出的一种复合材料泡沫结构超声成像检测方法，采用不同频率和声束超声换能器和超声检测系统，既提高了对泡沫区的检测能力，又保持了足够高的分辨率，能够准确检出复合材料泡沫结构中的蒙皮、蒙皮/泡沫胶接、泡沫/泡沫胶接、泡沫区的缺陷，显著地提高了超声对复合材料泡沫结构缺陷的检测灵敏度和分辨率及检测能力；

7.利用本发明提出的一种复合材料泡沫结构超声检测实现方法，既可实现手动扫查检测，也可以实现自动扫描检测，检测效率高、成本低、环保，可以准确地确定检出缺陷在泡沫结构中的部位，从而为工艺改进和产品质量控制提供了十分重要的无损检测方法和技术手段。

附图说明

图1是本发明的复合材料泡沫结构超声检测方法原理示意图，其中，图1(a)是本发明的检测原理示意图，图1(b)是入射声波在复合材料泡沫结构好区传播示意图，图1(c)是入射声波在复合材料泡沫结构缺陷区传播示意图，图1(d)是换能器声束大小与缺陷区大小关系示意图；

图2是本发明检测的常见复合材料泡沫结构示意图；

图3是本发明的复合材料泡沫结构超声检测过程原理组成。

具体实施方式

利用的超声穿透法检测系统进行复合材料泡沫结构6超声检测，复合材料泡沫结构6的结构形式如图1(a)和图2所示意，通常由右蒙皮6d、右胶接层6g、右泡沫6c、中间泡沫胶接层6f、左泡沫6b、左胶接层6e、左蒙皮6a构成，其中，右泡沫6c和左泡沫6b可以是整体泡沫，也可以是由多块泡沫粘接构成多层泡沫，如图2所示意，超声穿透法检测系统主要包括发射换能器1、接收换能器2、超声单元3、信号处理单元4、扫查单元5和显示单元7，如图3所示。

利用发射换能器1产生大能量冲击脉冲作为入射超声波u_p，从复合材料泡沫结构6的一侧入射，形成探测声波，利用接收换能器2从复合材料泡沫结构6的另一侧接收u_p在复合材料泡沫结构6中形成的透射超声波u_t，如图1所示。

1)如图1(b)所示，当复合材料泡沫结构6为整体泡沫结构时，即右泡沫6c和左泡沫6b为同一泡沫，此时，没有中间泡沫胶接层6f，此时，透射超声波u_t近似表示为，

$u_t={\&lsqb;\frac{4{\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1}{({\mathrm{\&rho;}}_0{c}_0+{\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1)({\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1+{\mathrm{\&rho;}}_2{c}_2)}\&rsqb;}^2{\mathrm{\&rho;}}_0{c}_0{\mathrm{\&rho;}}_2{c}_2{u}_p---\left(1\right)$

