一種用于超聲非線性試驗的壓力監測夾持裝置

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(南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063)

非線性超聲檢測是利用有限振幅聲波在材料中傳播時，與介質或微小缺陷間相互作用而產生的非線性效應，來實現材料性能評估和微小缺陷檢測的[1]。分析超聲的非線性效應能夠獲取材料的多種特性，如孔隙、疲勞、微裂紋、膠黏劑的黏接強度、涂層的質量等，其靈敏度遠遠高于超聲衰減和波速測試等傳統的線性方法[2]。

由于制作工藝的原因，RTM(樹脂傳遞模塑成型)纖維紡織復合材料容易出現孔隙、裂紋、分層等微缺陷，這些微缺陷的存在嚴重影響材料的使用壽命和力學性能，因此對復合材料進行孔隙含量的無損評價具有重要意義。將超聲相對非線性系數作為評價復合材料微缺陷的參量，利用美國RITEC RAM-5000 SNAP非線性高能超聲測試系統提取RTM纖維紡織復合材料的相對非線性系數，制作了一種用于超聲非線性試驗的壓力檢測夾持裝置，解決了非線性系數提取過程中耦合條件難以控制的難題，為復合材料板材孔隙率的定量檢測提供了很大的幫助[3]。

1 超聲相對非線性系數

具有單一頻率的高功率超聲波進入固體介質中后，超聲波的傳播受介質應力-應變非線性關系的影響增大，產生了明顯的非線性效應，導致超聲波的“扭曲”和“畸變”，激發了高次諧波[4]。理想情況下，當進入各向同性固體介質的超聲波為具有單一頻率w的正弦波時，利用近似迭代的方法得到固體介質中超聲波傳播的二級近似解表達式為

u(x,t)=A1sin(kx-wt)-

A2xcos2(kx-wt)+…,

(1)

式中：k為波數；x為傳播距離；A1為頻域中基本頻率w的幅值；A2為頻域中非線性效應引發的二次諧波的幅值[5]。

(2)

相對非線性系數與材料的三階彈性系數對材料內的不均勻性,如孔隙、位錯及微裂紋等微缺陷較敏感，是超聲非線性評價的一個重要參數[6]。

2 超聲非線性測量系統

采用超聲穿透法獲取基波和二次諧波的幅值，計算復合材料非線性系數。根據RTM纖維紡織復合材料的高衰減特性和試驗所要求的靈敏度，理應選擇2.5 MHz的發射探頭和5 MHz的接收探頭。因為商業化的探頭有頻帶寬、會引入非線性干擾的缺點，所以選用帶寬窄、頻率成分單一的PZT材料的壓電晶片作為激勵源。

圖1 超聲非線性測量系統框圖

超聲非線性測量系統框圖如圖1所示，利用RAM 5000 SNAP非線性高能超聲測試系統對復合材料進行檢測，測試系統產生的高能輸出脈沖串經阻抗匹配、衰減和低通濾波后，驅動發射晶片向試件中輸入大功率的連續超聲脈沖串[7]；脈沖串在試件內傳播時，與材料內部的孔隙作用產生非線性效應，激發高頻成分的聲波，接收探頭接收畸變的聲波后對其進行掃頻分析[8]。運行測試系統的上位機軟件，設置參數后讀取基波和二次諧波的幅值，由式(2)即可得到位于復合材料某檢測點的二階非線性系數[8]，實現了利用超聲非線性對復合材料孔隙率的檢測。

3 存在的問題及改進方向

理想情況下，大功率超聲連續脈沖波與材料相互作用，引發的非線性現象都來源于材料自身和內部微缺陷，例如孔隙、裂紋、脫黏等[9]。而實際上，換能器的頻率響應、試件表面粗糙度、耦合條件、晶片貼合壓力等均會引入試驗系統的非線性，從而淹沒材料自身引起的非線性[10]。

穿透法中探頭和材料的位置關系示意如圖2所示，入射超聲波由PZT晶片發射，經耦合劑進入試件，與材料相互作用后，穿透波被另一側的探頭接收。由以往經驗可知，隨著時間的推進和高功率連續脈沖激勵波對晶片的振動，發射晶片與試件的耦合會漸漸松弛，與探頭的對準軸線發生偏移甚至脫離試件表面。由于無法固定探頭與材料表面的位置關系，且在同一檢測點處，探頭與材料貼合壓力的不同會對試驗結果造成較大影響，這些因素都導致同一檢測點處的重復性、穩定性差，對復合材料內部孔隙量的評估構成干擾。因此，盡可能減小外界引入的系統非線性一直是非線性測量試驗需要改進的方向[11]。

圖2 穿透法中探頭和材料的位置關系示意

所以，設計一種可以固定晶片和探頭相對位置、保證晶片和試件貼合力度相同的輔助裝置來提高非線性測量的準確性很有必要。當同一點處非線性系數數值的浮動小到誤差精度允許的范圍內時，就可認為該點的非線性系數趨于穩定，進而比較不同點處的非線性系數，對材料整體的孔隙含量進行評估。

