本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲可視化成像方法。

背景技術(shù)：

各種復(fù)合材料加強(qiáng)筋條是復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中起到載荷傳遞和承力作用，這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式目前已在航空航天、交通等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。通常需要對(duì)復(fù)合材料筋條結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行可靠地?zé)o損檢測(cè)。目前是基于超聲方法進(jìn)行復(fù)合材料筋條結(jié)構(gòu)部位的無(wú)損檢測(cè)：一種是采用手工超聲掃描方法，利用超聲A-顯示信號(hào)進(jìn)行缺陷判別，其主要不足是，(1)點(diǎn)掃描，檢測(cè)效率低、易漏檢；(2)檢測(cè)結(jié)果不能可視化成像，容易引起缺陷誤判；(3)難以實(shí)時(shí)進(jìn)行被檢測(cè)筋條區(qū)全局顯示；(4)缺陷判別易受檢測(cè)人員主觀因素影響。為了改善其不足，另一種檢測(cè)方法是，通過(guò)設(shè)計(jì)一些專門的超聲自動(dòng)掃描檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料筋條結(jié)構(gòu)部位的掃描成像檢測(cè)，其主要不足是，(1)成本非常高、技術(shù)難度大，需要根據(jù)不同的復(fù)合材料筋條結(jié)構(gòu)部位的幾何特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的掃描檢測(cè)系統(tǒng)；(2)因自動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)復(fù)雜和場(chǎng)地環(huán)境條件的限制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難；(3)對(duì)檢測(cè)場(chǎng)地要求高，需要占用較大的專用檢測(cè)場(chǎng)地；(4)檢測(cè)結(jié)果的核實(shí)實(shí)時(shí)性不好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)復(fù)合材料筋條區(qū)結(jié)構(gòu)部位，提出一種檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲可視化成像方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料筋條區(qū)結(jié)構(gòu)部位的超聲可視化檢測(cè)，提高超聲對(duì)復(fù)合材料筋條區(qū)結(jié)構(gòu)部位檢測(cè)的可視化程度和實(shí)時(shí)性與檢測(cè)效率，進(jìn)而提高缺陷的檢出能力和檢測(cè)的可靠性，改進(jìn)復(fù)合材料筋條區(qū)結(jié)構(gòu)部位的可檢性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，

一種檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲可視化成像方法，由用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測(cè)的超聲陣列換能器、超聲陣列單元、信號(hào)處理單元和成像單元組成，在超聲陣列單元激勵(lì)超聲陣列換能器發(fā)射超聲波信號(hào)，此超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)通過(guò)耦合介質(zhì)傳播到被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)內(nèi)部，并在被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)內(nèi)部形成反射超聲波信號(hào)，此超聲波信號(hào)被超聲陣列換能器接收，并經(jīng)超聲陣列單元預(yù)處理后，由信號(hào)處理單元進(jìn)行數(shù)字化，再由成像單元按照所建立的顯示模型進(jìn)行成像，

(1)檢測(cè)部位

將被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)分為以下幾個(gè)檢測(cè)部位：

4)筋條區(qū)的右側(cè)底邊部位；

5)筋條區(qū)的左側(cè)底邊部位；

6)筋條區(qū)的立邊部位；

(2)入射方向選擇

選擇從筋條區(qū)的右側(cè)底邊和左側(cè)底邊及立邊方向作為入射方向進(jìn)行超聲可視化成像檢測(cè)：

d)入射方向①：適用于筋條區(qū)的右側(cè)底邊部位及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位的超聲可視化成像檢測(cè)；

e)入射方向②：適用于筋條區(qū)的左側(cè)底邊部及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位的超聲可視化成像檢測(cè)；

f)入射方向③：適用于筋條區(qū)的立邊部位的超聲可視化成像檢測(cè)；

(3)超聲陣列換能器的選擇

1)類型選擇

選擇用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測(cè)的超聲陣列換能器，對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的左側(cè)底邊部位及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位、筋條區(qū)的右側(cè)底邊部位(5A)及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位、筋條區(qū)的立邊部位進(jìn)行檢測(cè)，

用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲陣列換能器主要包括超聲反射鏡、超聲透射鏡、壓電晶元陣列、匹配層、阻尼塊、外殼、連接座，其中，