这里，

ρ₀—发射换能器1和接收换能器2与复合材料泡沫结构6的右蒙皮6d和左蒙皮6a表面之间的声学耦合介质的密度，

ρ₁—为复合材料泡沫结构6的右蒙皮6d和左蒙皮6a的密度，

ρ₂—为复合材料泡沫结构6中的泡沫的密度，

c₀—为反射换能器1和接收换能器2与复合材料泡沫结构6的右蒙皮6d和左蒙皮6a表面之间的声学耦合介质中的声速，

c₁—为复合材料泡沫结构6的右蒙皮6d和左蒙皮6a中的声速，

c₂—为复合材料泡沫结构6中的泡沫中的声速，

当在复合材料泡沫结构6中存在缺陷，此时接收换能器2接收到的透射超声波u_r近似表示为，

$u_r=\frac{S_u-S_d}{S_u}{u}_t---\left(2\right)$

这里，

S_u—为发射换能器1和接收换能器2在复合材料泡沫结构6中形成的声束面积1a和2a，如图1(a)和图1(d)所示，

S_d—为复合材料泡沫结构6中缺陷在垂直声波传播方向的投影面积,

进行缺陷判别：

根据接收换能器1接收到来自复合材料泡沫结构6中的透射超声波u_t和透射超声波u_r，利用式(2)判别复合材料泡沫结构6中有无缺陷，

u_r＝u_t，无缺陷，

u_r<u_t，当S_u>S_d，有缺陷，

u_r→0，当S_u<S_d，有缺陷，且缺陷面积较大。

2)如图1(c)所示，当复合材料泡沫结构6为由右泡沫6c和左泡沫6b胶接而成时，透射超声波u′_t近似表示为，

$u_t^{\&prime;}={\&lsqb;\frac{4{\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1{\mathrm{\&rho;}}_2{c}_2}{({\mathrm{\&rho;}}_0{c}_0+{\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1)({\mathrm{\&rho;}}_2{c}_2+{\mathrm{\&rho;}}_3{c}_3)}\&rsqb;}^2\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_0{c}_0}{{\mathrm{\&rho;}}_1{c}_1+{\mathrm{\&rho;}}_3{c}_3}{u}_p---\left(3\right)$

这里，

ρ₃—为粘接右蒙皮6d/右泡沫6b、右泡沫6c/左泡沫6b、左泡沫6b/左蒙皮6a的胶接层的材料密度，

c₃—为胶接层材料中的声速，

当在复合材料泡沫结构6中存在缺陷，此时接收换能器2接收到的透射超声波u'_r近似表示为，

$u_r^{\&prime;}=\frac{S_u-S_d}{S_u}{u}_t^{\&prime;}---\left(4\right)$

进行缺陷判别：

根据接收换能器1接收到来自复合材料泡沫结构6中的透射超声波u_t′和透射超声波u'_r，利用式(4)判别复合材料泡沫结构6中有无缺陷，

u'_r＝ut_′，无缺陷，

u'_r<u′_t，当S_u>S_d，有缺陷，

u'_r→0，当S_u<S_d，有缺陷，且缺陷面积较大。

3)不同复合材料泡沫结构的检测，

对于不同复合材料泡沫结构的检测，由于ρ₁、ρ₂、c₁、c₂不同，同样利用式(1)至式(4)，进行缺陷的判别。

4)检测结果显示，

根据接收换能器2接收到透射超声波u_r和u'_r，将其转换为视频信号、射频信号或成像信号，显示检测结果。

根据被检测复合材料泡沫结构、工艺的特点和检测要求不同，选择相应频率的入射脉冲超声波，用于检测复合材料泡沫结构中，

①蒙皮/泡沫胶接缺陷，

②泡沫/泡沫胶接缺陷，

③泡沫中的缺陷，

④蒙皮中的缺陷，

对于复合材料泡沫结构6中不同部位的缺陷检测，频率在0.5MHz—5MHz范围内选择。

当需要确定检出缺陷在复合材料泡沫结构6中的部位时，发射换能器1工作在反射模式，根据其接收到的回波信号u_r的时域特性辅助判断检出缺陷在复合材料泡沫结构6中的部位(如蒙皮区、蒙皮/泡沫胶接界面、泡沫区)。

发射换能器1和接收换能器2的声束面积S_u，通过选择不同直径和类型的发射换能器1和接收换能器2，在被检测复合材料泡沫结构6产生不同大小的声束面积S_u，实现对不同复合材料泡沫结构6的超声透射检测，通常根据复合材料泡沫结构6的厚度、材料选择S_u的大小和类型，

对于泡沫区及泡沫/泡沫胶接区的检测，在10—30mm的直径范围内选择S_u，平面声束，

对于蒙皮及蒙皮/泡沫胶接区的检测，在1—6mm的直径范围内选择S_u，平面声束或者锥形声束，

发射换能器1和接收换能器2与复合材料泡沫结构6表面之间采用不同粘度的耦合剂进行喷液耦合、液膜接触耦合，用于不同扫查方式下发射换能器1和接收换能器2的声学耦合，以适应不同材料被检测结构或者零件在不同环境条件与扫查条件下的超声检测。

复合材料泡沫结构的超声检测过程为，

1)实现复合材料泡沫结构的超声检测的系统主要包括：发射换能器1、接收换能器2、超声单元3、信号处理单元4、扫查单元5和显示单元7，如图3所示，其中，

发射换能器1安装在扫查机构5的一侧，接收换能器2安装在机械扫查机构5的另一侧，超声单元3的发射端与发射换能器1的信号端通过高频同轴电缆连接，信号处理单元4的接收端与超声单元3的信号输出端通过高频同轴电缆连接，显示单元7的信号端通过高频同轴电缆连接与信号处理单元4的信号输出端连接。

