本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于脈沖超聲全息的復(fù)合材料缺陷判別方法。

背景技術(shù)：

目前在復(fù)合材料超聲脈沖反射法檢測時，主要基于接收到得脈沖回波信號進(jìn)行無損檢測，這里，A_r(ω_rt_r)表示回波信號的幅度，表示為回波信號的相位，ω_r表示回波信號的角頻率，t_r為回波信號傳播的時間。采用的缺陷判別方法主要是利用來自缺陷周圍的回波信號的幅度A_r(ω_rt_r)的大小進(jìn)行缺陷判別，檢測信號采用視頻(VF)或者射頻(RF)顯示或者C-掃描等圖像形式顯示。一方面，由于復(fù)合材料內(nèi)部各向異性和微結(jié)構(gòu)特點，即使其內(nèi)部沒有缺陷，也可能會產(chǎn)生“缺陷”信號顯示，從而造成偽缺陷信號顯示，導(dǎo)致誤判；2)即使當(dāng)檢測信號中顯示的“缺陷”信號幅度超過了預(yù)先設(shè)定的判別閾值，也不一定是缺陷；3)缺陷的類型(即性質(zhì))往往與回波信號的幅度關(guān)聯(lián)性不明顯。因此，根據(jù)檢測信號的幅度屬性進(jìn)行復(fù)合材料缺陷檢測與判別；另一方面，目前采用的常規(guī)脈沖超聲檢測儀器和換能器通常只能提供一個多周期的超聲脈沖回波信號，對缺陷性質(zhì)的變化引起的相位變化不明顯，甚至難以檢出，特別是針對層壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，單個鋪層厚度僅有0.13mm左右，對應(yīng)超聲波傳播時間t_r≈80ns，從而導(dǎo)致淹沒在多周信號中，當(dāng)超聲頻率f＝5MHz時，其脈沖周期t_f＝200ns，當(dāng)接收信號周期n＝3-5時，則其時域占寬T＝600-1000ns，此時，T＞＞t_r，從而會使的變化完全淹沒在其中，而無法檢出的變化，理想的情況是使n→1。因此，其主要不足是：(1)僅根據(jù)檢測信號的幅度及其大小難以確定缺陷的類型；(2)由于復(fù)合材料各向異性和多向組份物理復(fù)合的特點，容易造成誤判。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，提出一種不容易造成誤判并能夠確定缺陷類型的基于單周脈沖超聲回波全息的復(fù)合材料缺陷判別方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，

(一)檢測與信號顯示

采用復(fù)合材料超聲檢測儀器對被檢測復(fù)合材料進(jìn)行接觸反射法檢測，檢測信號通過復(fù)合材料超聲檢測儀器進(jìn)行RF顯示與記錄，復(fù)合材料超聲檢測儀器包括，超聲換能器、超聲單元、RF信號顯示單元，超聲換能器通過高頻連接電纜與超聲單元連接，超聲單元與RF信號顯示單元相連，其中，超聲換能器采用具有單周特性的超聲換能器，超聲單元采用具有單周脈沖方式激勵和寬帶RF信號處理功能的超聲類的檢測儀器或者超聲單元，通過超聲單元激勵超聲換能器，使超聲換能器產(chǎn)生單周入射超聲脈沖波信號再通過耦合介質(zhì)與被檢測復(fù)合材料相互作用，一部分周入射超聲脈沖波信號在復(fù)合材料表面形成反射單周超聲脈沖波信號另一部周入射超聲脈沖波信號形成單周透射超聲脈沖波信號繼續(xù)在復(fù)合材料內(nèi)部傳播，在忽略聲波在復(fù)合材料中的頻散和衰減時，則有

這里，

A_P(ω_pt_p)、分別表示單周入射超聲脈沖波信號的幅度和相位，

A_k(ω_kt_k)、分別表示單周透射超聲脈沖波信號的幅度和相位，

A_f(ω_ft_f)、分別表示反射單周超聲脈沖波信號的幅度和相位，

ω_p≈ω_k≈ω_f＝ω，ω表示單周入射超聲波信號的角頻率，

t_p、t_k、t_f依次表示單周入射超聲脈沖波信號、單周透射超聲脈沖波信

號和反射單周超聲脈沖波信號的傳播時間；

ρ₀、ν₀分別表示耦合介質(zhì)的密度和聲速，

ρ₁、ν₁分別表示被檢測復(fù)合材料的密度和聲速，

(1)當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部沒有缺陷時，單周透射超聲脈沖波信號在復(fù)合材料底面形成單周反射超聲脈沖波信號超聲換能器接收到來自被檢測復(fù)合材料的單周反射超聲脈沖波信號(5)與反射單周超聲脈沖波信號合成后的單周反射超聲信號即