外殼為一長(zhǎng)方體，在此長(zhǎng)方體內(nèi)部為貫通內(nèi)長(zhǎng)方孔，在此長(zhǎng)方體下端前后外側(cè)有用于鎖緊超聲反射鏡的小凸臺(tái)及貫通孔，

壓電晶元陣列由N個(gè)壓電晶元組成，N為壓電晶元陣列的壓電晶元數(shù)，壓電晶元陣列的大小與匹配層的大小匹配，匹配層和阻尼塊的大小與外殼貫通內(nèi)長(zhǎng)方孔匹配，按照阻尼塊+壓電晶元陣列+匹配層的組合關(guān)系封裝在外殼的內(nèi)部，

超聲透射鏡為一矩形45°透聲斜契，相對(duì)于45°斜切面的一端平面與匹配層保持聲學(xué)耦合，利用螺母穿過(guò)外殼中的固定用的貫通孔與超聲透射鏡中兩個(gè)配套的固定用的螺紋孔鎖緊固定，相對(duì)于超聲透射鏡中的45°斜切面的另一端平面，即入射面與被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)中的右側(cè)底邊部位或左側(cè)底邊部位或立邊部位表面保持接觸或非接觸聲學(xué)耦合，

超聲反射鏡為一矩形45°反聲斜契，此矩形45°反聲斜契中的45°斜切面與超聲透射鏡中45°的斜切面方向、大小位置比配，并彼此保持聲學(xué)耦合，利用螺母穿過(guò)超聲透射鏡中的固定用的貫通孔與超聲反射鏡中配套的固定用的螺紋孔鎖緊固定，

2)陣列聲源的構(gòu)成

根據(jù)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測(cè)部位的幾何特征，選擇超聲陣列換能器，構(gòu)成陣列聲源這里，i＝1,2,...,N，S_i為第i個(gè)晶元w_i對(duì)應(yīng)的聲束作用面積，通過(guò)對(duì)筋條區(qū)的右側(cè)底邊部位及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位、筋條區(qū)的左側(cè)底邊部位及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位、筋條區(qū)的立邊部位進(jìn)行聲波覆蓋入射，從而在被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)內(nèi)部形成入射超聲波陣列聲束，且N由式(1)確定和選擇：

這里，w_i——為單個(gè)壓電晶元的寬度，

對(duì)于筋條區(qū)的底邊部位的超聲檢測(cè)，H_j取筋條的右側(cè)底邊部位的寬度H₁和筋條的左側(cè)底邊部位的寬度H₂的最大值，即

H_j＝max{H₁,H₂}，且不大于80mm，

對(duì)于筋條區(qū)的立邊部位的檢測(cè)，H_j取筋條區(qū)的立邊部位的寬度H₃的高度最大值，且不大于80mm，

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，使每一個(gè)壓電晶元對(duì)應(yīng)一個(gè)聲束進(jìn)行掃描，或通過(guò)電子延時(shí)合成的方法，將N個(gè)壓電晶元進(jìn)行組合，合成陣列掃描聲束，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的左側(cè)底邊部位、右側(cè)底邊部位和立邊部位的覆蓋掃查檢測(cè)。

3)的頻率選擇

根據(jù)被檢測(cè)復(fù)合材料筋條區(qū)的檢測(cè)要求和材料工藝及其結(jié)構(gòu)厚度，選擇超聲陣列換能器的頻率f；

(4)掃查方法

選擇與超聲陣列換能器中的晶元的線性排列方向垂直的方向，即復(fù)合材料筋條區(qū)的長(zhǎng)度方向，作為掃查方向，步進(jìn)方向與掃查方向垂直，通過(guò)手動(dòng)或者自動(dòng)掃查機(jī)構(gòu)移動(dòng)超聲陣列換能器對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的左側(cè)底邊部位及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位、筋條區(qū)的右側(cè)底邊部位及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位、筋條區(qū)的立邊部位進(jìn)行掃查檢測(cè)，

(5)成像方法

通過(guò)信號(hào)處理單元將來(lái)自超聲陣列換能器和超聲單元的超聲信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，按照式(2)轉(zhuǎn)換為數(shù)字成像信號(hào)P_i(x_i,y_i,c_i)，在顯示單元(4)中進(jìn)行成像顯示，

