超聲相控陣技術在航空復合材料結構無損檢測中的應用及發展

詹紹正，寧 寧，王 丹

（中航工業飛機強度研究所，西安 710065）

隨著復合材料在航空結構上應用比例的提升及復合材料結構越來越復雜，監控復合材料結構的內部質量受到越來越廣泛的關注，對復合材料的無損檢測也提出了更高的要求。一方面面對飛機結構上日益劇增的復合材料用量，高效、快速的無損檢測手段對于復合材料結構的生產過程和服役階段都是迫切需要的；另一方面，隨著復合材料工藝及結構復雜性的增加，由此產生的檢測技術問題也給傳統的檢測手段帶來了嚴峻挑戰。

超聲相控陣技術已有近二十年的發展歷史，初期主要應用于醫學領域，隨著電子技術和計算機技術的快速發展，超聲相控陣技術逐漸應用于工業無損檢測領域［1］。近年來，超聲相控陣技術得到了很大的發展，并憑借著高效率、聲束動態可控等技術優勢在航空復合材料結構無損檢測領域獲得了廣泛的應用。

1 超聲相控陣的原理及特點

超聲相控陣檢測技術是在傳統超聲技術基礎上發展起來的一種多聲束掃描成像技術，所采用的超聲檢測探頭是由多個晶片組成的換能器陣列，各陣列單元在發射電路激勵下以可控的相位激發出超聲，產生的球面波在傳播過程中波前相互疊加，形成不同的聲束。各聲束相位可控，可用軟件控制聚焦焦點，不移動探頭或盡量少移動探頭就能掃查大厚度工件和形狀復雜工件的各個區域［2］。

有別于傳統的超聲無損檢測技術，超聲相控陣無損檢測的基本原理是相位控制。其相位控制包括發射與接收兩大部分，如圖1所示。相控陣的發射是通過對陣列換能器各晶片激發時間的調節，控制聲束波陣面的形狀，實現超聲波的聚焦與偏轉。相控陣的接收是根據回波到達各晶片的時間差分別對各晶片接收的信號進行延遲處理，接收時按照回波到達各陣元的時間差對各陣元接收信號進行延時補償，然后進行聲束合成。

圖1 超聲相控陣發射和接收原理示意

超聲相控陣檢測技術具有聲束角度可控和動態聚焦兩大特點，與傳統超聲檢測技術相比，具有明顯的優勢：①超聲相控陣探頭是由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，并由電子系統控制，檢測效率高。②各聲束相位可控，可用軟件動態控制聚焦焦點和聲束方向，實現對所關心區域的多角度、多分層次、多方向的掃查，工況適應性好，不移動探頭或盡量少移動探頭就能掃查大厚度工件和形狀復雜工件的各個區域，而且檢測系統更加靈活。③可以對焦柱長度、焦點尺寸、聲束方向進行優化控制，提高了缺陷分辨率、信噪比及缺陷檢出率。

2 超聲相控陣技術在航空復合材料結構上的應用

2.1 在復合材料平面結構上的應用

線性掃查是超聲相控陣檢測復合材料平面結構的主要方式，在實際應用中，為了提高檢測效率和分辨率，國內外研究學者設計了形狀巧妙的相控陣探頭來解決技術問題。如美國的JASON 等人采用線陣列的延遲塊探頭［3］（圖2（a））對飛機上碳纖維增強聚合物基復合材料平板構件進行檢測，比傳統超聲檢測速度快而且成像效果好；英國JOE 等人用一種新穎的相控陣超聲探頭檢測大面積航空復合材料構件，把晶片陣列安裝在橡膠滾輪中［4］（圖2（b）），該滾輪既可手動也可自動控制，能有效檢出航空復合材料構件中的分層及未貼合等缺陷。該輪式探頭的問世，進一步推動了超聲相控陣技術在大面積平面型復合材料結構中的應用。

