復合材料層壓結構超聲相控陣檢測的缺陷定量表征

張繼敏，周　暉，劉　奎,2，劉衛平

(1.上海飛機制造有限公司 航空制造技術研究所， 上海 200436;

2.纖維材料改性國家重點實驗室(東華大學)， 上海 200051)

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復合材料層壓結構超聲相控陣檢測的缺陷定量表征

張繼敏1，周暉1，劉奎1,2，劉衛平1

(1.上海飛機制造有限公司 航空制造技術研究所， 上海 200436;

2.纖維材料改性國家重點實驗室(東華大學)， 上海 200051)

摘要：使用便攜式超聲相控陣設備及兩個幾何參數不同的線性陣列換能器對埋有φ6 mm和φ9 mm人工缺陷的碳纖維復合材料層壓板試塊進行檢測，分別進行了非聚焦線性掃查和聚焦線性掃查，并對C掃成像進行分析。結果表明:在非聚焦線性掃查情況下，其掃查缺陷尺寸的準確性與換能器晶元長度和孔徑長度有緊密關系，試驗結果與理論分析一致；而在聚焦線性掃查情況下，其掃查缺陷尺寸的準確性不再受孔徑數過大的影響。

關鍵詞：超聲相控陣；陣列換能器；尺寸定量

在無損檢測技術發展史中，超聲相控陣技術憑借其快速，靈活，可進行復雜檢測，可靠性強等特點在電力、石油化工、鐵路、核工業、航空航天等領域發揮越來越重要的作用[1-6]。在工業生產檢測中，產品檢測成像后確定缺陷的尺寸一直是工業檢測領域最關心的問題之一，采用超聲相控陣技術確定缺陷的尺寸非常重要。因此，通過對已知尺寸的預埋缺陷進行相控陣檢測試驗，研究在超聲相控陣技術中影響缺陷尺寸定量的重要因素和指標具有非常重要的意義。

超聲相控陣技術的復雜是因為其換能器涉及到許多參數的選擇，如晶元尺寸、晶元頻率、晶元數量、晶元中心距、晶元間距、激發孔徑等，以及掃查方式的選擇，如是否聚焦、聚焦深度的選擇等。這些參數及掃查方式的選擇至關重要，如選擇不當就會嚴重影響相控陣的成像質量，因為相控陣探頭除主聲束場以外還會產生旁瓣和柵瓣聲束，旁瓣和柵瓣嚴重影響主聲束的擴散性，且成像時會產生偽像而影響缺陷的準確定位、定量[7-14]。所以無論是否采用聚焦方式掃查，合理選擇超聲相控陣線性陣列換能器的參數至關重要。

筆者著重研究聲束在不聚焦、不偏轉的情況下進行線性掃查，分析如何優化換能器的參數及掃查方式來提高相控陣技術的成像質量及確定缺陷大小[15]。由于掃查對象為碳纖維復合材料，工業生產上該種材料的零件一般較薄，筆者所選用的試塊厚約為3 mm，而工業上在復合材料中所需檢出的分層缺陷尺寸較大，直徑至少在6 mm以上;且復合材料中的分層缺陷都為層間平面類缺陷，與探頭聲束中心垂直。因此研究不聚焦、不偏轉的掃查方式不但可以滿足對復合材料分層缺陷的精確掃查，同時也簡化了掃查方法，方便工人操作，提高了在工業生產中的檢測效率，更好地滿足工程化應用。

1線性陣列換能器原理

1.1線性陣列換能器幾何參數

試驗所用的相控陣超聲線性陣列換能器主要的參數設置如圖1所示。圖中:e為陣元寬度;H為陣元長度;p為陣元中心距;g為陣元間隙;A為激發孔徑即一次激發N個晶片的總長度;f為換能器頻率。所以激發孔徑A=e+(N-1)p，通常陣元間隙g相對于陣元寬度e很小，所以可以認為p約等于e，那么可得A約等于Np[16]。