這里，

u_i(A_i,t_i)與單值線性對(duì)應(yīng)，為超聲陣列換能器中第i個(gè)入射聲束S_i傳播路徑上接收到的反射超聲波信號(hào)，其幅值為A_i，傳播時(shí)間為t_i，同時(shí)u_i(A_i,t_i)與被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)中的被檢測(cè)部位的位置坐標(biāo)Q_i(x_i,y_i)單值對(duì)應(yīng)，

i對(duì)應(yīng)S_i在被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)當(dāng)前掃查區(qū)的位置點(diǎn)，

x_i表示S_i在被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的x方向，即筋條底邊部位和筋條立邊部位寬度方向的位置坐標(biāo)，檢出缺陷的在筋條區(qū)中的寬度方向的位置w_i通過(guò)x_i由式(4)映射確定，

y_i表示S_i在筋條底邊部位和筋條立邊部位厚度方向傳播時(shí)間t方向的坐標(biāo)，檢出缺陷的深度位置h_i通過(guò)y_i由式(5)映射確定，且，

υ——為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)中的聲速，

c_i——為圖像顯示中(x_i,y_i)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色值，且其中K_c為顏色值或灰度轉(zhuǎn)換系數(shù)，與顯示單元對(duì)應(yīng)的灰度或者彩色分辨率有關(guān)，u₀為對(duì)應(yīng)顯示單元的灰度或彩色級(jí)差的最大值，

x_i＝k_xw_i (4)

y_i＝k_yh_i (5)

這里，

k_x——為x方向的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)，

k_y——為y方向的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)，

將超聲陣列換能器在每個(gè)掃描位置的檢測(cè)信號(hào)按照式(2)進(jìn)行映射和成像顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)掃描位置的檢測(cè)結(jié)果的超聲可視化成像；

(6)缺陷判別

根據(jù)超聲陣列換能器接收到的來(lái)自每個(gè)入射聲束S_i傳播路徑上的反射超聲波信號(hào)u_i(A_i,t_i)中的幅值A(chǔ)_i及其在顯示單元中顯示的對(duì)應(yīng)的圖像的顏色或灰度進(jìn)行缺陷的判別，利用顯示單元中的成像坐標(biāo)確定檢出缺陷的長(zhǎng)度和深度，從而進(jìn)行缺陷的定量分析。

所述的超聲陣列換能器分為立式和橫式兩種布局，其中，

1)當(dāng)超聲陣列換能器采用立式布局時(shí)，超聲透射鏡的入射面與被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的筋條立邊部位表面之間采用水耦合劑保持接觸或非接觸聲學(xué)耦合，用于筋條區(qū)的筋條立邊部位的超聲可視化成像檢測(cè)；

2)當(dāng)超聲陣列換能器采用橫式布局時(shí)，超聲透射鏡的入射面與被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的筋條右側(cè)底邊部位和筋條左側(cè)底邊部位表面之間采用水耦合劑保持接觸或非接觸聲學(xué)耦合，用于筋條區(qū)的筋條右側(cè)底邊部位及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位、筋條左側(cè)底邊部位及對(duì)應(yīng)的蒙皮區(qū)部位的超聲可視化成像檢測(cè)。

根據(jù)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同位置和缺陷可能取向，選擇相應(yīng)布局的超聲陣列換能器，分別從入射方向①、②、③進(jìn)行線性掃描，對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的立邊和底邊部位進(jìn)行快速超聲可視化成像覆蓋掃查檢測(cè)，單次線性掃描超聲可視化成像的寬度范圍在20mm—80mm之間選擇。

根據(jù)不同的被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的特點(diǎn)，超聲陣列換能器的頻率選則范圍為5MHz-10MHz。

所述的一種檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲可視化成像方法，通過(guò)選擇配套的超聲陣列換能器，用于碳纖維、石英纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等不同增強(qiáng)體制造而成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中筋條區(qū)的快速超聲可視化成像檢測(cè)。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，本發(fā)明方法基于超聲反射原理，通過(guò)選用超聲反射鏡陣列線性掃面陣列換能器構(gòu)建了一種快速超聲掃描可視化成像方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同部位的快速超聲掃描可視化成像檢測(cè)，通過(guò)選擇不同掃查方式和入射方向及陣列換能器，實(shí)現(xiàn)不同復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲可視化成像檢測(cè)。實(shí)際檢測(cè)效果表明，明顯提高了超聲對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同部位檢測(cè)的可視化程度和缺陷檢出率及檢測(cè)效率，可檢測(cè)出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同部位中Ф3mm的分層，可視化成像質(zhì)量非常清晰，取得了很好的實(shí)際檢測(cè)效果。本發(fā)明還具有如下的特點(diǎn)：