接收换能器1：当用于检测复合材料泡沫结构6中的泡沫缺陷时，接收换能器1选用大能量脉冲换能器，工作在穿透模式，用于接收来自复合材料泡沫结构的透射超声波u_r和u′_r；当用于检测和确定复合材料泡沫结构6中检出缺陷的所在的部位时，发射换能器1选用高分辨率脉冲换能器，工作在反射模式，发射换能器1与复合材料泡沫结构表面之间水式或者高粘度液膜耦合。

接收换能器2：当用于检测复合材料泡沫结构6中的泡沫缺陷时，发射换能器1选用大能量脉冲换能器，工作在穿透模式；当用于检测和确定复合材料泡沫结构6中检出缺陷的所在的部位时，接收换能器2不工作，发射换能器1与复合材料泡沫结构表面之间水式或者高粘度液膜耦合。

超声单元3：采用冲击波工作方式，在其发射端输出高压冲击激励脉冲，超声单元3的输出阻抗可调，用于激励发射换能器1，在复合材料泡沫结构中形成最佳的入射超声波u_p，推荐选择使用中航复合材料有限责任公司生产的UPower-1。

信号处理单元4：由前置变换和放大滤波两大部分构成，采用高增益低噪声处理模块构成，信号处理单元4的增益可调，调节范围不小于30dB，推荐选择使用中航复合材料有限责任公司生产的UPower-2。

扫查机构5：为一U-型同步机构，发射换能器1和接收换能器2分别安装在U-型同步机构两侧的安装座上，此U-型同步机构可以手持，用于实现复合材料泡沫结构的手动扫描检测，也可以将此U-型同步机构安装在自动扫描机构上，用于实现复合材料泡沫结构的自动扫描检测，

显示单元7：采用模拟显示和数字显示两种方式，用于显示超声检测结果，推荐选择使用中航复合材料有限责任公司生产的MUT-1、CUS-21J。

2)根据被检测复合材料泡沫结构的几何特征和制造工艺特点，可以选择包含有发射换能器1、接收换能器2、超声单元3、信号处理单元4、显示单元7和扫查机构5等功能的超声检测系统，用于实现本发明专利中的复合材料泡沫结构手动扫查检测或者自动扫描的超声检测，其中，扫查机构5可根据被检测复合材料泡沫的形面复杂程度和大小，选择具有能实现发射换能器1和接收换能器2的(x，y，z)位置调节和(α，β，θ)姿态调节的超声检测系统。这里，

x，y，z—为接收换能器1在被检测泡沫结构中的坐标位置，

α—为接收换能器1在x方向的摆角，

β—为接收换能器1在y方向的摆角，

θ—为接收换能器1在z方向的摆角，

3)复合材料泡沫结构超声检测方法的步骤是，

①换能器选择

根据被检测复合材料泡沫结构6的材料和几何特征、检测要求，选择发射换能器1和接收换能器2，并确定发射换能器1和接收换能器2的工作模式，

②超声检测系统连接

将用于复合材料泡沫结构6超声检测的系统各单元按照1)进行连接，或者按照2)要求选择能够实现本发明专利方法的超声检测系统，确定扫描方向和步进方向，

③零件装卡

将被检测复合材料泡沫结构6放置到所选择超声检测设备的工作台上，检查无误后，超声单元3、信号处理单元4、显示单元7通电，并发射换能器1和接收换能器2安装在扫查机构5上，

④参数设置

调节发射换能器1和接收换能器2与复合材料泡沫结构6表面之间的距离和耦合效果，并调节超声单元3的输出阻抗和信号处理单元4的增益，使显示单元7中显示的超声信号处于最佳位置；设置扫描速度、步进、扫描范围；设置采样频率，信号闸门参数，

