北京航空航天大學超聲元損檢測實驗室2022 年度工作進展

2022 年，北京航空航天大學超聲無損檢測實驗室在超聲檢測基礎理論研究、超聲仿真系統設計以及超聲檢測系統研發上取得了系列成果。在碳纖維增強樹脂基復合材料纖維褶皺缺陷的超聲檢測方面，建立了利用復合材料層間反射信號對褶皺缺陷進行表征的理論模型，針對層間信號微弱、超聲信號相位敏感等特性，提出了利用線性相位濾波器緩解噪聲引起錯位的方法。在碳纖維復合材料的陣列超聲檢測方面，提出了基于Viterbi 搜索算法的聲線示蹤方法，建立了CFRP材料陣列超聲檢測的聲束路徑計算模型，改進了CFRP 材料的陣列超聲全聚焦檢測成像算法。在異種粗晶組織材料擴散焊界面的超聲檢測方面，建立了粗晶母材、擴散焊界面、復雜形面聲學檢測模型，實現了粗晶組織材料擴散焊界面靜態聲場計算與缺陷響應回波信號仿真，為異種粗晶組織材料擴散焊檢測提供了理論基礎。在超聲檢測仿真系統設計方面，建立了陣列超聲聲線路徑仿真、超聲聲場分布仿真以及超聲檢測動態聲場仿真等多個核心仿真模塊，結合超聲組件三維建模功能，可實現超聲無損檢測的快速仿真成像分析。在超聲檢測系統研發方面，研制了“5+1”軸水浸超聲C 掃描檢測系統和雙通道空氣耦合超聲檢測系統，可分別應用于復雜曲面試樣和復合材料板材的自動化檢測。

1 碳纖維增強樹脂基復合材料纖維褶皺缺陷的超聲檢測研究

纖維褶皺缺陷是碳纖維復合材料中常見的幾何形狀缺陷。在碳纖維復合材料零部件制造過程中，由于預浸料滑移引起鋪層彎曲變形，這種內部鋪層偏離預設方向的缺陷稱為褶皺缺陷。相關研究表明，碳纖維復合材料中的褶皺缺陷通常是應力集中點，嚴重降低了材料的力學性能。與分層、脫黏、夾雜等引起復合材料內部材料不連續的缺陷不同，褶皺缺陷基本上不改變局部材料的連續性，直接利用幅值信息的常規超聲無損檢測方法難以有效評估。

復合材料褶皺缺陷檢測利用常規超聲檢測中視為結構噪聲的層間反射信號反演褶皺缺陷的幾何形態特征。褶皺缺陷是鋪層連續變化的缺陷，褶皺的幾何形態特征是影響力學性能的重要因素，褶皺檢測需要利用超聲信號反演出其幾何形態特征。基于全矩陣數據的全聚焦方法（TFM-FMC）通過虛擬延時聚焦成像，可以達到很高的空間精度。由于層間反射信號微弱，全聚焦檢測結果易受到各種噪聲的干擾，需要設計離散時間濾波器來消除噪聲干擾。

由于全聚焦算法是對全矩陣數據中A 型信號進行延時疊加處理，所以要求濾波器對A 型信號的時間信息沒有影響或可以校正。由于褶皺缺陷的幾何形態特征是空間信息，其對信號的相位信息要求較高，應盡量避免相位失真，需要選擇線性相位濾波器或者頻域濾波器，因此，提出了一種使用線性相位濾波的超聲陣列數據進行皺褶檢測的方法。

為了盡量減小層間反射回波之間的干涉影響，選擇利用中心頻率為10 MHz 的線陣換能器（10L64-0.3×5-D77 EJA557）采集數據。利用短時傅里葉變換對全矩陣數據內的A 型信號進行時頻分析（見圖1），確定層間回波信息主要集中在9 MHz 附近，據此設計線性相位濾波器，其幅頻特性與相頻特性如圖2 所示。對含有隨機孔洞的人工褶皺缺陷（見圖3）進行檢測，其濾波前、后全聚焦成像結果與全聚焦相位成像的余弦值如圖4 所示。對比圖4(c)與圖4(d)可知，濾波后成像結果中的錯位現象明顯得到改善。圖5 為濾波后全聚焦相位成像余弦值的峰值與褶皺橫截面疊加對比圖，可見，濾波后成像結果可以準確地反演出褶皺缺陷的幾何形態特征。

圖2 濾波器的幅頻特性與相頻特性

圖3 褶皺試樣圖

圖4 濾波前后全聚焦相位成像結果與全聚焦相位的余弦值

2 碳纖維增強樹脂基復合材料缺陷的陣列超聲全聚焦成像檢測研究

在先進樹脂基復合材料（CFRP）的超聲檢測中，常規超聲檢測效率低，而陣列超聲全聚焦成像檢測技術則依賴準確的聲傳播延時。針對CFRP 中的各向異性和多層折射界面而導致聲波延時計算困難的問題，提出了一種使用Viterbi 搜索算法的聲線示蹤方法，用于計算陣列超聲全聚焦成像檢測的延時法則，從而實現對CFRP 中典型缺陷的陣列超聲全聚焦成像檢測。

首先，通過分析碳纖維鋪疊角度和不同角度鋪層的彈性系數矩陣，計算qP 波在0°、±45°和90°纖維鋪層內不同傳播角度下的傳播速度，如圖6 所示。

圖6 在0°、±45°和90°單向鋪層中qP 波群速度隨傳播角度的變換

其次，通過費馬原理和Viterbi 搜索算法計算CFRP 內部聲傳播路徑和聲傳播時間，CFRP離散模型中，使用底面反射法（BRM）計算第1個陣元發射、不同位置陣元接收的聲線路徑示意圖如圖7 所示。