(1)本發(fā)明針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的幾何特征和檢測(cè)要求，通過(guò)設(shè)計(jì)和選擇復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測(cè)的超聲陣列換能器，構(gòu)成線陣列掃描聲束，對(duì)筋條區(qū)的立邊、底邊部位進(jìn)行線掃描覆蓋，通過(guò)對(duì)陣列聲束掃查位置信息和超聲陣列聲源信息重構(gòu)，進(jìn)行快速超聲可視化成像，顯著提高了超聲對(duì)復(fù)合材料筋條區(qū)結(jié)構(gòu)部位檢測(cè)的可視化程度和實(shí)時(shí)性以及檢出缺陷定量分析的準(zhǔn)確性，檢測(cè)效率顯著提高；

(2)采用本發(fā)明，通過(guò)構(gòu)建不同的超聲透聲鏡和反射鏡，顯著改善了筋條根部位置的可達(dá)性和可檢性，克服了超聲檢測(cè)在筋條根部位置存在的幾何盲區(qū)，顯著提高了復(fù)合材料筋條區(qū)結(jié)構(gòu)部位的可檢性；

(3)采用本發(fā)明，通過(guò)規(guī)劃復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同部位超聲線性掃查方式和軌跡，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同部位的快速超聲可視化成像檢測(cè)，明顯提高了超聲對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同部位檢測(cè)的可視化程度和缺陷檢出率，

(4)采用本發(fā)明，無(wú)需復(fù)雜的掃描機(jī)構(gòu)，對(duì)檢測(cè)場(chǎng)地要求無(wú)特殊要求，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)快速超聲可視化成像檢測(cè)，顯著改進(jìn)了復(fù)合材料筋條區(qū)結(jié)構(gòu)部位的可檢性和缺陷的檢出能力，進(jìn)而提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性；

(5)利用本發(fā)明提出的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)快速超聲可視化成像檢測(cè)方法，既實(shí)現(xiàn)手動(dòng)掃查檢測(cè)，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描檢測(cè)，成本非常低、容易實(shí)現(xiàn)和掌握、環(huán)保，可以準(zhǔn)確地確定檢出缺陷的部位和深度位置，從而為工藝改進(jìn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了十分重要的超聲可視化成像檢測(cè)方法和技術(shù)手段。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)底邊部位快速超聲可視化成像方法原理示意圖；

圖2本發(fā)明的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)立邊部位快速超聲可視化成像方法原理示意圖。

具體實(shí)施方式

一種檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的超聲可視化成像方法，由用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測(cè)的超聲陣列換能器1、超聲陣列單元2、信號(hào)處理單元3和成像單元4組成，如圖1所示，在超聲陣列單元2激勵(lì)超聲陣列換能器1發(fā)射超聲波信號(hào)，此超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)通過(guò)耦合介質(zhì)傳播到被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)內(nèi)部，并在被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)內(nèi)部形成反射超聲波信號(hào)，此超聲波信號(hào)被超聲陣列換能器1接收，并經(jīng)超聲陣列單元2預(yù)處理后，由信號(hào)處理單元3進(jìn)行數(shù)字化，再由成像單元4按照所建立的顯示模型進(jìn)行成像，

(1)檢測(cè)部位

如圖1和圖2將被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5分為以下幾個(gè)檢測(cè)部位：