⑤扫描检测

a)判断是否开始扫描，如果不进入扫描，则等待扫描，否则执行下一步；

b)移动扫查机构5，进行扫描检测；

c)获取当前行扫描位置点的超声信号u′_r、u_r；

d)进行超声信号的显示和数据缓存；

e)判断当前行是否结束，如未结束，重复执行步骤b)到d)；

f)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e)；如果已完成零件扫描，结束扫描。

实施例一

选择中航复合材料有限责任公司生产的UPowr-1、UPower-2和MUT-1超声检测设备和FJ-1高分辨率超声换能器、大能量换能器，分别采用水膜耦合和高粘度耦合剂对多种复合材料整体泡沫结构进行了系列的实际检测应用，其中，复合材料泡沫结构的大小在100×500mm—500×5000mm不等，泡沫的厚度在20mm-100mm不等，

复合材料整体泡沫结构的检测

将被检测复合材料整体泡沫结构置于工作台上，换能器频率选择1MHz，采用MUT-1超声检测设备进行检测，通过移动分别位于被检测复合材料整体泡沫结构两侧的发射换能器1和接收换能器2，并保证发射换能器1和接收换能器2与被检测复合材料整体泡沫结构表面耦合良好，根据MUT-1超声检测设备显示屏上显示的来自复合材料整体泡沫结构的超声检测信号进行缺陷判别：

u_r＝u_t，无缺陷，

u_r<u_t，当S_u>S_d，有缺陷，

u_r→0，当S_u<S_d，有缺陷，且缺陷面积较大。

实施例二

选择中航复合材料有限责任公司生产的UPowr-1、UPower-2和MUT-1超声检测设备和FJ-1高分辨率超声换能器、大能量换能器，分别采用水膜耦合和高粘度耦合剂对多种复合材料多层泡沫结构进行了系列的实际检测应用，其中，复合材料多层泡沫结构的大小在200×500mm—500×5000mm不等，泡沫由两层泡沫通过粘接剂胶接而成，泡沫的厚度在10mm-80mm不等，

复合材料多层泡沫结构的检测

将被检测复合材料多层泡沫结构置于工作台上，换能器频率选择0.5MHz，采用MUT-1超声检测设备进行检测，通过移动分别位于被检测复合材料多层泡沫结构两侧的发射换能器1和接收换能器2，并保证发射换能器1和接收换能器2与被检测复合材料多层泡沫结构表面耦合良好，根据MUT-1超声检测设备显示屏上显示的来自复合材料整体泡沫结构的超声检测信号进行缺陷判别：

u'_r＝u′_t，无缺陷，

u'_r<u′_t，当S_u>S_d，有缺陷，

u'_r→0，当S_u<S_d，有缺陷，且缺陷面积较大。

检测应用结果表明，本发明可检测出复合材料泡沫结构中蒙皮区Ф3mm的缺陷、蒙皮/泡沫胶接区Ф6mm的缺陷、泡沫区Ф8mm(20mm厚时)，可以非常清晰地检测出蒙皮、蒙皮/泡沫胶接区、泡沫区及泡沫胶接区的缺陷和结合情况，取得了很好的实际检测效果。

Claims (3)

1.一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法，利用超声穿透法检测系统进行复合材料泡沫结构(6)超声检测，超声穿透法检测系统主要包括发射换能器(1)、接收换能器(2)、超声单元(3)、信号处理单元(4)、扫查单元(5)和显示单元(7)，其特征是，

利用发射换能器(1)产生大能量冲击脉冲作为入射超声波u_p，从复合材料泡沫结构(6)的一侧入射，形成探测超声波，利用接收换能器(2)从复合材料泡沫结构(6)的另一侧接收u_p在复合材料泡沫结构(6)中形成的透射超声波u_t，