圖2 復合材料平面結構常用的超聲相控陣探頭

圖3所示為超聲相控陣線性掃查技術用于典型復合材料結構的檢測案例，對于平面結構，相控陣技術可以快速準確地完成檢測并確定損傷的大小和位置。尤其對于蜂窩夾層結構，采用多閘門的距離－幅度組合成像掃查方式，在一次掃查狀態下即可完成對蜂窩區和蜂窩外圍收邊的板－板粘接區的檢測評價。

圖3 典型航空復合材料結構的超聲相控陣檢測結果

圖4所示為復合材料結構中最常見的沖擊損傷相控陣檢測結果，圖4（d）中C 掃描圖像完整反映了沖擊損傷縱向和橫向的形態尺寸，而圖4（b）的斷面B掃描圖中直觀地反映出了被測結構厚度H、沖擊損傷縱向尺寸W、沖擊引起的表面損傷尺寸W0、沖擊損傷從沖擊面開始沿厚度方向上的金字塔狀分布規律及不同層損傷的深度尺寸等參量信息；同時通過B掃描圖可以看出在沖擊中心兩側產生的分層損傷等厚分布的規律，即圖中B1、B2、B3、B4、B5層損傷分別與對側產生的B1’、B2’、B3’、B4’、B5’層損傷的深度尺寸相當。在B 掃描圖中對于非沖擊損傷區近表面產生的影響D0、D1，通過圖4（a）中非沖擊完好區的A 掃描波形中近表面出現的草狀波印證為結構自身不均勻所致。

圖4 復合材料典型沖擊損傷的超聲相控陣檢測結果

2.2 超聲相控陣技術在復合材料結構R（拐角）區檢測中的應用

R區的檢測是航空復合材料結構無損檢測面臨的一大難題，一方面由于R 區多為應力集中區域，對缺陷的容忍度較小，在制造和使用過程中都極易出現缺陷，而且R 過渡區為曲面且空間尺寸狹小，不利于缺陷的檢測。因此，對R 區的質量控制就顯得非常重要。圖5所示為典型的復合材料R區結構及R區常見的缺陷形式。

圖5 典型的復合材料R 區結構及其常見的缺陷位置

超聲相控陣技術的聲束動態聚焦和偏轉特性為檢測R 區結構提供了獨有的技術優勢，目前，對于復合材料結構制造過程中R 區的相控陣檢測主要采用的有弧陣列換能器和線陣列換能器兩種技術方案，如圖6所示。弧陣列換能器方案由于各陣元按照圓弧方式排列，掃描時各陣元直接激勵，不做任何延時處理，各陣元發射的超聲波在弧陣的圓弧圓心位置匯合，聲場能量在該處最強。掃描時采用順序掃查方式，即若干個陣元作為一個陣列孔徑，依次發射超聲波束，通過一個掃描周期，即可實現各陣列孔徑發射的超聲合成波束對試樣不同位置的檢測，從而達到對整個R 區檢測面的全覆蓋掃描，減小了檢測盲區。線陣列換能器檢測采用順序掃描方式，若干個陣元作為一個陣列孔徑，依次發射超聲波束，同時通過控制各陣列孔徑發射的超聲合成波束以不同的偏轉角度和聚焦深度垂直入射到R 區檢測面的不同位置，實現對不同部位和取向缺陷的掃查，從而達到對整個R 區的全覆蓋掃描［3－5］。對于接觸法檢測時，通常在線陣列探頭前端配置弧形楔塊以保證楔塊和試樣的耦合良好。

針對超聲相控陣技術用于復合材料結構R 區的檢測，國內的周正干、徐娜、張冬梅等人開展了深入的研究工作，實現了從內部對結復合材料構R 區的相控陣C掃描檢測［4－5］。圖7所示為超聲相控陣檢測技術在復合材料R 區中的應用案例［5－6］。

