CN109073604A - 用声学尾波来检查结构的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过来自给定表面(S)的尾声波来检查结构(1)的系统，所述给定表面可从所述结构的外部接近，所述系统包括：装置(4)，被设置成通过确定形式的超声波脉冲在所述给定表面(S)上的至少一个设定的激励点(Pe₁)处声学地激励所述结构(1)；装置(6，7，8)，被设置成在相对于所述超声波脉冲设定的时间窗口期间，在给定表面(S)上的至少三个设定的测量点(Pm_i)处测量振动；电子装置(9)，被设置成利用由所述测量装置(6，7，8)传递的振动测量值，以通过所述测量点(Pm_i)中的每个测量点处的尾声波信号，来限定所述结构中的至少一个潜在缺陷(2)的指示(Pd)，所述系统的特征在于，测量装置(6，7，8)被设置成在空气中执行测量而不接触结构(1)。本发明还涉及一种对应于实施所述系统的方法。

Description

用声学尾波来检查结构的系统和方法

技术领域

本发明涉及结构的无损检查的领域，无论这些结构是整体式的还是组装式的，都可以使用声波在结构内的传播来进行无损检查。

背景技术

尤其是在航空领域中，结构的工业设计(无论这些结构是整体式的还是组装式的)通常需要对结构进行无损检查的操作。无损检查使得设计人员能够检查他们设计的产品在制造过程中可能形成的并且可能影响可用性或安全性的内部缺陷的合格性。这也是正在寻求确保部件或结构在其使用寿命期间的完整性的用户方的需求。

超声波方法是最常使用的一些无损检查方法。这些方法能够检查部件，即使部件是不透明的。

检查部件有不同的装置，特别是二维和三维的检查装置。

在GB-A-2383413中描述了二维检查装置的一个示例，在该示例中，借助一个或多个传感器在纵向的无限结构轨道中产生表面波，特别是瑞利波。沿所述轨道以确定的方式放置的接收器能够在所述轨道的表面上或者靠近所述轨道的表面来定位缺陷。

三维检查装置能够分析结构的主体。在绝大多数情况下，超声波用于能够执行C扫描成像方法的自动化装置。

所述C扫描成像方法能够对从表面发射到部件的主体中的声波的传播进行成像。在此过程中，传感器扫描所述部件的表面，并在整个表面上逐点执行声学采集。由此产生所述部件三维特性的二维表示。

这种方法能够轻易地定位部件内存在的潜在指示。该方法在工业环境中非常稳健，证明其大规模使用是合理的。

然而，在大多数情况下，这种方法需要将被检查的结构浸没或至少浸湿，这可能涉及防水的初步操作和检查后的烘干操作。这些操作都有成本。另外，对于具有大尺寸的结构，使用传感器来实现C扫描方法的检查装置必须以相应的比例进行设计，因此这可能具有高成本。

可以设想使用激光干涉测量法来执行C扫描方法的方法，该方法可以克服与传感器相关的某些限制，特别是检查前和检查后的操作。然而，该方法需要逐点的声学采集，因此，对于具有大尺寸的结构，该方法涉及大量的测量。因此，这种检查可能是耗时的。