1)当复合材料泡沫结构(6)为整体泡沫结构时，透射超声波u_t近似表示为，

这里，

ρ₀—发射换能器(1)和接收换能器(2)与复合材料泡沫结构(6)右蒙皮(6d)和左蒙皮(6a)表面之间的声学耦合介质的密度，

ρ₁—为复合材料泡沫结构(6)右蒙皮(6d)和左蒙皮(6a)的密度，

ρ₂—为复合材料泡沫结构(6)中的泡沫的密度，

c₀—为发射换能器(1)和接收换能器(2)与复合材料泡沫结构(6)右蒙皮(6d)和左蒙皮(6a)表面之间的声学耦合介质中的声速，

c₁—为复合材料泡沫结构(6)右蒙皮(6d)和左蒙皮(6a)中的声速，

c₂—为复合材料泡沫结构(6)中的泡沫中的声速，

当在复合材料泡沫结构(6)中存在缺陷，此时接收换能器(2)接收到的透射超声波u_r近似表示为，

这里，

S_u—为发射换能器(1)和接收换能器(2)在复合材料泡沫结构(6)中形成的两个声束面积(1a和2a)，

S_d—为复合材料泡沫结构(6)中缺陷在垂直声波传播方向的投影面积,

进行缺陷判别：

利用接收换能器(2)接收来自被检测复合材料泡沫结构(6)中的透射超声波u_t和u_r，根据式(2)判别复合材料泡沫结构(6)中有无缺陷，

u_r＝u_t，无缺陷，

u_r<u_t，当S_u>S_d，有缺陷，

u_r→0，当S_u<S_d，有缺陷，且缺陷面积较大。

2)当复合材料泡沫结构(6)为右泡沫(6c)和左泡沫(6b)两层泡沫胶接而成时，透射超声波u′_t近似表示为，

这里，

ρ₃—为用于粘接蒙皮(6d)/泡沫(6b)、泡沫(6c)/泡沫(6b)、泡沫(6b)/蒙皮(6a)的胶接层的材料密度，

c₃—为用于粘接蒙皮(6d)/泡沫(6b)、泡沫(6c)/泡沫(6b)、泡沫(6b)/蒙皮(6a)的胶接层材料中的声速，

当在复合材料泡沫结构(6)中存在缺陷，此时接收换能器(2)接收到的透射超声波u′_r近似表示为，

进行缺陷判别：

利用接收换能器(2)接收来自被检测复合材料泡沫结构(6)中的透射超声波u′_t和u′_r，根据式(4)判别复合材料泡沫结构(6)中有无缺陷，

u′_r＝u′_t，无缺陷，

u′_r<u′_t，当S_u>S_d，有缺陷，

u′_r→0，当S_u<S_d，有缺陷，且缺陷面积较大，

3)不同复合材料泡沫结构的检测，

对于不同复合材料泡沫结构的检测，由于ρ₁、ρ₂、c₁、c₂不同，同样利用式(1)至式(4)，进行缺陷的判别，

4)检测结果显示，

根据接收换能器(2)接收到的透射超声波u_r和u′_r，将其转换为视频信号、射频信号或者成像信号，显示检测结果。

2.根据权利1所描述的一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法，其特征是，根据被检测复合材料泡沫结构、工艺的特点和检测要求不同，选择相应频率的入射脉冲超声波，用于检测复合材料泡沫结构中：

①蒙皮/泡沫胶接缺陷，

②泡沫/泡沫胶接缺陷，

③泡沫中的缺陷，

④蒙皮中的缺陷，

对于复合材料泡沫结构(6)中不同部位的缺陷检测，频率在0.5MHz—5MHz范围内选择，

当需要确定检出缺陷在复合材料泡沫结构(6)中的部位时，发射换能器(1)工作在反射模式，根据其接收到的回波信号u_r的时域特性辅助判断检出缺陷在复合材料泡沫结构(6)中的蒙皮区、蒙皮/泡沫胶接界面、泡沫区的部位。

3.根据权利1中所描述的一种用于复合材料泡沫结构的超声检测方法，其特征是，发射换能器(1)和接收换能器(2)的声束面积S_u，通过选择不同直径和类型的发射换能器(1)和接收换能器(2)，在被检测复合材料泡沫结构(6)产生不同大小的声束面积S_u，实现对不同复合材料泡沫结构(6)的超声透射检测，通常根据复合材料泡沫结构(6)的厚度、材料选择S_u的大小和类型，

对于泡沫区及泡沫/泡沫胶接区的检测，在10mm—30mm的直径范围内选择S_u，平面声束，

对于蒙皮及蒙皮/泡沫胶接区的检测，在1mm—6mm的直径范围内选择S_u，平面声束或者锥形声束，

发射换能器(1)和接收换能器(2)与复合材料泡沫结构(6)表面之间采用不同粘度的耦合剂进行喷液耦合、液膜接触耦合，用于不同扫查方式下发射换能器(1)和接收换能器(2)的声学耦合，以适应不同材料被检测结构或者零件在不同环境条件与扫查条件下的超声检测。