這里，A_f(ω_ft_f)、分別表示在復(fù)合材料表面形成反射單周超聲脈沖波信號的幅度和相位，

A_b(ω_bt_b)、分別表示在復(fù)合材料底面形成反射單周超聲脈沖波信號的幅度和相位，

ω_b≈ω表示單周超聲脈沖波信號的角頻率，

t_b表示單周反射超聲脈沖波信號的傳播時間；

(2)當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部存在缺陷時，單周透射超聲脈沖波信號在缺陷區(qū)形成單周反射超聲脈沖波信號和超聲換能器接收到來自被檢測復(fù)合材料在缺陷區(qū)的單周反射超聲脈沖波信號與缺陷區(qū)形成單周反射超聲脈沖波信號(3和4)合成單周反射超聲信號即

其中，

這里，A_d1(ω_d1t_d1)、分別表示在缺陷區(qū)表面形成反射單周超聲脈沖波信號的幅度和相位，在其他條件一定時，A_d1(ω_d1t_d1)、與缺陷的性質(zhì)有關(guān)，

A_d2(ω_d2t_d2)、分別表示在缺陷區(qū)底面形成單周反射超聲脈沖波信號(4)的幅度和相位，在其他條件一定時，與缺陷的性質(zhì)有關(guān)，

ω_d1≈ω_d2≈ω表示單周反射超聲脈沖波信號的角頻率，

t_d1、t_d2分別表示單周反射超聲脈沖波信號的傳播時間，

此時缺陷區(qū)的單周透射超聲脈沖波信號1’在缺陷區(qū)表面和底面形成的單周反射超聲脈沖波信號和用(5)式和(6)式表示

其中，

這里，R_d1、R_d2分別表示單周透射超聲脈沖波信號在缺陷區(qū)表面和底面的聲壓反射系數(shù)，

ρ₂、ν₂分別表示缺陷區(qū)的密度和聲速；

缺陷距復(fù)合材料表面的距離，即深度用式(9)表示，

(二)缺陷判別和缺陷類型確定

根據(jù)RF信號顯示單元顯示的單周反射超聲信號，利用式(2)～式(9)進(jìn)行缺陷判別和缺陷類型判別：

1)當(dāng)ρ₁＝ρ₂、ν₁＝ν₂，由式(7)和(8)可知，R_d1＝0、R_d2＝0，則由式(5)和(6)可知，此時和則，根據(jù)式(2)，此時RF信號顯示單元顯示信號為：表明此時被檢測復(fù)合材料內(nèi)部沒有缺陷；

2)當(dāng)ρ₁＞ρ₂、ν₁＞ν₂時，由式(7)和(8)可知，R_d1≠0、R_d2≠0，此時，RF信號顯示單元顯示信號表明此時被檢測復(fù)合材料內(nèi)部存在缺陷，根據(jù)式(7)和式(8)，相位相位出現(xiàn)雙向翻轉(zhuǎn)和雙峰圖形特征，表明此時被檢測復(fù)合材料內(nèi)部缺陷為富樹脂區(qū)缺陷，其深度根據(jù)式(9)確定；

3)當(dāng)ρ₁＜ρ₂、ν₁＜ν₂，由式(7)和(8)可知，R_d1≠0、R_d2≠0，此時，RF信號顯示單元顯示信號表明此時被檢測復(fù)合材料內(nèi)部存在缺陷，根據(jù)式(7)和式(8)，相位相位出現(xiàn)與樹脂區(qū)相反的雙向翻轉(zhuǎn)和雙峰圖形特征，表明此時被檢測復(fù)合材料內(nèi)部缺陷為高密度區(qū)夾雜，缺陷的深度根據(jù)式(9)確定；

