CN106767580A - 一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法。本发明方法利用宽带窄冲超声波在被检测复合材料层压结构中形成的反射回波信号的时域特性，通过构建回波信号时域特性与被检测复合材料层压结构的厚度、铺层数、缺陷深度等数理表征函数，建立了基于回波信号时域特征的超声检出缺陷的铺层深度的量化表征方法、数学关系和确定方法及实际测量方法，可选择不同频率和超声检测系统，对复合材料层压结构中超声检出缺陷的铺层深度进行量化表征。实际检测效果表明，检出缺陷的铺层深度定位偏差可达1个复合材料铺层，为室内外场合复合材料缺陷和损伤定深分析、工艺优化和结构修理等，提供了一种非常有效的超声检测方法。

Description

一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法。

背景技术

复合材料目前已在航空航天、交通等工业领域广泛应用，它主要包括树脂基复合材料和金属基复合材料，其中，树脂基复合材料中，复合材料层压结构是目前应用最为广泛和重要的一类结构形式，在制造和使用过程中容易在复合材料层压结构的铺层界面产生分层或者损伤等缺陷，由于质量控制和安全原因，不仅需要对复合材料层压结构进行100％无损检测，而且还要求对检出缺陷在复合材料层压结构中的铺层深度进行准确定位，一方面，指导设计和强度专家对检出缺陷/损伤的计算分析，以便对被检测复合材料层压结构做出正确的判断；另一方面，帮助工艺查找缺陷的成因，优化制造工艺，降低废品率，进行复合材料层压结构制造质量的控制，指导损伤的精细修理。

目前超声是复合材料层压结构室内外无损检测的主要方法，对检出缺陷的深度主要是相对深度表征方法：即根据超声回波信号中的表面反射信号与底面反射信号之间传播时间t_FB和表面反射信号与缺陷反射信号之间传播时间t_FD之比，给出检出缺陷的相对深度或深度，其主要不足是，(1)偏差大，特别是当所用的超声系统的脉冲特性呈现多周时，会导致t_FB和t_FD估测不准，从而会导致超声检出缺陷的深度估测不准，影响检出缺陷深度位置的判断，难以准确得到检出缺陷的铺层深度；(2)检出缺陷的深度量化度不够，特别是对于一些关键和重要复合材料层压结构中检出缺陷的强度和结构受力分析、缺陷/损伤的精细修理，往往需要提供检出缺陷的准确铺层深度信息，以便进行强度的量化评估；(3)缺少对超声检出缺陷的铺层深度的量化表征，不利于对检出缺陷成因分析和工艺优化以及损伤的准确修理。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提出一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法。本发明的技术解决方案是，

利用脉冲超声在被检测复合材料层压结构中形成的反射回波信号的时域特征进行检出缺陷的铺层深度的定量表征，

采用能够发射/接收单周宽带窄脉冲超声波的超声换能器和单周能够产生宽带窄脉冲激励信号的超声单元，通过高频信号电缆将超声换能器与超声单元进行电器链接，调节超声单元的阻尼参数和增益参数，使超声换能器产生宽带窄脉冲入射超声波，并使宽带窄脉冲入射超声波具有单周脉冲特性，此宽带窄脉冲入射超声波在被检测复合材料层压结构中形成的回波显示信号的时域脉冲特性同时满足以下条件：

1)回波显示信号的时域占宽t_W满足(1)式：

式中，h_i—为被检测复合材料层压结构中单个铺层的厚度，

2)回波显示信号的脉冲周期数f_T满足(2)式：

f_T≤1.5 (2)

将超声换能器置于被检测复合材料层压结构表面上，超声单元激励超声换能器产生宽带窄脉冲入射超声波通过耦合介质传播到被检测复合材料层压结构表面，其中一部分入射声波在复合材料层压结构表面产生反射回波，此反射回波被超声换能器接收后，经过超声单元送入信号处理单元进行单周信号处理，形成单周回波显示信号，单周回波显示信号在显示单元中显示；宽带窄脉冲入射超声波的另一部分经折射后传播到复合材料层压结构中形成透射声波，继续传播：

