淺談聲-超聲檢測技術在復合材料構件中的應用

葉城保

（廣西機電職業技術學院，廣西 南寧 530000）

0 引言

復合材料具有強度高、模量高、抗疲勞性能好等優點而被廣泛應用到航天航空、汽車工業、電力等重要行業。目前應用于復合材料的無損檢測技術主要有射線檢測技術、普通超聲檢測技術、聲發射檢測技術、聲-超聲檢測技術等。聲-超聲檢測技術通過激勵超聲源，使得在材料表面及內部產生應力波，并由聲發射換能器接收分析，實現材料性能評價。與其他方法相比，聲-超聲檢測不會受到纖維增強等新型復合材料內部結構特性干擾，且無需在工件內部有裂紋產生或擴展瞬間才能被動檢測到信號，能夠通過應力波因子等實現構件性能變化的定量評價。近幾十年來，聲-超聲檢測技術得到了長足的發展，其代表性信號處理方法包括應力波因子法、駐波共振法、非線性聲-超聲法及概率成像法，在復合材料性能、粘接質量及缺陷檢測等方面得到了廣泛應用[1-2]。本研究運用材料聲-超聲檢測系統及其4種信號處理方法，分析了復合材料聲-超聲技術當前存在的主要問題及未來的發展趨勢。

1 聲-超聲檢測系統

聲-超聲檢測系統通常由工控機（包含任意信號發生卡和信號采集卡）、發射換能器、接收換能器和前置放大器組成。如圖1所示，聲-超聲信號由信號發生系統控制任意信號發生卡產生，通過發射換能器在材料表面及內部產生應力波，應力波經過材料內部一些細微結構（如裂紋、氣孔、雜質等）并產生相應的變化后到達接收換能器，信號經前置放大器放大后由信號采集卡進行采集，最終由工控機對信號進行處理，分析被測材料性能發生變化時信號時域、頻域的變化特性，并對材料是否能夠繼續滿足使用要求做出判斷。

圖1 聲超聲檢測系統原理圖

對于復合材料檢測，采用聲-超聲檢測技術只需要進行傳感器數量一半的超聲波激勵即可完成數據采集，檢測效率高；自主激發的激勵源更穩定，能夠更有效地分析超聲波在材料中的物理傳播過程，滿足復合材料中多種介質、脫粘、裂紋及裂紋間相互的惡性作用的檢測要求，更全面地分析復合材料中的結構特性及損傷狀況。

2 聲—超聲信號處理與評價

與其他檢測方法對信號的傳播進行詳細分析不同，聲-超聲檢測的主要目的在于評價材料的整體性能，是檢測聲波在材料內部結構間相互作用后的累積效果。聲-超聲信號進入到材料內部后會發生模式變換及波形重疊等現象，從接收信號中很難讀取獨立結構或缺陷源的信息，只能從材料、結構及缺陷綜合作用下的性能變化來評價。目前聲-超聲信號處理方法主要包括應力波因子法、駐波共振法、非線性聲-超聲法及概率成像法。

2.1 應力波因子法

聲-超聲檢測利用應力波傳播的相對效率來表征被測工件的性能，常采用應力波因子法（SWF）來檢測。應力波因子法可通過接收信號時域、頻域波形的幅值特性、能量及功率譜密度等特征量來表征，通過這些特征量的相對變化來評價被測對象性能的變化[3]。

Lorenzo等[4]通過對復合材料層板進行實驗研究，表明峰值電壓及峰峰值電壓可以用來描述復合材料層板在拉伸載荷作用下的微裂紋損傷積累量。應力波信號時域波形的電壓幅值超過預設門檻值的次數稱為振鈴因子，在多數情況中，極限聲壓的設置是基于每個波形的振鈴次數計算，因此，以振鈴因子表征聲超聲信號將能夠檢測出相關信號的強度。Kautz等[5]觀察聲-超聲信號時域圖時發現聲-超聲信號近似呈現出指數形式的衰減，但在對實際信號衰減率進行求解時卻很難得到較為貼合指數形式的衰減結果。于是Kautz等就想到了在信號指數衰減的形式上再對其進行對數處理，即可求出聲-超聲信號的衰減速率，用以評價被測對象性能變化。

2.2 駐波共振法

在對板厚為波長幾倍的材料進行檢測時，Loutas等[6]在對駐波共振法進行分析時發現共振狀態下頻率對聲-超聲波傳播影響較大，結合譜峰特征可以對板厚相較波長大許多的復合材料進行評價。