圖1　相控陣超聲線性陣列換能器晶片參數幾何示意

1.2線性陣列換能器幾何參數對掃查效果的影響

在保持其他參數不變的情況下，換能器的晶元中心頻率越高，聲束的聚焦性和分辨率越好，越容易檢測出缺陷的位置和尺寸;但頻率過高，近場距離會增大且衰減變大，聲束穿透能力下降。若檢測的對象為碳纖維復合材料[17]，而超聲波在復合材料中的傳播衰減很大，其衰減系數與頻率的平方成正比，因此，對復合材料的檢測不應該選擇頻率很高的探頭。通常復合材料的檢測選取的探頭頻率為1～10 MHz[18]，如檢測對象是小于10 mm的層壓板，比如筆者試驗中所用的是約3 mm厚的試塊，選取5 MHz頻率的探頭既可以獲得良好的聲束聚焦性和分辨率，也不會導致過大的近場距離和過大的衰減。

無論是在試驗中，還是在實際工業生產檢測過程中，對于一個已確定的相控陣換能器，晶元的各參數e,H,p,g都是固定不變的，這些參數的組合對探頭性質的影響是固定的，而唯一可以調整的是孔徑數N(或者是激發孔徑長度A)，即一次激發的晶元數，其對聚焦掃查和非聚焦掃查的影響完全不同。

各參數對相控陣聚焦掃查的影響，主要是通過對主瓣寬度的影響來實現的。歸一化主瓣寬度為[19]:

(1)

式中:θ0為聲束控制角;λ為超聲波在介質中的波長。

由式(1)可得，當θ0和λ一定時，換能器孔徑數N增大，也即A增大，主瓣寬度q減小，意味著聲場的指向性越好，則聲束聚焦效果越好[20]。另外，在聚焦聲場中，給定聚焦距離F，焦點直徑可表示為：

(2)

由式(2)可得，當F和λ一定時，換能器孔徑數N越大，即A越大，則焦點直徑越小，聚焦效果越好，缺陷的掃查越精準。所以，在滿足其他條件的情況下，應盡量增加孔徑數N。

而相控陣換能器參數對非聚焦掃查的影響則完全不同。當采用非聚焦的方式進行掃查，換能器的N個晶片同時激發時，聲束效果等同于常規超聲探頭，可以把N個晶片的晶元組看成是一整塊大的單一晶元，此時其對所掃查的缺陷尺寸準確性的判定主要根據聲束尺寸與缺陷尺寸的相對關系來確定;而聲束尺寸主要與激發晶片尺寸及擴散角有關，在該模型中，假設同一陣列換能器進行掃查時擴散角是保持不變的，所以忽略擴散角帶來的影響，主要考慮激發晶片尺寸在非聚焦掃查時對確定缺陷尺寸的影響。

圖2　不同尺寸探頭在掃查同一缺陷時的缺陷顯示尺寸示意

如果一次激發的晶片數N較小時，孔徑長度A也相對較小，如圖2(a)所示，此時探頭的長度A約等于Ne,與所檢測的缺陷A′B′尺寸相當或小于缺陷的尺寸;當探頭從位置X1移動到X2時，聲束到達缺陷表面的面積足夠使缺陷的回波高度達到某一門檻值而被記錄，此時記錄下來的缺陷尺寸即為AB，在這一門檻值下檢測的缺陷長度AB與實際預埋的缺陷長度A′B′相當或相等。但如果一次激發晶片數N較大時，孔徑長度A也相對較大，如圖2(b)所示，此時探頭的長度A約等于Ne,遠大于缺陷EF的尺寸;當探頭從X3移動到X4時，雖然探頭中心距離缺陷邊緣還有一定距離，但由于探頭尺寸太大，使得聲束到達缺陷表面的面積已足夠使缺陷的回波高度達到和圖2(a)中同一門檻值而被記錄，此時記錄下來的缺陷尺寸為C′D′;所以在同一門檻值下缺陷檢測的長度CD(C′D′)要大于實際預埋的缺陷長度EF，在這種情況下，缺陷的尺寸就會出現誤判。另外，在非聚焦聲場中，深度為z的位置的聲束直徑d為[17]：

