一种复合材料结构R区缺陷超声判别方法

摘要

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种复合材料结构R区缺陷超声判别方法。本发明方法基于来自被检测复合材料结构R区不同方向和位置的宽带窄脉冲超声波反射信号及其特征，利用其时域幅值、相位、传播时间等参量的变化与被检测复合材料结构R区蒙皮内部、R区蒙皮‑R区填充区界面、R区填充区及其缺陷的信号联系，构建了复合材料结构R区缺陷超声判别方法、检出缺陷的深度位置确定方法，采用软膜接触耦合或喷水耦合、手动或自动扫描方式，实现复合材料结构R区超声RF和成像检测，R区检测厚度范围为0.5～20mm。实际检测效果表明，显著提高了复合材料结构R区超声检测缺陷判别的准确性和可靠性以及对R区的缺陷检出能力与可检性。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种复合材料结构R区缺陷超声判别方法。

背景技术

复合材料结构已经在在航空航天、交通等领域得到了批量应用，R区是复合材料结构中的重要连接与几何过渡区，起着承载和传力作用。因此，通常要求对复合材料结构中的R区进行100％覆盖无损检测。目前，主要是基于来自复合材料结构R区超声反射信号的幅值(即dB法)进行缺陷判别，其主要不足是：由于复合材料结构R区内部结构复杂，由此会造成复杂的声波反射信号，影响缺陷的判别和缺陷的定量分析，容易造成缺陷漏检和误判。

发明内容

本发明的目的是针对判别复合材料结构中的R区缺陷存在的不足，提出一种复合材料结构R区缺陷超声判别方法。

本发明的技术解决方案是，

1.所述的一种复合材料结构R区缺陷超声判别方法，由超声换能器、超声单元、扫描单元、信号处理单元和显示单元构成，

超声换能器与被检测复合材料结构R区蒙皮表面之间采用液体耦合剂，超声换能器在超声单元的作用下，产生宽带窄脉冲入射超声波信号通过耦合剂传播到被检测复合材料结构R区蒙皮(6A、6B和6C)表面，中的一部分在被检测复合材料结构R区蒙皮表面形成宽带窄脉冲反射超声波信号另一部分声波经过在被检测复合材料结构R区蒙皮表面反射/折射后，在被检测复合材料结构R区蒙皮内部形成宽带窄脉冲透射超声波信号当传播到被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区界面时，经过再次反射/折射后，在被检测复合材料结构R区中的填充区内形成宽带窄脉冲透射超声波信号和在被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区界面形成的宽带窄脉冲反射超声波信号在被检测复合材料结构R区中的蒙皮内缺陷周围形成反射宽带窄脉冲超声波在被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区(6D)界面缺陷周围形成反射宽带窄脉冲超声波在被检测复合材料结构R区中的填充区内缺陷周围形成反射宽带窄脉冲超声波

这里，

A_I、t_I分别为的幅值、相位和自发出后传播时间，

A_F、t_F分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区中的蒙皮表面的时间，

A_T1、t_T1分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区中蒙皮(内部的时间，

A_T2、t_T2分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R中的填充区内的时间，

A_B、t_B分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区界面的时间，

A_D1、t_D1分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区中的蒙皮内缺陷界面的时间，

A_D2、t_D2分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区界面缺陷界面的时间，

A_D3、t_D3分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区中的填充区内部缺陷界面的时间，

由超声换能器接收来自被检测复合材料结构R区中的宽带窄脉冲反射超声波信号，经过信号处理单元处理后，由显示单元显示宽带窄脉冲反射超声波信号，并基于此宽带窄脉冲反射超声波信号或其对应的图像信号进行被检测复合材料结构R区中的缺陷判，其中：