来自被检测复合材料层压结构内部的反射回波被超声换能器接收后，经过超声单元送入信号处理单元进行单周信号处理，形成单周回波显示信号显示在显示单元中，其中，在时域上，单周回波显示信号与单周回波显示信号之间的时间间隔t_FD用公式(3)表示，

这里，υ—为入射超声波在复合材料层压结构中传播速度，

h_D—为对应单周回波显示信号在复合材料层压结构中的深度位置，

1)当时，此时复合材料内部没有缺陷，在显示单元中显示回波显示信号，这里，H为复合材料层压结构的标称厚度，它由N个复合材料铺层总数，H的标称厚度近似用(4)式表示，

H＝h_iN (4)

这里，h_i—为单个复合材料铺层的厚度；

2)当时，此时复合材料层压结构内部存在缺陷，在显示单元中显示回波显示信号，缺陷的铺层深度h_D近似用(5)式表示，

h_D＝h_in_D (5)

这里，h_i—为单个复合材料铺层的厚度，

n_D—为对应检出缺陷的铺层深度，

根据(3)式～(5)式，检出缺陷的铺层深度n_D由(6)式进行量化表征：

式中，t_FB—为根据在显示单元中显示的单周回波显示信号与无缺陷的单周回波显示信号之间的时域刻度位置实际测量获得的时间间隔，

t_FD—为根据在显示单元中显示的单周回波显示信号与有缺陷的单周回波显示信号之间的时域刻度位置实际测量获取的时间间隔，

N—为被检测复合材料层压结构中所检测位置的复合材料铺层数，可从其工程制造图纸或CAD数模中直接获取。

通过选择频率在5-15MHz之间的宽带窄脉冲超声换能器，产生和接收具有单周脉冲特性的入射超声波，适应不同被检测复合材料层压结构的超声检出缺陷的铺层深度位置。

通过选择由超声单元、信号处理单元和信号显示单元组成的便携式检测仪器，以适应室内制造阶段的不同复合材料层压结构的超声检出缺陷的铺层深度和外场复合材料层压结构中地超声检出损伤的铺层深度，进行缺陷和损伤的深度位置的准确分析，指导缺陷和损伤的准确修理。

本发明具有的优点和有益效果，针对复合材料层压结构超声检测中检出的缺陷，提出一种确定检出缺陷的铺层深度的超声定量表征方法，以便更加全面和准确地对超声检出缺陷的铺层深度进行量化表征，为复合材料层压结构中超声检出缺陷和损伤的强度分析、工艺和结构修理等提供确切的缺陷信号和数据，帮助提高复合材料层压结构的安全使用率和成品率。

1.基于超声反射检测原理，采用宽带窄脉冲高分辨率超声波在复合材料中产生的单周脉冲超声波信号，克服了多周脉冲导致估测不准的问题，显著提高了t_FB和t_FD估测的测准确性，明显改善了超声检出缺陷深度位置的判断和测量的准确性；

2.通过构建超声检出缺陷回波信号的时域特征与复合材料铺层的映射关系，构建了超声检出缺陷的铺层深度的量化表征函数和确定方法，从而为对检出缺陷成因分析和工艺优化以及损伤的准确修理提供了有效基础数据支持和信息输入。

3.所建立的复合材料超声检出缺陷的铺层深度的超声量化表征方法，其定深偏差可达单个复合材料铺层，而且可以用于室内外复合材料层压结构的超声检出缺陷的深度量化表征，易于实现，检测效率高、成本低、环保，从而为工艺改进、损伤修理和结构分析及安全评估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检出缺陷的铺层深度的超声定量表征方法原理示意图。