因此，需要找到一种方式来使用针对工业用途的结构进行无损检查的办法，该方法在使用超声波时保留使用超声波的所有优点，但克服了上述限制。

发明内容

为此，本发明涉及一种通过来自给定表面的声学尾波来检查结构的系统，所述给定表面能够从所述结构的外部接近，所述系统包括：

激励发生装置，被设置成通过确定形式的声脉冲在所述给定表面上的至少一个确定的激励点处声学地激励所述结构；

至少一个测量装置，被设置成在相对于所述声脉冲的确定的时间窗口内，在所述给定表面上的至少三个确定的测量点处测量振动；以及

电子装置，被设置成利用由所述测量装置提供的振动测量值，以通过所述测量点中的每个测量点处的声学尾波的信号，来限定所述结构中的至少一个潜在缺陷的指示；

所述系统，其特征在于，所述测量装置被设置成在空气中进行测量而不接触所述结构。

优选地，所述潜在缺陷的指示是该潜在缺陷位置的指示。该指示还可以包括表征缺陷类型或缺陷大小的要素。

优选地，声脉冲在超声波频带内具有显著的能量水平，能够在结构内传播。

使用分布于所述表面S上且没有接触所述表面的测量装置，本发明尤其能够直接执行对所述结构的全局表征，也就是说，在所述结构的主体内，通过声学尾波来识别所述结构的主体内的潜在缺陷，而不需要准备与不同测量点对应的表面。对所有测量点没有限制意味着可以大幅度减少用于无损超声波检查系统的设备的成本，并且还意味着减少了用于准备或修复被检查结构的操作的数量。另外，与GB-A-2383413中描述的表面波不同的是，本发明中的声学尾波是结构尾波。所述尾波以不确定的方式并且三维地进行反射，以获得所述结构的主体内的“健康状态”或详细信息。

优选地，所述激励装置还被设置成在空气中执行激励而不接触所述结构。

这允许在检查操作期间完全排除与所述结构的任何接触。

根据本发明的特征，所述声学尾波的信号介于200kHz到1000kHz之间。

根据本发明的另一个特征，所述激励发生装置包括压缩空气喷射发生器。

优选地，所述测量装置是干涉测量激光器类型的装置。

所述测量装置包括光学系统，所述光学系统被设置成将给定的激光束引向不同的测量点。

这种类型的系统仅使用一个激光器就能够调整测量点的位置。该系统还能够控制测量点在表面S上的位置，以便限制缺陷的位置的范围。

所述声学检查系统还可以包括C扫描类型的超声波检查装置，所述超声波检查装置被设置成在所述结构上的潜在缺陷的邻近处中实施。

本发明还涉及通过来自给定表面的声学尾波来检查结构的方法，所述给定表面能够从所述结构的外部接近，所述方法包括：

-步骤a)，通过确定形式的声脉冲在所述给定表面上的至少一个确定的激励点上声学地激励所述结构；

-步骤b)，在所述声脉冲之后的确定的时间窗口内，在所述给定表面上的至少三个确定的测量点处测量振动；

-步骤c)，利用所述结构的振动测量值，以通过所述测量点中的每个测量点处的声学尾波的信号，来限定所述结构中的一个潜在缺陷或多个潜在缺陷的指示；

所述方法的特征在于，在步骤b)中，在不使测量装置与所述结构接触的情况下进行测量。

优选地，在步骤a)中，在不使激励装置与所述结构接触的情况下执行所述结构的声学激励。

根据所述方法的特征，所述声学尾波的信号介于200kHz到1000kHz之间。

有利地，在步骤b)中，通过实施激光干涉测量方法来进行测量。

根据另一个特征，所述测量装置执行三个测量点的三角测量。

根据另一个特征，所述测量装置执行所述测量点的扫描。

当潜在缺陷被定位时，所述方法还可以包括补充步骤和新序列，所述补充步骤包括在所述给定表面上限定至少三个新的测量点，所述至少三个新的测量点比先前使用的所述测量点中的每一个测量点更接近所述缺陷；所述新序列使用所述新的测量点执行步骤a)、b)和c)。

所述序列能够限制潜在缺陷的位置的范围。

有利地，所述方法还可以包括：在所述结构的潜在缺陷的邻近处实施C扫描类型的超声波检查的方法。

附图说明

通过参考附图来阅读以下对非限制性示例的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是通过本发明中使用的声学尾波进行测量的方法的第一变型的示意图；

图2是通过本发明中使用的声学尾波进行测量的方法的第二变型的示意图；

图3是根据本发明的具有待检查的结构的测试台的示意图；

图4a、图4b和图4c是使用图3的测试台实施的根据本发明的方法的三个序列的示意图；以及

图5是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

根据本发明的声学检查系统根据一方法使用尾声波或尾超声波的传播，该方法首先将非常简要地说明主要特征。

参考图1，超声波尾波能够限定一种可以在被检查的结构1上使用的方法，以优选地通过表征一个或多个缺陷来检测所述缺陷的潜在存在。如图1所示，缺陷2可被限制在结构1的内部，因此可能无法可视地检测所述缺陷。所述方法使得能够根据在所述结构1的单个可接近的表面S上进行的测量来执行该检查。