1)当显示单元显示的检测信号满足下列条件时：

判别被检测复合材料结构R区中没有缺陷，其中，

这里，A_F＝R₁A_I，t_F＝t_I，

ρ₁，υ₁——分别为超声换能器与被检测复合材料结构R区中的蒙皮表面之间的液体耦合剂的密度和声速，

ρ₂，υ₂——分别为被检测复合材料结构R区中的蒙皮的密度和声速，

Sgn(R₁)——为取R₁的正负号函数；

当R₁＞0时，Sgn(R₁)＝1，R₁＜0时，Sgn(R₁)＝-1；

这里，A_B＝T₁T₁'R₂A_I，且当A_B＝0时，即表示此时在被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区界面没有形成宽带窄脉冲反射超声波信号

被检测复合材料结构R区中的蒙皮的厚度h由下式确定：

这里，t_B——为从被检测复合材料结构R区中的蒙皮表面传播到蒙皮-R填充区界面的往返所需时间，

当A_B≠0时，则即表示此时在被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区界面形成了宽带窄脉冲反射超声波信号且且当超声换能器从被检测复合材料结构R区中的蒙皮一侧检测时，h为被检测复合材料结构R区中的蒙皮的厚度h₁，即h＝h₁，当超声换能器从被检测复合材料结构R区中的蒙皮一侧检测时，h为被检测复合材料结构R区中的蒙皮的厚度h₂，即h＝h₂，当超声换能器从被检测复合材料结构R区中的蒙皮一侧检测时，h为被检测复合材料结构R区中的蒙皮的厚度h₃，即h＝h₃，

ρ₃，υ₃——分别为被检测复合材料结构R区中的R填充区的密度和声速，

α₁——为宽带窄脉冲超声波在被检测复合材料结构R区中的蒙皮中的声衰减系数，

当T₁T₁'R₂＞0时，Sgn(T₁T₁'R₂)＝1，T₁T₁'R₂＜0时，Sgn(T₁T₁'R₂)＝-1；

2)当显示单元(5)显示的检测信号满足下列条件时：

且会出现的二次宽带窄脉冲超声波信号

判别被检测复合材料结构R区中的蒙皮内有缺陷，

其中，

A_B＝0或A_B→0，与缺陷的性质和大小有关，

这里，A_D1＝T₁T₁'R_D1A_I，

ρ_D1，υ_D1——分别为被检测复合材料结构R区中的蒙皮中的缺陷的密度和声速，

当T₁T₁'R_D1＞0时，Sgn(T₁T₁'R_D1)＝1，T₁T₁'R_D1＜0时，Sgn(T₁T₁'R_D1)＝-1，

缺陷的深度h_D1为：

3)当显示单元(5)显示的检测信号满足下列条件时：

且

出现的二次宽带窄脉冲超声波信号

判别被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区界面有缺陷，

其中，

这里，

ρ_D2，υ_D2——分别为被检测复合材料结构R区中的蒙皮-R填充区界面缺陷的

密度和声速，

当T₁T₁'R_D2＞0时，Sgn(T₁T₁'R_D2)＝1，T₁T₁'R_D2＜0时，Sgn(T₁T₁'R_D2)＝-1，

缺陷的深度h_D2等于蒙皮的厚度，且：当超声换能器从蒙皮一侧检测时，h_D2＝h₁，当超声换能器从蒙皮一侧检测时，h_D2＝h₂，当超声换能器从蒙皮一侧检测时，h_D2＝h₃；

4)当显示单元显示的检测信号满足下列条件时：

且会出现的二次宽带窄脉冲超声波信号

判别被检测复合材料结构R区中的R填充区内部存在缺陷，

其中，

在R填充区内部缺陷周围形成反射宽带窄脉冲超声波

这里，A_D3＝T₁T₁'T₂T₂'R_D3A_I，

ρ_D3，υ_D3——分别为被检测复合材料结构R区中的R填充区内部缺陷的密度和声速，

当T₁T₁'T₂T₂'R_D3＞0时，Sgn(T₁T₁'T₂T₂'R_D3)＝1，T₁T₁'T₂T₂'R_D3＜0时，Sgn(T₁T₁'T₂T₂'R_D3)＝-1，