(3)

當z和λ一定時，換能器孔徑數N越大，即孔徑長度A越大，則聲束直徑越小，掃查效果越好。此外，根據近場長度公式[17]:

(4)

圖3　聲束中心軸線上的聲壓分布

可得孔徑數N，或孔徑長度A越大，近場長度Nd越大。在非聚焦掃查時，應盡量避免在近場區內掃查，因為在近場區內，聲場的干涉效應明顯，所以在此區域內聲壓會呈現出多個極大極小值現象。圖3[21]為一個普通的圓形超聲換能器聲束中心軸線上的聲壓分布，圖中最后一個極大值點距離聲源的距離Nd即為近場長度，而超過近場長度時，聲壓隨著距離的增大而減小。綜上所述，在非聚焦掃查時，應綜合考慮各種因素選擇合適的孔徑數。

2試驗設備與結果

2.1試驗設備

試驗采用便攜式超聲相控陣檢測儀和兩種線性陣列換能器，一號換能器共32晶片，頻率5 MHz，晶片中心距0.6 mm，晶片長度10 mm，二號換能器共128個晶片，頻率5 MHz，晶片中心距1 mm，晶片長度7 mm。掃查對象為3.04 mm厚的碳纖維復合材料層壓板試塊，試塊中預埋了雙層聚四氟乙烯薄膜制成的人工缺陷，缺陷大小為φ6 mm和φ9 mm各三個,預埋在三個不同的厚度層上(2.28 mm(近下表面)，1.52 mm(中間層)，0.76 mm(近上表面))，如圖4所示。

圖4　對比試塊人工缺陷尺寸示意

2.2試驗結果與分析

通過掃查對比試塊中的圓形人工缺陷，針對每個人工缺陷，評判其掃查軸方向和晶片排列方向的缺陷尺寸,以其中一個維度為基準，選擇增益門檻值,使得C掃圖中缺陷在該維度的尺寸與理論尺寸一致，然后用這一門檻值評判另一維度C掃圖中缺陷的尺寸。通過這種評判方法，可以看到在同一增益門檻值下其掃查軸方向和晶片排列方向的缺陷尺寸關系，進而分析缺陷在兩個方向上的尺寸與晶片尺寸以及孔徑長度的關系。

2.2.1一號陣列換能器非聚焦掃查

圖5為采用一號陣列換能器(頻率f=5 MHz，晶元長度H=10 mm，晶元中心距e=0.6 mm)非聚焦掃查的結果，從左至右依次為孔徑數N=2，A=1.2 mm;孔徑數N=6，A=3.6 mm;孔徑數N=10，A=6 mm。上排掃查的是三個φ6 mm的人工缺陷，下排掃查的是三個φ9 mm的人工缺陷，每個人工缺陷在掃查軸方向和晶片排列方向的尺寸數據記錄在表1中。

圖5　一號換能器非聚焦掃查對比試塊人工缺陷C掃結果

孔徑數?6mm人工缺陷編號尺寸(掃查軸方向×晶片排列方向)/mm?9mm人工缺陷編號尺寸(掃查軸方向×晶片排列方向)/mma110×6a411×92a210×6a512×9a310×6a613×9b19×6b411×96b29×6b512×9b39×6b613×9c19×6c412×910c29×6c512×9c39×6c613×9