当激励e(t)被施加到所述结构1时，例如在点Pe₁处，到达表面S上的点Pm_i(图1中的i＝1到6)的第一声波是遵循直接轨迹或具有少量反射轨迹的体波或者表面波。由于结构1的复杂性，最后到达的波已经被多次漫射，并且该波的轨迹长且复杂。换句话说，尾波以不确定的方式在结构的主体内传播。

如果在表面S上的点Pm_i处测量振动h_i(t)，则信号h_i(t)的最后部分对应于已经被多次漫射的所述波(被称为尾波)。该尾波的信号看起来像噪声。然而，该超声波尾波信号h_i(t)具有两个特定的特征。第一，对于给定的激励e(t)，该超声波尾波信号h_i(t)是完全可再现的。第二，该超声波尾波信号h_i(t)对结构1的材料中的缺陷或破坏非常敏感，特别是在振幅和时滞方面。

因此，超声波尾波信号可以用于识别结构中的缺陷。已经开发的已知的方法，例如用于混凝土结构，该方法能够通过在所述结构的表面上的多个点处的声学振动测量来原位定位和表征结构中的缺陷。这些方法基于超声波尾波信号传播理论，使用结构的理论模型或者与参考结构的测量值的比较结果，使得结构的主体内的潜在缺陷能够被识别。通过分布测量点Pm_i，例如可以在所述点之间执行三角测量以定位缺陷。

此外，显而易见的是，这些不基于线性理论的方法(例如C扫描技术)尤其适用于复杂结构和/或识别对声波没有线性响应的缺陷。

参考图1和图5，方法的一个示例在第一步骤a)中在表面S上的给定点Pe₁处使用校准激励e(t)。由于诸多原因，尾波信号似乎在超声波范围内被发现，通常介于200kHz到1000kHz之间或者可能介于200Hz到1000Hz之间的尾波信号被命名为超声波尾波。因此，激励e(t)必须在由结构1传播的超声波频带中具有足够的能量。

在第二步骤b)中，触发激励e(t)之后，在表面S上分布的一系列点Pm_i(i＝1到N)处的表面S随时间的振动被执行。因此，限定点Pm₁-Pm_N的分布是为了观察存在潜在缺陷风险的结构的一部分主体。在图1中，测量点Pm_i的数量N等于6。然而，这只是一个示例。该数量和分布将取决于结构的复杂性。优选地，数量N至少等于3，以便执行三角测量。

第三步骤c)的信号处理利用了识别潜在缺陷2的措施。

第三步骤c)有第一子步骤c1)，其中，在每个测量点Pm_i处提供的信号h_i(t)被处理以便从处理的信号h_i(t)中提取超声波尾波信号c_i(t)。

第三步骤c)还有子步骤c2)，其中，通过使用上述理论，利用不同测量点Pm_i处的超声波尾波信号c_i(t)来识别潜在缺陷2，例如通过三角测量来识别潜在缺陷2。例如，该步骤提供所述缺陷2的位置Pd。

需要注意的是，超声波尾波信号包含多条信息，该信息还能够表征潜在缺陷2。实际上，孔或裂缝对声波不具有相同的线性响应或非线性响应。

参考图2，前述方法可以具有用于实现前两个步骤的变型。实际上，由于信号是高度可再现的，因此不必同时进行所有测量，即不必具有多个并行的测量装置。单个测量装置可以扫描测量点。可以通过在Pm₁至Pm_N的每个测量点处连续地定位测量装置来模拟第一变型，然后每次再现所述激励e(t)，并且在相对于所述激励的相同时间窗口内对当前点进行测量。

参考图3，根据本发明的控制系统被限定为能够检查结构1。该结构的构成没有在图中详述。该结构例如是航空组件的一部分，例如机舱元件。该结构可以是整体式的，例如由确定的复合材料制成，或者可以通过组装形成，例如由多层不同材料或由多个部件形成。