具体实施方式

1.本发明方法利用脉冲超声在被检测复合材料层压结构5中形成的反射回波信号的时域特征进行检出缺陷的铺层深度的表征，

采用能够发射/接收单周宽带窄脉冲超声波的超声换能器1和能够产生单周宽带窄脉冲激励信号的超声单元2，通过高频信号电缆将超声换能器1与超声单元2进行电器链接，调节超声单元2的阻尼参数和增益参数，使超声换能器1产生宽带窄脉冲入射超声波I，并使宽带窄脉冲入射超声波I具有单周脉冲特性，此宽带窄脉冲入射超声波I在被检测复合材料层压结构5表面形成的回波显示信号F、在被检测复合材料层压结构底面形成的回波显示信号B、在被检测复合材料层压结构内部缺陷处形成的回波显示信号D的时域脉冲特性同时满足以下条件：

1)回波显示信号F、B和D的时域占宽t_W满足(1)式：

式中，h_i—为被检测复合材料层压结构中单个铺层的厚度，

2)回波显示信号F、B和D的脉冲周期数f_T满足(2)式：

f_T≤1.5 (2)

如图1所示，将超声换能器1置于被检测复合材料层压结构5表面上，超声单元2激励超声换能器1产生宽带窄脉冲入射超声波I通过耦合介质传播到被检测复合材料层压结构5表面，其中一部分入射声波在复合材料层压结构5表面产生反射回波a，此反射回波a被超声换能器1接收后，经过超声单元2送入信号处理单元3进行单周信号处理，形成单周回波显示信号F，单周回波显示信号F在显示单元4中显示；宽带窄脉冲入射超声波I的另一部分经折射后传播到复合材料层压结构5中形成透射声波，继续传播，如图1所示：

来自被检测复合材料层压结构5内部的反射回波b被超声换能器1接收后，经过超声单元2送入信号处理单元3进行单周信号处理，形成单周回波显示信号D显示在显示单元4中，其中，在时域上，单周回波显示信号F与单周回波显示信号(D)之间的时间间隔t_FD用公式(3)表示，

这里，υ—为入射声波在复合材料层压结构5中传播速度，

h_D—对应单周回波显示信号D在复合材料层压结构5中的深度位置，

1)当时，此时复合材料5内部没有缺陷，在显示单元4中显示回波显示信号F和B，这里，H为复合材料层压结构5的标称厚度，它由N个复合材料铺层总数，H的标称厚度近似用(4)式表示，

H＝h_iN (4)

这里，h_i—为单个复合材料铺层的厚度；

2)当时，此时复合材料层压结构5内部存在缺陷，如图1中缺陷5B所示，在显示单元4中显示回波显示信号F和D，缺陷的铺层深度h_D近似用(5)式表示，

h_D＝h_in_D (5)

这里，h_i—为单个复合材料铺层的厚度，

n_D—为对应检出缺陷的铺层深度，

根据(3)式～(5)式，检出缺陷的铺层深度n_D由(6)式进行量化表征：

式中，t_FB—为根据在显示单元4中显示的单周回波显示信号F与无缺陷的单周回波显示信号B之间的时域刻度位置实际测量获得的时间间隔，

t_FD—为根据在显示单元4中显示的单周回波显示信号F与有缺陷的单周回波显示信号D之间的时域刻度位置实际测量获取的时间间隔，

N—为被检测复合材料层压结构中所检测位置的复合材料铺层数，可从其工程制造图纸或CAD数模中直接获取。

本发明方法通过选择频率在5-15MHz之间的高分辨率超声换能器1，产生和接收具有单周脉冲特性的入射超声波，以适应于不同被检测复合材料层压结构的超声检出缺陷的深度量化表征。

本发明方法通过选择由超声单元2、信号处理单元3和信号显示单元4组成的便携式检测仪器，以适应室内制造阶段的不同复合材料层压结构的超声检出缺陷的深度量化表征和外场复合材料层压结构中地超声检出损伤的深度量化表征，进行缺陷和损伤的分析，指导缺陷和损伤的准确修理。