由圖5清晰可見，當孔徑數過小時，如N為2時，缺陷成像失真，已不再是規則的圓形;而隨著孔徑數增大，圖像發生畸形變形的現象明顯得到抑制，如當N為10時，掃查出的缺陷不再失真。這是因為當換能器孔徑數過小時，發射的能量不足，且由式(3)得知孔徑數小導致聲束直徑變大，而使得檢測目標圖像失真，可見采用過小的換能器孔徑檢測在工業上無實際意義。從表1可以看出，除去已失真的孔徑數N=2的數據外，其余兩組數據N=6和N=10都是在晶片排列方向檢測的缺陷尺寸且與實際相符，而在掃查軸方向檢測的缺陷尺寸大于其實際的尺寸6 mm或9 mm;這是因為在晶片排列方向孔徑長度分別為A=3.6 mm和A=6 mm,小于或等于缺陷實際尺寸6 mm和9 mm，而在掃查軸方向晶元長度H為10 mm,大于缺陷的實際尺寸6 mm和9 mm。根據圖2所示，在晶片排列方向，其效果相當于圖2(a)，在掃查軸方向，其效果相當于圖2(b);所以當采用同一門檻值來確定缺陷在這兩個方向上的尺寸時，會把掃查軸方向的尺寸放大而導致誤判。

圖6　二號換能器非聚焦掃查對比試塊人工缺陷C掃結果

2.2.2二號陣列換能器非聚焦掃查

為了進一步驗證，又采用了二號陣列換能器(頻率f=5 MHz，晶元長度H=7 mm，晶元中心距e=1 mm)對同一個試塊的缺陷進行了非聚焦掃查，C掃圖如圖6所示，其中N=2，A=2 mm;N=6，A=6 mm;N=9，A=9 mm;N=12，A=12 mm。上排掃查的是三個φ6 mm的人工缺陷，下排掃查的是三個φ9 mm的人工缺陷，每個人工缺陷在掃查軸方向和晶片排列方向的尺寸數據記錄在表2中。與一號陣列換能器不同，二號陣列換能器的晶元長度H為7 mm，由于受便攜式設備數據處理精度的影響，統計的缺陷尺寸均保留到毫米級別，所以在該誤差范圍內，可以認為該晶元長度與6 mm缺陷尺寸相當，并且小于9 mm缺陷尺寸。

與圖5中的圖像顯示結果相同，在圖6中，當孔徑數過小時，比如N=2，缺陷成像失真，已不再是規則的圓形;而隨著孔徑數逐漸增大到N=12，變形失真情況逐漸消失。在表2中，除去已失真的孔徑N=2的數據外，對于孔徑N=6，A=6 mm時，檢測的缺陷尺寸都為規則的6 mm×6 mm和9 mm×9 mm，這是因為在掃查軸和晶片排列這兩個方向上，換能器尺寸都小于或與缺陷尺寸相當；對于孔徑N=9，A=9 mm時，檢測的缺陷尺寸在掃查軸方向不變，在晶片排列方向，φ6 mm的尺寸變大，φ9 mm的尺寸不變，這是因為孔徑長度A=9 mm遠比φ6 mm大而與φ9 mm相等；對于孔徑N=12，A=12 mm時，檢測的缺陷尺寸依然是在掃查軸方向不變，而在晶片排列方向都變大，是因為孔徑長度A=12 mm比φ6 mm和φ9 mm尺寸都大。所以，當采用同一門檻值來確定缺陷在這兩個方向上的尺寸時，因為在掃查軸方向探頭尺寸小于或與缺陷尺寸相當，在這一方向上掃查結果與實際尺寸一致；而在晶片排列方向，當孔徑尺寸小于或與缺陷尺寸相當時，掃查結果與實際尺寸也是一致的。而當孔徑數過大使得孔徑尺寸遠大于缺陷尺寸時，掃查結果大于缺陷實際尺寸，再一次證實了圖2所示原理。

表2　圖6中4個C掃圖中人工缺陷的尺寸數據

2.2.3聚焦掃查與非聚焦掃查對比

圖7為采用二號陣列換能器一次激發18個晶片(孔徑N=18，A=18 mm)，左圖為非聚焦掃查，右圖為深度聚焦掃查，聚焦在試塊上表面的結果。上排掃查的是三個φ6 mm的人工缺陷，下排掃查的是三個φ9 mm的人工缺陷，每個人工缺陷在掃查軸方向和晶片排列方向的尺寸數據記錄在表3中。