结构1可以具有复杂的形状。该结构1在空间的三个维度x、y、z中分别具有特征尺寸L1、L2、L3。通常，所述尺寸之一相对于超声波C扫描类型的装置可接近的测量区的尺寸而言较大。

如上所述，可以在结构1的原位上执行检查，即在安装于涡轮发动机或飞机中的航空部件上执行检查。也可以在结构1上单独执行检查。在第二种情况下，检查系统优选地包括如图3所示的装置3，如果目标是在不同的使用步骤中跟踪结构的状态，则装置3能够使该结构保持在可再现的条件下。

在这两种情况下，在结构1上执行检查，所述结构1保持在环境空气中，优选地保持在房间或建筑物中，使所述结构与不受控制的声学压力隔离。

所放置的用于检查的结构1具有表面S，在示例中，该表面S可在x维度中具有主要组件的方向上接近。另外，检查系统被配置为能够以良好的空间精度识别结构1的一般位置和表面S上的点的位置。

在这种情况下，检查系统包括压缩空气喷射5发生器4，所述压缩空气喷射5发生器4被放置为面向表面S，并且被设置成将压缩空气喷射到所述表面S的确定点Pe₁上，优选地，该确定点Pe₁的坐标是已知的。

所述发生器4被设置成使得压缩空气喷射5在点Pe₁处，以可再现的形式引起暂时的振动激励e(t)，所述振动激励e(t)在适合于所述结构1的超声波频率范围内传递能量。因此，由所述发生器4的压缩空气喷射5在点Pe₁处产生的激励导致超声波尾波在所述结构1中的传播。

压缩空气喷射5发生器4可以被放置在离所述结构一定距离处，而不与所述结构接触，并且可以将所述压缩空气喷射5发生器4定向成使得能够容易地修改激励点Pe₁的位置。根据未示出的实施例，还可以设想设置多个压缩空气喷射发生器，这些压缩空气喷射发生器可以同时致动并且瞄准分布在所述结构1上的点，以便向这些点传递更多能量。

在未示出的变型中，压缩空气喷射发生器4可以由将声音聚焦到点Pe₁的扬声器代替。

在另一个未示出的变型中，压缩空气喷射发生器4可以是发射激光脉冲的激光发生器，以使得所述结构1不会被所述脉冲损坏。

所述不同的变型具有使激励装置4和所述结构1之间不接触的优点。然而，还可以设想将压电传感器定位在所述表面S上的确定点Pe₁处，以便激励所述结构1。

检查系统还包括用于优选地通过激光干涉测量法测量表面S上的振动的至少一个装置。

在图3的示例中，在第一变型中，测量装置包括激光发生器6，并且激光束通过空气传播。光学装置7(例如镜像系统)将激光束分成多个光束，这些光束入射在所述表面S上的N个确定的测量点Pm₁-Pm_N处，其中，数量N至少等于3，在图3的示例中数量N即等于4。

根据激光干涉测量原理(图中未示出)，朝向点Pm_i(i＝1到N)发射的每个光束被分成两部分，一部分被所述结构1反射而另一部分被参考镜反射，然后重新组合两个光束，以便以可以下降到纳米的分辨率可视地显示被检查表面在点Pm_i处的位移。在采集装置8中执行采集，所述采集装置8包括与激光束瞄准的点Pm_i一样多的采集通道。该采集系统输出所述表面S在每个测量点Pm_i处的正常位移的时间测量信号h_i(t)。

在第一变型(未示出)中，由所述激光发生器6产生的激光束可以由光纤引导。在这种情况下，激光束可以被分开并且还可以跟随多个光纤，每个光纤瞄准所述表面S上的测量点Pm_i。

在另一变型中，采集装置8可以仅包括一个单独的采集通道。在这种情况下，测量装置被设置成使得从光学装置7输出的激光束在单独的激励e(t)之后在确定的时间窗口期间连续扫描测量点Pm₁-Pm_N，在前面的点的超声波尾波测量之后，所述激励e(t)被相同地再现。