4 壓力監測夾持裝置結構與使用效果

筆者設計了一種用于超聲非線性試驗的壓力監測夾持裝置，其外觀如圖3所示。該裝置通過機械滑軌、夾臂和晶片-探頭固定裝置來實現對樣品的夾持固定；通過壓力監測系統保證檢測點兩側晶片和探頭的相對位置，并保證對樣品的壓力一致，實現單一變量法測量不同檢測點的非線性系數，提高檢測精度，保證數據的可重復性。

圖3 壓力監測夾持裝置外觀

4.1 壓力監測系統與應用

該裝置的壓力監測系統外觀如圖4所示，彈簧與壓力傳感器相接置于夾臂間，顯示器連接有LED數碼管，通過旋轉吊環螺栓改變夾臂距離，實時讀取夾臂間壓力，將該壓力稱為參考壓力。夾臂尖端處晶片-材料-探頭的壓力隨參考壓力的固定而穩定，從而保證了測量壓力的一致。

圖4 壓力監測系統外觀

最優壓力的尋找也是關鍵環節，壓力過小時，晶片-探頭與材料貼合不緊密而混入空氣，使超聲波傳輸效率大大降低；壓力過大時，耦合劑被擠出接觸面，同樣達不到較好的傳輸效率。因此，在試驗初始階段，使晶片-探頭與材料的貼合處于剛好壓住的狀態，以一定的間隔增加壓力，同時讀取RAM 5000系統上位機軟件的通道能量預測值，選擇能量峰值時的壓力作為最優壓力，并在同一材料所有檢測點處保持壓力的一致。

圖5 晶片與探頭的固定系統示意

4.2 晶片-探頭的固定系統與應用

晶片-探頭的固定系統示意如圖5所示，下夾臂外側的圓孔中安裝有可拆卸的晶片卡槽，另一面由螺帽固定。晶片卡槽內凹一圓柱體，其深度小于晶片厚度，面積略大于晶片面積，用來放置晶片并保證晶片正面高于卡槽；內凹圓柱底部邊沿有兩個凹槽，通過孔洞連接至圓周表面，用于放置晶片背面的焊錫堆和外接引線，使晶片正面保持水平。上夾臂外側的圓孔中安裝有探頭固定卡槽，將探頭包裹防滑膠帶旋入孔中，使探頭正面略高于卡槽端面。由此保證晶片與探頭的中心軸線重合和固定。

當試驗材料邊長小于30 cm時，可利用夾臂夾持試件，當試件邊長大于30 cm時，其質量對夾臂造成的長時間壓力會導致夾臂發生永久性的彎曲，因此可使用試件架使試件四周固定，中間懸空，改變夾臂圓孔的水平位置和相對距離，實現不同點處非線性系數的測量。當試件長度超過夾臂時，安裝可拆卸的延長夾臂來擴大測量范圍。

4.3 壓力監測夾持裝置工作原理

以哈爾濱飛機工業集團制作的RTM碳纖維環氧樹脂板狀復合材料非線性系數的測量為例，介紹該裝置與RAM 5000 SNAP非線性高能超聲測試系統結合表征孔隙率的測試原理。

首先做裝置的準備工作，將焊接正負引線的PZT晶片放入晶片卡槽，確認晶片正面水平且連接良好后，將其安裝于下夾臂圓孔，將接收探頭旋入探頭卡槽，并將其安裝于上夾臂圓孔。試件為尺寸100 mm×100 mm×5 mm(長×寬×高)的板狀復合材料，其尺寸小、質量輕，僅用夾臂的夾力夾持試件，將耦合劑均勻涂抹在復合材料樣品上下兩面。將要測量的檢測點放置于晶片和探頭中心，調整夾臂距離，打開并運行5000系統，采用尋找最優壓力的方法分析該材料的壓力并以此為標準壓力。

保持標準壓力，采集不同檢測點處的回波，利用系統的掃頻功能觀察頻域波形，讀取基頻幅值和二倍頻幅值，便可計算出該檢測點處的超聲相對非線性系數，以此作為表征材料內部孔隙率的參量。

4.4 裝置使用效果

取5 mm的高孔隙率RTM碳纖維復合板材中的一點，分別在使用和未使用夾持裝置的情況下，利用晶片-探頭超聲穿透法測量該點的超聲非線性系數。結果表明，在保證貼合壓力相同的條件下，使用夾持裝置時，基波與二次諧波的頻率幅值分別是無夾持裝置時的1.06倍和1.36倍，非線性系數是無夾持裝置時的1.19倍，非線性諧波更明顯，有更強的聲波能量透過率。證明了設計的用于超聲非線性的壓力監測夾持裝置是一種有效實用的非線性系數測量輔助裝置。

5 結語

介紹了一種用于超聲非線性試驗的壓力監測夾持裝置，是RAM 5000 SNAP非線性高能超聲測試系統的輔助裝置。該裝置可實時監控換能器與材料的貼合力度，保證換能器的相對位置位于同一軸線；可多方向移動并快速改變檢測點，從而提高檢測效率，減小耦合條件、應力大小對試驗的干擾。經過對比可知，該裝置可大大提高超聲波對微缺陷的靈敏度，增強超聲波的穿透率和孔隙檢測的精度。