实现复合材料检出缺陷的铺层深度的超声量化表征方法的检测系统主要包括：超声换能器1、超声单元2、信号处理单元3和显示单元4，参见图1，其中，

超声换能器1可以安装在自动扫描机构上，也可以手持，超声换能器1通过高频同轴电缆与超声单元2的发射/接收端连接，超声单元2的输出端与信号处理单元3的信号输入端通过高频同轴电缆连接，信号处理单元3的信号输出端与显示单元4的信号输入端连接。

超声换能器1：选用高分辨率宽带脉冲超声换能器，推荐使用中航复合材料有限责任公司生产的FJ-1系列超声换能器，超声换能器1与复合材料层压结构表面之间通过水或者液膜耦合。

超声单元2：选用与超声换能器1相匹配的超声单元，推荐选择使用中航复合材料有限责任公司生产的UPower-1或FCC-D或MUT-1。

信号处理单元3：选用与超声单元2相匹配的信号处理单元构成，其增益可调，调节范围不小于30dB，阻尼可调，并能对来自超声单元2的检测信号进行数字化处理后，形成具有单周特性的回波显示信号F、B、D，通过数据总线送显示单元5，进行超声检测结果的成像显示，推荐选择使用中航复合材料有限责任公司生产的MUT-1。

显示单元5：采用测量和数字显示方式，用于测量t_FB和t_FD、计算和显示检出缺陷的绝对深度、相对深度和铺层深度，推荐选择使用中航复合材料有限责任公司生产的MUT-1、CUS-6000、CUS-21J检测系统。

也可以选择与超声换能器1相匹配的包含超声单元1、信号处理单元2和显示单元3全部功能的集成式超声检测仪器或检测系统，如MUT-1、CUS-6000、CUS-21J检测系统。

实施例

选择中航复合材料有限责任公司生产的UPowr-1、MUT-1超声检测设备和FJ-1高分辨率换能器、CUS-6000、CUS-21J，分别采用水膜耦合和液膜耦合对多种复合材料层压结构进行了系列的实际检测应用，其中，超声换能器频率选择5MHz、10MHz和15MHz，碳纤维复合材料层压结构由40个铺层组成，h_i≈0.125mm，H≈40×0.125mm≈5mm，分层缺陷位于被检测复合材料层压结构(5)中的铺层(5A)界面之间，分层缺陷的铺层深度n_D的设计值分别为1个铺层、19个铺层、39个铺层，分层缺陷的当量尺寸Ф6mm。经超声检测：

在没有缺陷区域，t_FB≈3.24μs，

对应1个铺层深的分层的t_FD1≈0.08μs，由式(6)得，实测分层的铺层深度n_D1≈0.99≈1个铺层，

对应19个铺层深的分层的t_FD19≈1.52μs，由式(6)得，实测分层的铺层深度n_D1≈18.85≈19个铺层，

对应39个铺层深的分层的t_FD39≈3.14μs，由式(6)得，实测分层的铺层深度n_D1≈38.77≈39个铺层。

可见经超声检出的分层缺陷的铺层深度与其对应的设计值相一致，实际检出分层缺陷的铺层深度偏差在1个铺层范围内，取得了很好的实际检测效果。

Claims (3)

1.一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法，利用脉冲超声在被检测复合材料层压结构(5)中形成的反射回波信号的时域特征进行检出缺陷的铺层深度的量化表征，其特征是，

采用能够发射/接收单周宽带窄脉冲超声波的超声换能器(1)和能够产生单周宽带窄脉冲激励信号的超声单元(2)，通过高频信号电缆将超声换能器(1)与超声单元(2)进行电器链接，调节超声单元(2)的阻尼参数和增益参数，使超声换能器(1)产生宽带窄脉冲入射超声波(I)，此宽带窄脉冲入射超声波(I)在被检测复合材料层压结构(5)中形成的回波显示信号的时域脉冲特性同时满足以下条件：