检查系统还包括电子计算机9，所述电子计算机9被设置成控制激励装置4和测量装置6-7-8。有利地，所述电子计算机9还被设置成从由采集装置8传输的每个信号h_i(t)中提取超声波尾声信号c_i(t)，并且执行使得能够利用所述超声波尾波信号c_i(t)的计算程序，以便从中推断出或者甚至表征出结构1中潜在缺陷2的位置。

有利地，检查系统还包括超声波C扫描测量装置，所述超声波C扫描测量装置的原理最初已经简要说明。该装置包括传感器/记录器，所述传感器/记录器可以扫描表面S上的点Pcs周围的结构的局部区域。有利地，如图3所示，所述传感器/记录器可以由如下情况组成：例如用于测量超声波尾波信号的装置；将声脉冲定向于表面S上的点Pcs处的发生器10(例如喷射发生器类型)；以及用于通过激光干涉测量法对点Pcs处反射的声学响应进行测量的装置11。该传感器/记录器可以扫描所述表面S上的给定点Pd周围的受限区域，以使得能够提供缺陷2的区域中的结构主体的C扫描图像。

可选地，尽管结构1的另一表面未示出，但是如果待检查的结构1的区域可以通过C扫描方法从该结构1的另一表面更清楚的看见，则传感器/记录器10-11可以被放置在结构1的另一个表面(未示出)上的点的前面。

另外，传感器/记录器10-11被连接到计算机12，所述计算机12被设置成执行使得能够获得被检查区域的图像的信号处理。该计算机可以与计算机9相同。

使用刚刚描述的系统来检查结构1的方法可以包括以下步骤。

在预备步骤中，所述结构1以确定的配置相对于所述检查系统被正确放置，使得表面S可以被激励发生器4、远程测量装置6-7-8接近，并且可选地，所述表面S可以被传感器/记录器10-11接近。该配置可以对应于其在全球系统(例如飞机)中的使用位置，或者对应于如图3所示的专用于检查系统的支撑装置3中的支撑。

参考图4a、图4b和图4c，该方法可以包括三个序列。

图4a中示出的第一序列涉及超声波尾波方法的两个先前描述的变型之一的实施步骤。

在这两个变型中，激励发生器4用于向表面S上的点Pe1发射给定激励。通常选择Pe1使得激励的声能可以尽可能多地辐射到结构的主体中，以使得可以利用测量值。

在这种情况下，如结合图1所述的第一变体使用激光发生器6、光学系统7和多通道采集装置8，以使得能够同时在N个测量点Pm₁-PM_N处进行测量，并且因此执行前述方法的步骤a)和步骤b)。

在未描述的替代方案中，检查系统可以使用多个不太复杂的、单独的激光测量系统。同样地，如果系统限定于可以进行逐点测量的不太复杂的激光测量系统，则可以应用方法的第二变型，所述第二变型已经结合图2进行了描述。

还可以通过将测量点分组为子集并对每个子集执行连续的同时测量来组合这两个变型。

序列的下一部分由对应于前述方法的步骤c)的信号处理构成，所述信号处理在计算机9中被执行，以使得能够定位并且甚至表征潜在缺陷2。

如果结构具有非常大的尺寸，则可以设置该第一序列的两个变型。在这种情况下(未示出)，声学检查系统包括类似于4个所示的声学激励发生器的多个声学激励发生器。因此，每个激励发生器朝向表面S上的不同点Pei，以使得多个激励源将足够的声能传递到结构1。同时，可以增加测量点的数量N，以使得能够以规则的方式覆盖表面S。

在所述序列结束时，如果没有检测到缺陷，或者如果认为检测到的缺陷2已经被充分定位和表征，则该方法可以停止。

如果认为有必要更好地定位在第一序列期间识别的缺陷2，则可以开始第二序列。

对于该第二序列，如图4b所示，重新定义一组N'个(在该示例中N'等于3)测量点P'mi，使得该测量点P'mi更接近缺陷2的估计位置Pd，以便在子步骤c1)期间通过利用超声波尾波来提高用于定位缺陷2的算法的精度，如结合图5所描述的。