1)筋條區(qū)5的右側(cè)底邊部位5A；

2)筋條區(qū)5的左側(cè)底邊部位5B；

3)筋條區(qū)5的立邊部位5C；

(2)入射方向選擇

選擇從筋條區(qū)5的右側(cè)底邊和左側(cè)底邊及立邊方向作為入射方向進(jìn)行超聲可視化成像檢測(cè)：

g)入射方向①：適用于筋條區(qū)5的右側(cè)底邊部位5A及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位的超聲可視化成像檢測(cè)；

h)入射方向②：適用于筋條區(qū)5的左側(cè)底邊部5B及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位的超聲可視化成像檢測(cè)；

i)入射方向③：適用于筋條區(qū)5的立邊部位5C的超聲可視化成像檢測(cè)；

(3)超聲陣列換能器1的選擇

1)類型選擇

選擇用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測(cè)的超聲陣列換能器1，對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的左側(cè)底邊部位5B及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位、筋條區(qū)5的右側(cè)底邊部位5A及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位、筋條區(qū)5的立邊部位5C進(jìn)行檢測(cè)，

用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的超聲陣列換能器1主要包括超聲反射鏡1C、超聲透射鏡1D、壓電晶元陣列1E、匹配層1F、阻尼塊1G、外殼1H、連接座1J，其中，

外殼1H為一長(zhǎng)方體，在此長(zhǎng)方體內(nèi)部為貫通內(nèi)長(zhǎng)方孔，在此長(zhǎng)方體下端前后外側(cè)有用于鎖緊超聲反射鏡1C的小凸臺(tái)及貫通孔，

壓電晶元陣列1E由N個(gè)壓電晶元組成，N為壓電晶元陣列1E的壓電晶元數(shù)，壓電晶元陣列1E的大小與匹配層1F的大小匹配，匹配層1F和阻尼塊1G的大小與外殼1H貫通內(nèi)長(zhǎng)方孔匹配，按照阻尼塊1G+壓電晶元陣列1E+匹配層1F的組合關(guān)系封裝在外殼1H的內(nèi)部，

超聲透射鏡1D為一矩形45°透聲斜契，相對(duì)于45°斜切面的一端平面與匹配層1F保持聲學(xué)耦合，利用螺母穿過(guò)外殼1H中的固定用的貫通孔與超聲透射鏡1D中兩個(gè)配套的固定用的螺紋孔鎖緊固定，相對(duì)于超聲透射鏡1D中的45°斜切面的另一端平面，即入射面1K與被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5中的右側(cè)底邊部位5A或左側(cè)底邊部位5B或立邊部位5C表面之間保持接觸或非接觸聲學(xué)耦合，參見(jiàn)圖1和圖2所示，

超聲反射鏡1C為一矩形45°反聲斜契，此矩形45°反聲斜契中的45°斜切面與超聲透射鏡1D中45°的斜切面方向、大小位置比配，并彼此保持聲學(xué)耦合，利用螺母穿過(guò)超聲透射鏡1D中的固定用的貫通孔與超聲反射鏡1C中配套的固定用的螺紋孔鎖緊固定，

2)陣列聲源的構(gòu)成

根據(jù)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5檢測(cè)部位的幾何特征，選擇超聲陣列換能器1，構(gòu)成陣列聲源這里，i＝1,2,...,N，S_i為第i個(gè)晶元w_i對(duì)應(yīng)的聲束作用面積，通過(guò)對(duì)筋條區(qū)5的右側(cè)底邊部位5A及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位、筋條區(qū)5的左側(cè)底邊部位5B及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位、筋條區(qū)5的立邊部位5C進(jìn)行聲波覆蓋入射，從而在被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條5區(qū)內(nèi)部形成入射超聲波陣列聲束，且N由式(1)確定和選擇：

這里，w_i——為單個(gè)壓電晶元的寬度，

對(duì)于筋條區(qū)5的底邊部位5A和5B的超聲檢測(cè)，H_j取筋條5的右側(cè)底邊部位5A的寬度H₁和筋條5的左側(cè)底邊部位5B的寬度H₂的最大值，即

H_j＝max{H₁,H₂}，且不大于80mm，

對(duì)于筋條區(qū)5的立邊部位5C的檢測(cè)，H_j取筋條區(qū)5的立邊部位5C的寬度H₃的高度最大值，且不大于80mm，

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，使每一個(gè)壓電晶元對(duì)應(yīng)一個(gè)聲束進(jìn)行掃描，或通過(guò)電子延時(shí)合成的方法，將N個(gè)壓電晶元進(jìn)行組合，合成陣列掃描聲束，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的左側(cè)底邊部位5B、右側(cè)底邊部位5A和立邊5C部位的覆蓋掃查檢測(cè)。