由圖7和表3中數據對比可見，如果采用非聚焦掃查的形式，由于晶片排列方向孔徑長度A為18 mm遠大于缺陷尺寸，使得掃查的缺陷尺寸嚴重偏大,與實際不符，與表2中的數據相比,可見孔徑長度越大，成像的缺陷尺寸偏差越大。而且，根據式(4)可算出，孔徑數為18時，近場距離Nd約為173 mm，而該試驗采用的楔塊高度僅為23 mm，所以缺陷埋深在近場區內，由于近場區內存在著許多聲壓極大極小值的特性，導致缺陷中心處回波比兩側還弱，使得一個圓形缺陷的掃查圖像如花生形狀一般，兩頭大中間小，嚴重時還可能造成存在兩個缺陷的誤判。

圖7　二號換能器掃查對比試塊人工缺陷C掃結果

掃查方式?6mm人工缺陷編號尺寸(掃查軸方向×晶片排列方向)/mm?9mm人工缺陷編號尺寸(掃查軸方向×晶片排列方向)/mma16×16a49×18非聚焦a26×16a59×18a36×15a69×17b16×6b49×9聚焦b26×6b59×9b36×6b69×9

而同為采用孔徑長度A=18 mm的聚焦掃查形式時，首先，在晶片排列方向上掃查的缺陷尺寸與實際相符;其次，當聲束聚焦時，聚焦區域內的近場影響可以忽略，這樣缺陷掃查的圖像就不會出現兩頭大中間小的形狀。所以，當采用聚焦掃查的形式，缺陷的形狀和尺寸就不再受孔徑長度的影響，且根據式(2)得知，孔徑長度越大聚焦效果越好。在聚焦掃查的情況下，也不能單靠增加孔徑數來增強聚焦效果，要綜合考慮其他參數帶來的影響及硬件成本。

3結論

(1) 在非聚焦掃查時，換能器孔徑數不能過小，否則成像發生變形失真;其次，換能器晶元長度和孔徑長度不能過大于缺陷尺寸，否則會使缺陷成像尺寸偏大而導致誤判;另外，孔徑長度太大容易使得缺陷處于近場區,導致缺陷中心回波比兩側弱，從而得到變形的掃查圖像。

(2) 同時采用很大的孔徑數量，在聚焦掃查的情況下，成像的缺陷尺寸與實際相符且不再受近場區影響而發生變形。

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Quantitative Characterization of Defects of Phased Array Ultrasonic Detection in Composite Laminates

ZHANG Ji-min1, ZHOU Hui1, LIU Kui1,2, LIU Wei-ping1

(1.Aeronautical Manufacturing Technology Institute, Shanghai Aircraft Manufacturing Corporation, Shanghai 200436, China;2.State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials,Donghua University, Shanghai 200051, China)

Abstract：In this paper, a portable phased array ultrasonic device and two linear array transducers with different geometric parameters are utilized to detect the φ6 mm and φ9 mm defects in a carbon fiber composite laminate. Non-focusing linear scan and focusing linear scan are adopted, respectively, and C scan image is shown to study and analysis. The experiment reveals that in the case of non-focusing linear scan, the accuracy of the size of defects has a close relation with the lengths of the element and aperture. The experiment results show good agreements with theoretical analysis; but in the case of focusing linear scan, the accuracy of the defect size is not affected by the overlarge aperture.

Key words:Phased array ultrasonic; Array transducer; Quantitative dimension

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0020-06

DOI:10.11973/wsjc201601006

作者簡介：張繼敏(1988-),男,助理工程師,碩士,主要從事民機復合材料零件無損檢測技術研究工作。

基金項目：纖維材料改性國家重點實驗室資助課題(LK1525)

收稿日期：2015-06-08