4)當(dāng)ρ₁＞＞ρ₂、ν₁＞＞ν₂，由式(7)和(8)可知，R_d1→-1，此時，RF信號顯示單元顯示信號表明此時被檢測復(fù)合材料內(nèi)部存在缺陷，根據(jù)式(7)，相位相位呈現(xiàn)單向翻轉(zhuǎn)和單峰圖形特征，表明此時被檢測復(fù)合材料內(nèi)部缺陷為分層或者氣孔，缺陷的深度根據(jù)式確定。

超聲換能器與被檢測復(fù)合材料之間采用軟膜接觸濕耦合。

超聲換能器的脈沖頻率2-10MHz之間。

超聲單元的增益可調(diào)、阻尼可調(diào)，帶寬不小于40MHz。

超聲換能器和超聲單元以及RF信號顯示單元組合后的復(fù)合材料檢測厚度范圍為0.2～20mm。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果，

本發(fā)明方法基于單周超聲脈沖波信號與被檢測復(fù)合材料相互作用，形成的反射單周超聲脈沖波信號的幅值、相位及聲程等全信息進(jìn)行缺陷及其性質(zhì)的判別，進(jìn)行檢出缺陷的定深，采用超聲RF方式記錄與顯示檢測信號，超聲換能器與被檢測復(fù)合材料之間采用軟膜接觸濕耦合，超聲換能器的頻率2-10MHz之間，檢測厚度范圍為0.2～20mm。實際檢測效果表明，顯著減少了復(fù)合材料超聲檢測中的缺陷誤判和漏判，大大提高復(fù)合材料超聲檢測的可靠性和缺陷判別的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明利用高分辨率超聲換能器和超聲信號儀器發(fā)射/接收具有嚴(yán)格單周特性的超聲全息信號，進(jìn)而提取缺陷性質(zhì)變化引起的相位和幅值的變化，顯著提高了對復(fù)合材料缺陷性質(zhì)判別的能力。

本發(fā)明基于單周脈沖超聲回波全息的復(fù)合材料缺陷判別方法，利用高分辨率超聲換能器和超聲信號儀器發(fā)射/接收具有嚴(yán)格單周特性的超聲全息信號，使n→1，從而使T顯著減小，進(jìn)而提取缺陷性質(zhì)變化引起的的變化，進(jìn)行復(fù)合材料缺陷類型的判別，大大地減少了對缺陷的誤判和漏判率。

本發(fā)明同時利用來自被檢測復(fù)合材料中的單周脈沖超聲回波幅值、相位和聲程，進(jìn)行缺陷判別，進(jìn)而提取缺陷性質(zhì)變化引起的相位和幅值的變化，進(jìn)行復(fù)合材料缺陷及其性質(zhì)的判別與深度定位，顯著提高了復(fù)合材料超聲檢測中的缺陷判別的準(zhǔn)確性和可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于單周脈沖超聲回波全息的復(fù)合材料缺陷判別方法原理示意圖1，其中圖1(a)是復(fù)合材料中沒有缺陷的判別方法示意圖，圖1(b)是復(fù)合材料中富脂的判別方法示意圖；

圖2是本發(fā)明的基于單周脈沖超聲回波全息的復(fù)合材料缺陷判別方法原理示意圖2；其中圖2(a)是復(fù)合材料高密度夾雜的判別方法示意圖，圖2(b)是復(fù)合材料中分層的判別方法示意圖；

圖3是本發(fā)明的基于單周脈沖超聲回波全息的復(fù)合材料缺陷判別方法檢測實現(xiàn)方法原理組成。

具體實施方式

1.一種基于脈沖超聲全息的復(fù)合材料缺陷判別方法是，

(一)檢測與信號顯示

采用復(fù)合材料超聲檢測儀器對被檢測復(fù)合材料10進(jìn)行接觸反射法檢測，檢測信號通過復(fù)合材料超聲檢測儀器進(jìn)行RF顯示與記錄，復(fù)合材料超聲檢測儀器包括，超聲換能器11、超聲單元8、RF信號顯示單元9，如圖3所示，超聲換能器11通過高頻連接電纜與超聲單元連接，超聲單元8與RF信號顯示單元9相連，其中，超聲換能器11采用具有單周特性的超聲換能器，超聲單元8采用具有單周脈沖方式激勵和寬帶RF信號處理功能的超聲類的檢測儀器或者超聲單元，通過超聲單元8激勵超聲換能器11，使超聲換能器11產(chǎn)生單周入射超聲脈沖波信號再通過耦合介質(zhì)與被檢測復(fù)合材料相互作用，一部分周入射超聲脈沖波信號(1)在復(fù)合材料表面形成反射單周超聲脈沖波信號2另一部周入射超聲脈沖波信號1形成單周透射超聲脈沖波信號1’繼續(xù)在復(fù)合材料內(nèi)部傳播，如圖1所示，在忽略聲波在復(fù)合材料中的頻散和衰減時，則有