3)的頻率選擇

根據(jù)被檢測(cè)復(fù)合材料筋條區(qū)5的檢測(cè)要求和材料工藝及其結(jié)構(gòu)厚度，選擇超聲陣列換能器1的頻率f；

(4)掃查方法

選擇與超聲陣列換能器(1中的晶元的線性排列方向垂直的方向，即復(fù)合材料筋條區(qū)5的長(zhǎng)度方向，作為掃查方向，步進(jìn)方向與掃查方向垂直，通過(guò)手動(dòng)或者自動(dòng)掃查機(jī)構(gòu)移動(dòng)超聲陣列換能器1對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的左側(cè)底邊部位5B及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位、筋條區(qū)5的右側(cè)底邊部位5A及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位、筋條區(qū)5的立邊部位5C進(jìn)行掃查檢測(cè)，

(5)成像方法

通過(guò)信號(hào)處理單元3將來(lái)自超聲陣列換能器1和超聲單元2的超聲信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，按照式(2)轉(zhuǎn)換為數(shù)字成像信號(hào)P_i(x_i,y_i,c_i)，在顯示單元(4)中進(jìn)行成像顯示，

這里，

u_i(A_i,t_i)與單值線性對(duì)應(yīng)，為超聲陣列換能器1中第i個(gè)入射聲束S_i傳播路徑上接收到的反射超聲波信號(hào)，其幅值為A_i，傳播時(shí)間為t_i，同時(shí)u_i(A_i,t_i)與被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5中的被檢測(cè)部位的位置坐標(biāo)Q_i(x_i,y_i)單值對(duì)應(yīng)，參見(jiàn)圖2所示，

i對(duì)應(yīng)S_i在被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5當(dāng)前掃查區(qū)的位置點(diǎn)，

x_i表示S_i在被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的x方向，即筋條底邊部位5A和5B和筋條立邊部位5C寬度方向的位置坐標(biāo)，檢出缺陷的在筋條區(qū)5中的寬度方向的位置w_i通過(guò)x_i由式4映射確定，

y_i表示S_i在筋條底邊部位5A和5B和筋條立邊部位5C厚度方向傳播時(shí)間t方向的坐標(biāo)，檢出缺陷的深度位置h_i通過(guò)y_i由式5映射確定，且，

υ——為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5中的聲速，

c_i——為圖像顯示中(x_i,y_i)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色值，且其中K_c為顏色值或灰度轉(zhuǎn)換系數(shù)，與顯示單元4對(duì)應(yīng)的灰度或者彩色分辨率有關(guān)，u₀為對(duì)應(yīng)顯示單元4的灰度或彩色級(jí)差的最大值，

x_i＝k_xw_i (4)

y_i＝k_yh_i (5)

這里，

k_x——為x方向的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)，

k_y-—為y方向的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)，

將超聲陣列換能器1在每個(gè)掃描位置的檢測(cè)信號(hào)按照式2進(jìn)行映射和成像顯示，即實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)掃描位置的檢測(cè)結(jié)果的可視化成像；

(6)缺陷判別

根據(jù)超聲陣列換能器1接收到的來(lái)自每個(gè)入射聲束S_i傳播路徑上的反射超聲波信號(hào)u_i(A_i,t_i)中的幅值A(chǔ)_i及其在顯示單元4中顯示的對(duì)應(yīng)的圖像的顏色或灰度進(jìn)行缺陷的判別，例如，當(dāng)在入射聲束傳播路徑上存在缺陷5E時(shí)，相應(yīng)的入射聲束會(huì)在缺陷周圍產(chǎn)生明顯的反射超聲波信號(hào)1B，進(jìn)而會(huì)使中對(duì)應(yīng)的幅值A(chǔ)_i顯著增大，由此會(huì)改變相應(yīng)的超聲圖像的灰度或顏色值，利用顯示單元4中的成像結(jié)果及其成像坐標(biāo)確定檢出缺陷、檢出缺陷的長(zhǎng)度與深度，從而進(jìn)行缺陷的定量分析。

超聲陣列換能器1分為立式和橫式兩種布局，參見(jiàn)圖1和圖2所示，其中，

1)當(dāng)超聲陣列換能器1采用立式布局時(shí)，超聲透射鏡1D的入射面1K與被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的筋條立邊部位5C表面之間采用水耦合劑保持接觸或非接觸聲學(xué)耦合，用于筋條區(qū)5的筋條立邊部位5C的超聲可視化成像檢測(cè)；