h_D3——为缺陷的深度，由下式确定，

采用超声RF方式记录和显示来自被检测复合材料结构R区(6)的宽带窄脉冲超声波信号，

通过移动超声换能器从被检测复合材料结构R区中的蒙皮不同方向进行检测，实现对被检测复合材料结构R区不同部位和不同类型的R区进行超声覆盖检测。

超声换能器与被检测复合材料结构R区中的蒙皮表面之间采用软膜接触耦合或喷水耦合。

超声换能器的脉冲周期1-1.5周，频率2-10MHz之间选择，通过手动或者多轴扫描机构实现超声换能器对被检测复合材料结构R区的扫描检测。

超声单元的增益可调、阻尼可调，带宽不小于40MHz。

显示单元采用超声RF显示和图像显示方式。

本发明具有的优点和有益效果，

本发明方法基于来自被检测复合材料结构R区不同方向和位置的宽带窄脉冲超声波反射信号及其特征，利用其时域幅值、相位、传播时间等参量的变化与被检测复合材料结构R区蒙皮内部、R区蒙皮-R区填充区界面、R区填充区及其缺陷的信号联系，构建了复合材料结构R区缺陷超声判别方法、检出缺陷的深度位置确定方法，采用软膜接触耦合或喷水耦合、手动或自动扫描方式，实现复合材料结构R区超声RF和成像检测，R区检测厚度范围为0.5～20mm。实际检测效果表明，显著提高了复合材料结构R区超声检测缺陷判别的准确性和可靠性以及对R区的缺陷检出能力与可检性。

本发明利用宽带脉冲超声波在复合材料结构R区的反射行为，通过建立超声波反射信号时域多特征参数，构建复合材料结构R区缺陷判别函数，实现复合材料结构R区缺陷判别和缺陷定位，显著提高了超声对复合材料结构中R区中不同部位可能产生的缺陷的检出能力。

本发明基于宽带脉冲超声波在复合材料结构R区的反射行为，利用所建立的复合材料结构R区超声波反射信号时域多特征参数的缺陷判别函数和R区缺陷判别方法，进行复合材料结构R缺陷的判别和定位，显著改善了单一依赖超声反射信号幅值(即dB法)进行缺陷判别的不足，明显提高了复合材料结构R区不同部位超声检测的可靠性和缺陷判别的准确性。

利用本发明中提出基于宽带脉冲超声波在复合材料结构R区不同部位的反射行为和所构建的复合材料结构R区缺陷判别方法及检测方法，进行复合材料结构R的超声检测和R区缺陷的判别和定位，明显改善了复合材料结构R区超声可检性，可显著降低复合材料结构R区超声检测中的缺陷误判率和漏检率。

附图说明

图1是本发明的复合材料结构R区缺陷超声判别方法原理示意图；

图2是本发明的本发明中的复合材料结构R区缺陷判别方法图例。

具体实施方式

1.一种复合材料结构R区缺陷超声判别方法，由超声换能器1、超声单元2、扫描单元3、信号处理单元4和显示单元5构成，如图1所示，

超声换能器1与被检测复合材料结构R区6蒙皮6A、6B和6C表面之间采用液体耦合剂，超声换能器1在超声单元2的作用下，产生宽带窄脉冲入射超声波信号如图1所示，通过耦合剂传播到被检测复合材料结构R区6蒙皮6A、6B和6C表面，中的一部分在被检测复合材料结构R区6蒙皮6A、6B和6C表面形成宽带窄脉冲反射超声波信号另一部分声波经过在被检测复合材料结构R区6蒙皮6A、6B和6C表面反射/折射后，在被检测复合材料结构R区6蒙皮6A、6B和6C内部形成宽带窄脉冲透射超声波信号当传播到被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C-R填充区6D界面时，经过再次反射/折射后，在被检测复合材料结构R区6中的填充区6D内形成宽带窄脉冲透射超声波信号和在被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C-R填充区界面形成的宽带窄脉冲反射超声波信号在被检测复合材料结构R区6中的蒙皮内缺陷周围形成反射宽带窄脉冲超声波在被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C-R填充区6D界面缺陷周围形成反射宽带窄脉冲超声波在被检测复合材料结构R区6中的填充区6D内缺陷周围形成反射宽带窄脉冲超声波如图1所示，