這里，

A_P(ω_pt_p)、分別表示單周入射超聲脈沖波信號1的幅度和相位，

A_k(ω_kt_k)、分別表示單周透射超聲脈沖波信號1’的幅度和相位，

A_f(ω_ft_f)、分別表示反射單周超聲脈沖波信號2的幅度和相位，

ω_p≈ω_k≈ω_f＝ω，ω表示單周入射超聲波信號1的角頻率，

t_p、t_k、t_f依次表示單周入射超聲脈沖波信號1、單周透射超聲脈沖波信

號1’和反射單周超聲脈沖波信號2的傳播時間；

ρ₀、ν₀分別表示耦合介質(zhì)的密度和聲速，

ρ₁、ν₁分別表示被檢測復(fù)合材料10的密度和聲速，

(1)當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部沒有缺陷時，單周透射超聲脈沖波信號1’在復(fù)合材料底面形成單周反射超聲脈沖波信號如圖1所示，超聲換能器接收到來自被檢測復(fù)合材料的單周反射超聲脈沖波信號5與反射單周超聲脈沖波信號2合成后的單周反射超聲信號7如圖1(a)，即

這里，A_f(ω_ft_f)、分別表示在復(fù)合材料表面形成反射單周超聲脈沖波信號2的幅度和相位，

A_b(ω_bt_b)、分別表示在復(fù)合材料底面形成反射單周超聲脈沖波信號2的幅度和相位，

ω_b≈ω表示單周超聲脈沖波信號5的角頻率，

t_b表示單周反射超聲脈沖波信號5的傳播時間；

(2)當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部存在缺陷時，單周透射超聲脈沖波信號1’在缺陷區(qū)形成單周反射超聲脈沖波信號(3和4)和如圖1(b，)超聲換能器接收到來自被檢測復(fù)合材料在缺陷區(qū)的單周反射超聲脈沖波信號2與缺陷區(qū)形成單周反射超聲脈沖波信號3和4合成單周反射超聲信號6如圖1(b)，即

其中，

這里，A_d1(ω_d1t_d1)、分別表示在缺陷區(qū)表面形成反射單周超聲脈沖波信號3的幅度和相位，在其他條件一定時，A_d1(ω_d1t_d1)、與缺陷的性質(zhì)有關(guān)，

A_d2(ω_d2t_d2)、分別表示在缺陷區(qū)底面形成單周反射超聲脈沖波信號4的幅度和相位，在其他條件一定時，與缺陷的性質(zhì)有關(guān)，

ω_d1≈ω_d2≈ω表示單周反射超聲脈沖波信號3和4的角頻率，

t_d1、t_d2分別表示單周反射超聲脈沖波信號3和4的傳播時間，

此時缺陷區(qū)的單周透射超聲脈沖波信號1’在缺陷區(qū)表面和底面形成的單周反射超聲脈沖波信號3和4和用(5)式和(6)式表示

其中，

這里，R_d1、R_d2分別表示單周透射超聲脈沖波信號1’在缺陷區(qū)表面和底面的聲壓反射系數(shù)，

ρ₂、ν₂分別表示缺陷區(qū)的密度和聲速；

缺陷距復(fù)合材料表面的距離，即深度用式(9)表示，

(二)缺陷判別和缺陷類型確定

根據(jù)RF信號顯示單元9顯示的單周反射超聲信號，利用式(2)～式(9)進(jìn)行缺陷判別和缺陷類型判別：

1)當(dāng)ρ₁＝ρ₂、ν₁＝ν₂，由式(7)和(8)可知，R_d1＝0、R_d2＝0，則由式(5)和(6)可知，此時和則，根據(jù)式(2)，此時RF信號顯示單元9顯示信號為：表明此時被檢測復(fù)合材料10內(nèi)部沒有缺陷，此時，超聲換能器接收到的單周反射超聲信號特征如圖1(a)所示；