2)當(dāng)超聲陣列換能器1采用橫式布局時(shí)，超聲透射鏡1D的入射面1K與被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的筋條右側(cè)底邊部位5A和筋條左側(cè)底邊部位5B表面之間采用水耦合劑保持接觸或非接觸聲學(xué)耦合，用于筋條區(qū)5的筋條右側(cè)底邊部位5A及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位、筋條左側(cè)底邊部位5B及對(duì)應(yīng)的蒙皮5D區(qū)部位的超聲可視化成像檢測(cè)。

根據(jù)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5不同位置和缺陷可能取向，根據(jù)權(quán)利2選擇相應(yīng)布局的超聲陣列換能器1，分別從入射方向①、②、③進(jìn)行線性掃描，對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的立邊和底邊部位進(jìn)行快速超聲可視化成像覆蓋掃查檢測(cè)，單次線性掃描超聲可視化成像的寬度范圍在20mm—80mm之間選擇。

根據(jù)不同的被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的特點(diǎn)，超聲陣列換能器1的頻率選則范圍為5MHz-10MHz。

通過(guò)選擇配套的超聲陣列換能器1，用于碳纖維、石英纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等不同增強(qiáng)體制造而成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中筋條區(qū)5的快速超聲可視化成像檢測(cè)。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)超聲快速可視化成像方法的步驟是，

①檢測(cè)部位選擇

參考圖1和圖2選擇復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)相應(yīng)的檢測(cè)部位。

②入射方式選擇

根據(jù)選擇的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)相應(yīng)的檢測(cè)部位，確定陣列聲波入射方向。

③超聲陣列換能器選擇

根據(jù)步驟①和②中的信息，選擇超聲陣列換能器及其頻率。

④成像參數(shù)設(shè)置

根據(jù)所選擇的超聲陣列換能器，利用超聲單元、信號(hào)處理單元與顯示單元設(shè)置增益、門選信號(hào)、聲束合成孔徑等參數(shù)。

⑤掃查方式選擇

根據(jù)檢測(cè)環(huán)境和被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)5的實(shí)際工況，選擇手動(dòng)掃查或自動(dòng)掃查方式。

⑥超聲可視化成像檢測(cè)

a)將超聲陣列換能器1置于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)的所選擇的檢測(cè)部位，并保證超聲陣列換能器1與被檢測(cè)部位耦合良好；

b)移動(dòng)超聲陣列換能器1，進(jìn)行超聲可視化成像檢測(cè)；

c)對(duì)于手動(dòng)掃查：一邊移動(dòng)超聲陣列換能器1，同時(shí)觀察顯示單元3顯示的超聲可視化成像結(jié)果，并根據(jù)超聲可視化成像結(jié)果進(jìn)行缺陷判別和記錄；對(duì)于自動(dòng)掃查：超聲可視化成像結(jié)果將自動(dòng)保存在顯示單元3中，檢測(cè)完畢，再根據(jù)超聲可視化成像結(jié)果進(jìn)行缺陷判別和分析。

d)重復(fù)執(zhí)行步驟a)到c)，直至所選擇的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)部位檢測(cè)完畢；

f)重復(fù)步驟①至⑥，直至全部復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)檢測(cè)完畢。

實(shí)施例

采用本發(fā)明專利，選擇中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司的UBZ-1系列超聲陣列換能器及其配套的超聲單元、信號(hào)處理單元和顯示單元，采用水作接觸和非接觸耦合劑對(duì)多種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同部位進(jìn)行了系列的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用，其中，換能器頻率選擇5MHz、7.5MHz和10MHz，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大小在200×500mm—500×3000mm不等，厚度在3mm-15mm不等，筋條區(qū)的寬度20mm、40mm、80mm不等，系列的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用結(jié)果表明，可有效地檢測(cè)出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)筋條區(qū)不同部位中Ф3mm的缺陷和Ф6mm的分層及膠層氣孔以及筋條區(qū)的結(jié)構(gòu)變化等，可視化成像質(zhì)量非常清晰，取得了很好的實(shí)際檢測(cè)效果。