这里，

A_I、t_I分别为的幅值、相位和自发出后传播时间，

A_F、t_F分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C表面的时间，

A_T1、t_T1分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区6中蒙皮6A、6B和6C内部的时间，

A_T2、t_T2分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R6中的填充区6D内的时间，

A_B、t_B分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C-R填充区6D界面的时间，

A_D1、t_D1分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C内缺陷界面的时间，

A_D2、t_D2分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C-R填充区6D界面缺陷界面的时间，

A_D3、t_D3分别为的幅值、相位和传播到被检测复合材料结构R区6中的填充区6D内部缺陷界面的时间，

由超声换能器1接收来自被检测复合材料结构R区6中的宽带窄脉冲反射超声波信号，经过信号处理单元4处理后，由显示单元5显示宽带窄脉冲反射超声波信号，并基于此宽带窄脉冲反射超声波信号或其对应的图像信号进行被检测复合材料结构R区6中的缺陷判，其中：

1如图2a所示，当显示单元5显示的检测信号满足下列条件时：

判别被检测复合材料结构R区6中没有缺陷，其中，

这里，A_F＝R₁A_I，t_F＝t_I，

ρ₁，υ₁——分别为超声换能器1与被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C表面之间的液体耦合剂的密度和声速，

ρ₂，υ₂——分别为被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C的密度和声速，

Sgn(R₁)——为取R₁的正负号函数；

当R₁＞0时，Sgn(R₁)＝1，R₁＜0时，Sgn(R₁)＝-1；

这里，A_B＝T₁T₁'R₂A_I，且当A_B＝0时，即表示此时在被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C-R填充区6D界面没有形成宽带窄脉冲反射超声波信号

被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C的厚度h由下式确定：

这里，t_B——为从被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C表面传播到蒙皮6A、6B和6C-R填充区6D界面的往返所需时间，

当A_B≠0时，则即表示此时在被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C-R填充区6D界面形成了宽带窄脉冲反射超声波信号且且当超声换能器1从被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6B一侧检测时，h为被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6B的厚度h₁，即h＝h₁，当超声换能器1从被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A一侧检测时，h为被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A的厚度h₂，即h＝h₂，当超声换能器1从被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6C一侧检测时，h为被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6C的厚度h₃，即h＝h₃，

ρ₃，υ₃——分别为被检测复合材料结构R区6中的R填充区6D的密度和声速，

α₁——为宽带窄脉冲超声波在被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B和6C中的声衰减系数，

当T₁T₁'R₂＞0时，Sgn(T₁T₁'R₂)＝1，T₁T₁'R₂＜0时，Sgn(T₁T₁'R₂)＝-1；

2如图2b所示，当显示单元5显示的检测信号满足下列条件时：

且会出现的二次宽带窄脉冲超声波信号

判别被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B、6C内有缺陷，

其中，

A_B＝0或A_B→0，与缺陷的性质和大小有关，

这里，A_D1＝T₁T₁'R_D1A_I，

ρ_D1，υ_D1——分别为被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B、6C中的缺陷的密度和声速，

当T₁T₁'R_D1＞0时，Sgn(T₁T₁'R_D1)＝1，T₁T₁'R_D1＜0时，Sgn(T₁T₁'R_D1)＝-1，

缺陷的深度h_D1为：

3如图2c所示，当显示单元5显示的检测信号满足下列条件时：

且

出现的二次宽带窄脉冲超声波信号

判别被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B、6C-R填充区6D界面有缺陷，

其中，

这里，

ρ_D2，υ_D2——分别为被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B、6C-R填充

区6D界面缺陷的密度和声速，

当T₁T₁'R_D2＞0时，Sgn(T₁T₁'R_D2)＝1，T₁T₁'R_D2＜0时，Sgn(T₁T₁'R_D2)＝-1，

缺陷的深度h_D2等于蒙皮6A、6B、6C的厚度，且：当超声换能器1从蒙皮6B一侧检测时，h_D2＝h₁，当超声换能器1从蒙皮6A一侧检测时，h_D2＝h₂，当超声换能器1从蒙皮6D一侧检测时，h_D2＝h₃；