當材料厚度為聲波半波長整數倍時，材料內會形成駐波，材料產生共振，即：

式中：d為材料厚度，λ為聲波在材料中的波長，n為任意整數。因此，共振時理論基頻f1可表示為：

式中：c為被測材料厚度方向上的波速（縱波波速）。通過理論基頻的設置，結合應力波在被測試樣厚度方向上的信號譜峰位置及振幅分析，可以判斷出材料整體性能的好壞，當設備條件及環境較好時甚至可以測量出缺陷位置。

當入射波在材料中傳播到裂紋或其他缺陷處，經反射傳播回傳感器的時間t等于激發頻率半波長的奇數倍時，材料中產生共振波，即：

式中：T為激發信號振動周期，因為t=2s/c，s為入射點到缺陷處的距離，則共振頻率fn可表示為：

由式（4）可知，兩個相鄰共振頻率之差為理論基頻f1的兩倍，即fn+1-fn=△f=2f1。則入射點到缺陷處的距離s即可被求出：

駐波共振法在實際中通常用來檢測多層復合材料整體性能或層間界面狀況。當材料整體性能很好時，應力波信號在材料整體上就會產生良好的共振情況，反之，共振信號會相對減弱或消失。通過實際測得的譜峰位置和時間的波速，還可求得缺陷的位置。

2.3 非線性聲-超聲法

以上兩種聲-超聲信號處理方法均表明了聲-超聲檢測技術可有效檢出材料性能的退化，但是線性的蘭姆波或駐波傳播分析只能對材料性能退化程度作出宏觀判斷。通過Nikolaos等[7]的研究發現，非線性聲-超聲波在材料微觀損傷程度檢測上體現出了極高的敏感性，尤其是對金屬及復合材料。

非線性聲波是由材料本身的非線性弾性特性或者聲波經過缺陷引起的，微擾理論認為非線性引起的質點振動是一種微小擾動。以兩個不同幅值和頻率的余弦信號作為激勵聲源輸入及一個接收傳感器輸出，定義線性輸入信號為：

式中：A1和A2為余弦信號幅值，f1和f2為余弦信號頻率，?1和?1為余弦信號初始相位。根據微擾理論，帶有非線性波動的信號可表示為：

式中：w1（x，t）為非線性波，b為非線性系數。定義非線性波動方程為：

在求解出含非線性波動的信號后，再通過傅里葉變換得到了信號的雙頻率譜調制方程。當分離數據庫數量趨于無限大時，經過簡單推理即可求出非線性系數與雙頻率譜之間的映射關系，利用非線性系數作為非線性超聲調制因子可評價材料中存在缺陷的幾何信息。

2.4 概率成像法

概率成像方法是一種根據材料中存在缺陷的可能性來分析缺陷位置及幾何大小的成像算法，相對于傳統成像方法中使用確定性物理參數，使用概率來評價缺陷在聲-超聲檢測中具有一定的優勢。首先需要構建監測網絡，對檢測區域進行網格化劃分并均勻布置多個傳感器，網格每個像素點對應一個值，即代表該區域存在損傷的概率值。其次，將每個傳感器檢測到的聲-超聲信號進行時頻域分析，計算應力波因子或非線性系數等特征量在傳播路徑上的變化并計算各像素點缺陷存在概率值。最后，利用算術平均法將每條傳感路徑上存在缺陷的概率值進行融合即可得出缺陷圖像。

聲-超聲檢測具有許多的不確定性和概率因素，這些不確定因素對求解損傷的確定物理參數具有很大影響，因此，將與損傷存在必然關聯的概率因素聯合起來識別材料中的缺陷數量及位置信息具有更高的穩定性。

除了上述4種方法，部分學者根據不同條件下的時頻特性還提出了許多其他方法來分析聲-超聲信號，但都因設備要求過高、實驗穩定性較差或者是理論驗證不充分等問題未被廣泛采用。如Zhang等[8]采用高帶寬和靈敏性強的光纖傳感器對復合材料螺旋槳及T型接頭進行檢測，基于小波系數相關性對高信噪比檢測信號進行計算得到雙頻最大到達時差，且通過實驗表明該時差與螺旋槳沖擊次數及街頭分層長度成正比變化關系。這種分析方法對設備及檢驗條件的要求較高，其實用性仍待討論。

3 聲-超聲復合材料技術研究小結及發展趨勢

聲-超聲檢測技術通過激發復合材料表面及內部產生應力波實現材料整體性能及缺陷狀態的描述，具有比常規超聲檢測技術及聲發射檢測技術更高的缺陷檢測效率及更強的材料定性及定量評價能力，可解決復合材料中各種缺陷及其相互惡性作用的定性檢測問題。未來，如何精確描述應力波在復合材料內部的傳播及變化仍將是研究重點。此外，實際檢測中容易受測量條件、設備等因素影響，改進設備、提高檢測穩定性也是重要研究方向。