2)當(dāng)ρ₁＞ρ₂、ν₁＞ν₂時，由式(7)和(8)，可知，R_d1≠0、R_d2≠0，此時，RF信號顯示單元9顯示信號6表明此時被檢測復(fù)合材料10內(nèi)部存在缺陷，根據(jù)式(7)和式(8)，相位相位出現(xiàn)雙向翻轉(zhuǎn)和雙峰圖形特征，表明此時被檢測復(fù)合材料10內(nèi)部缺陷為富樹脂區(qū)缺陷，其深度根據(jù)式(9)確定，此時，超聲換能器接收到的單周反射超聲信號特征如圖1(b)所示；

3)當(dāng)ρ₁＜ρ₂、ν₁＜ν₂，由式(7)和(8)可知，R_d1≠0、R_d2≠0，此時，RF信號顯示單元9顯示信號6表明此時被檢測復(fù)合材料10內(nèi)部存在缺陷，根據(jù)式(7)和式(8)，相位相位出現(xiàn)與樹脂區(qū)相反的雙向翻轉(zhuǎn)和雙峰圖形特征，表明此時被檢測復(fù)合材料10內(nèi)部缺陷為高密度區(qū)夾雜，缺陷的深度根據(jù)式(9)確定，此時，超聲換能器接收到的單周反射超聲信號特征如圖2(a)所示；

4)當(dāng)ρ₁＞＞ρ₂、ν₁＞＞ν₂，由式(7)和(8)可知，R_d1→-1，此時，RF信號顯示單元9顯示信號6表明此時被檢測復(fù)合材料(10)內(nèi)部存在缺陷，根據(jù)式(7)，相位相位呈現(xiàn)單向翻轉(zhuǎn)和單峰圖形特征，表明此時被檢測復(fù)合材料10內(nèi)部缺陷為分層或者氣孔，缺陷的深度根據(jù)式(9)確定，此時，超聲換能器接收到的單周反射超聲信號特征如圖2(b)所示。

5)其他類型的缺陷可以根據(jù)1)～4)進(jìn)行歸類判別。

2.超聲換能器11與被檢測復(fù)合材料10之間采用軟膜接觸濕耦合。

3.超聲換能器11的頻率2-10MHz之間。

4.超聲單元8的增益可調(diào)、阻尼可調(diào)，帶寬不小于40MHz。

5.超聲換能器11和超聲單元8以及RF信號顯示單元9組合后的復(fù)合材料檢測厚度范圍為0.2～20mm，用于不同厚度復(fù)合材料超聲檢測及其缺陷的判別。

實施例

采用本發(fā)明，選擇中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的MUT-1和FCC-D-1及FCC-B-1超聲檢測儀器和FJ-1高分辨率超聲換能器，采用水膜耦合對不同厚度碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系列的實際檢測應(yīng)用，其中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大小在100×100mm—1500×5000mm不等，厚度分布在0.5-20mm不等，采用本發(fā)明經(jīng)過了系列超聲檢測應(yīng)用，實際檢測結(jié)果表明：1)當(dāng)超聲檢出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有缺陷時，即ρ₁＝ρ₂、ν₁＝ν₂，檢測信號出現(xiàn)了圖1(a)所示的超聲信號特征，即此時被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有缺陷；2)當(dāng)超聲檢出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在富脂時，即ρ₁＞ρ₂、ν₁＞ν₂，檢測信號出現(xiàn)了圖1(b)所示的超聲信號特征，即此時被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在樹脂；3)當(dāng)超聲檢出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在金屬夾雜(即高密度夾雜)時，即ρ₁＜ρ₂、ν₁＜ν₂，檢測信號出現(xiàn)了圖2(a)所示的超聲信號特征，即此時被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在高密度夾雜；4)當(dāng)超聲檢出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在分層時，即ρ₁＞＞ρ₂、ν₁＞＞ν₂，檢測信號出現(xiàn)了圖2(b)所示的超聲信號特征，即此時被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在分層。根據(jù)本發(fā)明可以非常清晰地進(jìn)行復(fù)合材料缺陷及其性質(zhì)的判別，取得了很好的實際檢測效果和應(yīng)用效果。