4如图2d所示，当显示单元5显示的检测信号满足下列条件时：

且会出现的二次宽带窄脉冲超声波信号

判别被检测复合材料结构R区6中的R填充区6D内部存在缺陷，

其中，

在R填充区6D内部缺陷周围形成反射宽带窄脉冲超声波

这里，

ρ_D3，υ_D3——分别为被检测复合材料结构R区6中的R填充区6D内部缺陷的密度和声速，

当T₁T₁'T₂T₂'R_D3＞0时，Sgn(T₁T₁'T₂T₂'R_D3)＝1，T₁T₁'T₂T₂'R_D3＜0时，Sgn(T₁T₁'T₂T₂'R_D3)＝-1，

h_D3——为缺陷的深度，由下式确定，

2.如图2所示，采用超声RF方式记录和显示来自被检测复合材料结构R区6的宽带窄脉冲超声波信号，

3.通过移动超声换能器1从被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B、6C不同方向进行检测，实现对被检测复合材料结构R区6不同部位和不同类型的R区进行超声覆盖检测，如图1所示。

4.超声换能器1与被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B、6C表面之间采用软膜接触耦合或喷水耦合，通过改变或调解超声换能器1的姿态实现对复合材料结构R区6周向扫描检测，通过沿被检测复合材料结构R区6轴向移动超声换能器1，实现对复合材料结构R区6轴向扫描检测。

5.超声换能器1的脉冲周期1-1.5周，频率2-10MHz之间选择，通过手动或者多轴扫描机构使超声换能器1分别从被检测复合材料结构R区6中的蒙皮6A、6B、6C一侧进行扫描，从而实现对被检测复合材料结构R区6的覆盖扫描检测，参见图1所示。

6.超声单元2的增益可调、阻尼可调，带宽不小于40MHz，已获取最佳的超声检测信号和检测效果。

7.显示单元5采用超声RF显示和图像显示方式，实现检测结果的显示、记录和检出缺陷的量化评定。

实施例

采用本发明，选择中航复合材料有限责任公司生产的MUT-1和FCC-D-1、FCC-B-1超声检测仪器、CUS-21J超声检测系统及FJ-1高分辨率超声换能器，采用水膜耦合对不同厚度碳纤维复合材料结构R区进行了系列的实际检测应用，其中，复合材料结构R区的长度在100mm—2000不等，R区厚度分布在0.5-20mm不等，采用RF显示方式和图像方式，通过手动扫描和自动扫描检测方式，进行了系列的检测应用，实际检测结果表明：1当超声检出被检测复合材料结构R内部没有缺陷时，显示单元5显示的检测信号中只有和而均为0；2当超声检出被检测复合材料结构R中的蒙皮内部有分层缺陷时，显示单元5显示的检测信号中有且消失，出现二次反射信号3当超声检出被检测复合材料结构R中的蒙皮-R填充区界面有缺陷时，显示单元5显示的检测信号中有且出现的二次反射信号而消失；4当超声检出被检测复合材料结构R中R填充区有缺陷时，显示单元5显示的检测信号中有且出现的二次反射信号而消失。利用本发明可以非常清晰地对复合材料结构R区检出缺陷进行准确地判别，可检出复合材料结构R区中Ф3mm的分层缺陷，缺陷深度定位准确性在1个复合材料铺层范围内，表面检测盲区可达0.13mm，即，单个复合材料铺层厚度，取得了很好的实际检测效果和应用效果。