1)回波显示信号的时域占宽t_W满足(1)式：

$t_W\≤\frac{2h_i}{\mathrm{\υ}}---\left(1\right)$

式中，h_i—为被检测复合材料层压结构中单个铺层的厚度，

2)回波显示信号的脉冲周期数f_T满足(2)式：

f_T≤1.5 (2)

将超声换能器(1)置于被检测复合材料层压结构(5)表面上，超声单元(2)激励超声换能器(1)产生宽带窄脉冲入射超声波(I)通过耦合介质传播到被检测复合材料层压结构(5)表面，其中一部分宽带窄脉冲入射超声波(I)在复合材料层压结构(5)表面产生反射回波(a)，此反射回波(a)被超声换能器(1)接收后，经过超声单元(2)送入信号处理单元(3)进行单周信号处理，形成单周回波显示信号(F)，单周回波显示信号(F)在显示单元(4)中显示；宽带窄脉冲入射超声波(I)的另一部分经折射后传播到复合材料层压结构(5)中形成透射声波，继续传播：

来自被检测复合材料层压结构(5)内部的反射回波(b)被超声换能器(1)接收后，经过超声单元(2)送入信号处理单元(3)进行单周信号处理，形成单周回波显示信号(D)显示在显示单元(4)中，其中，在时域上，单周回波显示信号(F)与单周回波显示信号(D)之间的时间间隔t_FD用公式(3)表示，

$t_{FD}=\frac{2h_D}{\mathrm{\υ}}---\left(3\right)$

这里，υ—为入射超声波在复合材料层压结构(5)中传播速度，

h_D—对应单周回波显示信号(D)在复合材料层压结构(5)中的深度位置，

1)当时，此时复合材料(5)内部没有缺陷，在显示单元(4)中显示回波显示信号(F和B)，这里，H为复合材料层压结构(5)的标称厚度，它由N个复合材料铺层总数，H的标称厚度近似用(4)式表示，

H＝h_iN (4)

这里，h_i—为单个复合材料铺层的厚度；

2)当时，此时复合材料层压结构(5)内部存在缺陷，在显示单元(4)中显示回波显示信号(F和D)，缺陷的铺层深度h_D近似用(5)式表示，

h_D＝h_in_D (5)

这里，h_i—为单个复合材料铺层的厚度，

n_D—为对应检出缺陷的铺层深度，

根据(3)式～(5)式，检出缺陷的铺层深度n_D由(6)式进行量化表征：

$n_D=\frac{t_{FD}}{t_{FB}}N---\left(6\right)$

式中，t_FB—为根据在显示单元(4)中显示的单周回波显示信号(F)与无缺陷的单周回波显示信号(B)之间的时域刻度位置实际测量获得的时间间隔，

t_FD—为根据在显示单元(4)中显示的单周回波显示信号(F)与有缺陷的单周回波显示信号(D)之间的时域刻度位置实际测量获取的时间间隔，

N—为被检测复合材料层压结构中所检测位置的复合材料层压结构铺层数，可从其工程制造图纸或CAD数模中直接获取。

2.根据权利要求1所述的一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法，其特征是，通过选择频率在5-15MHz之间的宽带窄脉冲超声换能器(1)，产生和接收具有单周脉冲特性的入射超声波，适应不同被检测复合材料层压结构的超声检出缺陷的铺层深度位置。

3.根据权利要求1所述的宽带窄脉冲超声波，其特征是，通过选择由超声单元(2)、信号处理单元(3)和信号显示单元(4)组成的便携式检测仪器，以适应于室内制造阶段的不同复合材料层压结构的超声检出缺陷的铺层深度和外场复合材料层压结构中的超声检出损伤的铺层深度的准确分析，指导缺陷和损伤的准确修理。