因此，通过利用超声波尾波，使用新的一组测量点P'm₁-P'm_N’，以与第一序列相同的方式执行第二序列。

在第一序列之后或在第二序列之后，如果认为缺陷2在相对于表面S的深度方面需要被更好地表征或者更好地定位，则还可以应用第三序列。

在该第三序列中，传感器/记录器用于在位于所述缺陷所在区域上方的表面S上的点Pcs周围执行C扫描成像。因此，该序列能够使用与超声尾波方法不同并且在上文中已经明确说明的装置来可视地显示缺陷2。因此，该序列可以改善所述缺陷2的表征。

Claims (15)

1.一种通过来自给定表面(S)的声学尾波来检查结构(1)的系统，所述给定表面能够从所述结构的外部接近，所述系统包括：

-激励发生装置(4)，被设置成通过确定形式的声脉冲(e(t))在所述给定表面(S)上的至少一个设定的激励点(Pe₁)处声学地激励所述结构(1)；

-至少一个测量装置(6，7，8)，被设置成在相对于所述声脉冲(e(t))的确定的时间窗口内，在所述给定表面(S)上的至少三个确定的测量点(Pm_i)处测量振动(h_i(t))；

-电子装置(9)，被设置成利用由所述测量装置(6，7，8)提供的振动测量值(h_i(t))，以通过所述测量点(Pm_i)中的每个测量点处的所述声学尾波的信号(c_i(t))，来限定所述结构中的至少一个潜在缺陷(2)的指示(Pd)；

所述系统，其特征在于，所述测量装置(6，7，8)被设置成在空气中执行测量而不接触所述结构(1)。

2.根据前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述激励装置(4)被设置成在空气中执行激励(e(t))而不接触所述结构(1)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述声学尾波的信号(c_i(t))包括在200kHz到1000kHz之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述激励发生装置(4)包括压缩空气喷射发生器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述测量装置(6，7，8)是干涉测量激光器类型的装置。

6.根据前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述测量装置包括光学系统(7)，所述光学系统(7)被设置成将给定的激光束(6)引向不同的测量点(Pm_i)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括C扫描类型的超声波检查装置(10，11，12)，所述超声波检查装置被设置成在所述结构(1)上的潜在缺陷(2)的邻近处(Pcs)被实施。

8.一种通过来自给定表面(S)的声学尾波来检查结构(1)的方法，所述给定表面能够从所述结构的外部接近，所述方法包括：

-步骤a)，通过确定形式的声脉冲(e(t))在所述给定表面(S)上的至少一个设定的激励点(Pe₁)处声学地激励所述结构(1)；

-步骤b)，在所述声脉冲(e(t))之后的确定的时间窗口内，在所述给定表面(S)上的至少三个设定的测量点(Pm_i)处测量振动(h_i(t))；

-步骤c)，利用所述结构(1)的振动测量值(h_i(t))，以通过所述测量点(Pm_i)中的每个测量点处的所述声学尾波的信号(c_i(t))，

来限定所述结构中的至少一个潜在缺陷(2)的指示；

所述方法，其特征在于，在步骤b)中，在不使测量装置与所述结构(1)接触的情况下进行测量。

9.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，在不使激励装置与所述结构接触的情况下执行所述结构(1)的声学激励(e(t))。

10.根据权利要求8和9中任一项所述的方法，其特征在于，所述声学尾波的信号(c_i(t))包括在200kHz到1000kHz之间。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，通过实施激光干涉测量方法来进行测量。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述测量装置执行三个测量点(Pm_i)的三角测量。

13.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述测量装置执行所述测量点(Pm_i)的扫描。

14.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，当潜在缺陷(2)被定位时，所述方法还包括：补充步骤和新序列，所述补充步骤包括在所述给定表面(S)上限定至少三个新的测量点(P’m₁-P’m₄)，所述至少三个新的测量点比先前使用的所述测量点(Pm₁-Pm₆)中的每一个测量点更接近所述缺陷(2)，所述新序列使用所述新的测量点(P’m₁-P’m₄)执行步骤a)、b)和c)。

15.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，还包括：在所述结构的潜在缺陷(2)的邻近处(Pcs)处实施C扫描类型的超声波检查的方法。