圖6 復合材料結構R 區的超聲相控陣檢測方案示意

然而，隨著復合材料制造水平的發展，一體化成型工藝逐漸獲得青睞。對于圖8所示的一體化成型復合材料結構件或裝配后的組合結構件的R區檢測，采用前述方法由R區內部進行檢測存在困難，此時為發現R區存在分層、氣孔等缺陷，可采用線陣列換能器配置帶角度的延遲塊進行扇形掃查來實現探測。圖9所示為一T 型加筋板試塊，在其R 區預制了φ1～10mm 短橫孔模擬缺陷，采用32陣元的線陣列換能器配置35°的有機玻璃延遲塊由外部進行扇形掃查，可以清晰地探測到弧底反射和模擬缺陷。

2.3 在復合材料復雜曲面結構上的應用

為適應復合材料復雜型面結構的檢測需求，在傳統超聲相控陣換能器的基礎上發展起來了柔性相控陣換能器（圖10（a）），其感應探頭極富有柔韌性，在一定程度內可以彎折，對不同的曲率結構可以自適應的貼合表面，可在不同的凹面和凸面進行貼附檢測作業。英國鳳凰檢測系統有限公司已將此項技術成功的應用于飛機翼梁、飛機直升機葉片、艦船桅桿等結構的檢測中，圖10（b）、（c）所示為柔性相控陣換能器的檢測應用案例［7］。

3 結語

圖7 復合材料R 區超聲相控陣檢測的典型應用

圖8 一體化成型復合材料結構件照片

圖9 復合材料R 區的線陣列換能器在外部扇形掃查檢測案例

（1）自適應聚焦技術：超聲相控陣檢測時在聲束焦點處分辨率和靈敏度最高，發現缺陷的能力最強。但實際檢測時，由于被測結構的不均勻性等原因，使得理想焦點與實際焦點存在偏差，嚴重時可能實際并不存在焦點，這些將影響系統的分辨率，并最終會影響檢測結果的準確性［8］。因此，相控陣檢測時的自適應聚焦技術對于提高檢測靈敏度和分辨率具有重要的作用，也是相控陣儀器發展的技術方向之一。

圖10 相控陣柔性換能器及其檢測應用案例

（2）聲場建模仿真技術：隨著待測結構復雜性的增加以及面陣、環陣等多維換能器的應用，正確配置檢測參數是保證后續檢測結果準確性的前提條件。然而，對于多維換能器檢測而言，其材料中的聲場是極其復雜的，單純依賴人為設定各陣元激發時間和聚焦法則是無法實現的。因此，聲場的建模仿真技術的提出，可以讓用戶在聲場可視化的環境下實現對檢測參數的正確配置和優化，也是當下相控陣設備發展的又一主打技術方向。在當前的相控陣檢測設備中，M2M 和ZETEC 公司的產品已集成了部分聲場計算功能，但都僅能實現簡單的建模仿真，對于復雜聲場的建模及分析功能，還需進一步的發展。

［1］鐘志民，梅德松.超聲相控陣技術的發展及應用［J］.無損檢測，2002，24（2）：69－71.

［2］汪星明，郭耀紅，朱慶有，等.復合材料無損檢測研究進展［J］.玻璃鋼／復合材料增刊，2012：261－265.

［3］JASON H，ANDRE L.Ulreasonic phased array tools for composite inspection during maintenance and manufacturing［C］／／17th World Conference on Nondestructive Testing，［S.l］：［s.n］，2008.

［4］JOE B.A comparison of techniques for ultrasonic inspection of composite materials［C］／／APCNDT，［S.l］：［s.n］，2006.

［5］張冬梅，于光，周正干，等.復合材料構件R 區的超聲相控陣檢測試驗［J］.北京航空航天大學學報，2013，39（5）：688－692.

［6］徐娜，周正干，劉衛平，等.L 型構件R 區的超聲相控陣檢測方法［J］.航空學報，2012，33（2）：419－425.

［7］翟靜.復合材料曲面檢測－可彎曲的探頭［EB／OL］.［2013－11－11］.http：／／www.frponline.com.cn.

［8］闕開良.自適應聚焦數字相控陣超聲檢測系統研究［D］.北京：清華大學，2004.