圖7 第1 個陣元發射、不同位置陣元接收的聲線路徑示意圖

然后，為了驗證聲線示蹤方法的準確性，使用Viterbi 聲線示蹤法、BRM 試驗以及固定聲速法分別計算3 種方法的聲傳播時間差，如圖8 所示。結果表明，使用固定聲速法，只有前16 個陣元計算的聲時接近BRM 實驗測量值，當接收陣元與發射陣元的距離更遠時，兩者差值迅速增加，說明CFRP 試塊中多層結構和層間各向異性對聲波傳播影響不可忽略，不能直接等效于在各向同性介質中傳播；而聲線示蹤法計算的聲時與BRM 實驗測量值接近，驗證了聲線示蹤法的準確性。最后，根據Viterbi 聲線示蹤法計算的延時法則，使用陣列超聲全聚焦算法實現了對CFRP構件中典型缺陷的成像檢測，如圖9 所示。結果表明，使用聲線示蹤法的陣列超聲全聚焦圖像，可以有效避免CFRP各向異性和層間反射的干擾，相干疊加的信號幅值增加，鋪層顯示連貫，可以有效檢出復合材料中的缺陷。

圖8 三種不同方法計算的qP 波傳播時間差曲線

圖9 Viterbi 聲線示蹤法分別對CFRP 構件上下表面的纖維褶皺缺陷進行全聚焦成像結果

3 異種粗晶材料擴散焊界面超聲檢測研究

為滿足航空航天極端環境的使用要求，異種粗晶組織材料常通過擴散焊連接在一起形成多功能復合材料。由于粗晶組織材料會引起強烈的超聲散射衰減和波形畸變，使現有的用于細晶材料擴散焊界面檢測的高頻超聲和非線性方法難以適用。為研究適用于粗晶組織材料擴散焊界面檢測的新方法，建立了考慮晶粒特性的粗晶組織金屬材料仿真模型，探究了超聲波在各種類型粗晶組織材料中的傳播規律，如圖10 所示。擴散焊缺陷尺寸遠小于超聲波波長，難以使用常規幅值方法進行表征，建立了擴散焊微孔缺陷、考慮復雜形面特性的聲學模型，為后續粗晶擴散焊微小缺陷的識別分析提供了理論基礎，如圖11 所示。

圖11 擴散焊界面聲場仿真

4 超聲檢測仿真軟件系統設計

通過超聲檢測仿真，可明確試樣的超聲傳播特性，指導并優化超聲檢測工藝設計，顯著提高超聲檢測效果。在采用有限元等通用仿真工具進行超聲檢測仿真時，存在操作繁瑣、技術門檻高等局限性。為此，開發了超聲檢測仿真專用軟件，可顯著降低超聲檢測工藝設計過程的經濟成本和時間成本。

首先，基于OpenCascade 三維CAD 建模庫，開發了檢測模型的三維建模模塊，可實現多種類型換能器、多種復雜結構試樣、楔塊以及缺陷的建模、顯示以及交互，允許用戶自主定義組件的結構特征和聲學特征，進而準確表征超聲檢測工況，檢測模型如圖12 所示。此外，基于射線追蹤算法和組件三維模型，建立了陣列超聲聲線仿真功能模塊。

圖12 陣列超聲檢測三維模型

其次，基于Rayleigh-Sommerfeld 方法，開發了基于半解析方法的超聲聲場分布計算模塊，可快速計算超聲換能器在試樣中所激發聲場的三維分布，并可據此分析超聲檢測參數與聲場分布特征的映射規律，聲場分布顯示結果界面如圖13所示。

圖13 超聲聲場分布顯示界面

最后，基于時域有限差分仿真方法，建立了動態聲場仿真模塊。該仿真模塊通過三維檢測模型交互的方式實現有限差分網格及陣列超聲聚焦檢測方案的設置，并利用GPU 并行計算，極大地提升了仿真計算效率。通過計算并記錄仿真區域和換能器晶片處應力和速度的變化，實現聲場的動態傳播過程和超聲回波信號的仿真計算，如圖14 所示。在此基礎上，基于超聲回波計算結果，仿真系統提供了陣列超聲扇形掃查、線性掃查以及全聚焦成像等多種檢測仿真成像功能，可供用戶進行仿真成像分析，軟件界面如圖15 所示。

圖14 陣列超聲動態聲場傳播過程

圖15 超聲檢測仿真軟件界面

5 超聲檢測系統研發

針對曲面構件的無損檢測需求，研制了“5+1”軸水浸超聲C 掃描檢測系統，如圖16 所示。檢測系統采用五軸加回轉臺的機械結構，可實現回轉體構件和復雜曲面構件的自動化檢測。支持常規單探頭和陣列超聲兩種檢測模式，檢測軟件具有工件仿形、軌跡規劃、運動控制、C 掃成像、3D 顯示成像等功能。系統現已進入檢測實驗測試階段。

圖16 “5+1”軸水浸超聲C 掃描檢測系統

碳纖維增韌碳化硅陶瓷基（C/SiC）復合材料是一種極具發展潛力的耐高溫結構材料。為實現C/SiC 復合材料的質量無損評估且滿足工業自動化檢測的需求，研制了一套適用于C/SiC 復合材料的雙通道空氣耦合超聲自動檢測系統，如圖17 所示。系統的檢測范圍為3.0 m×2.0 m，雙通道模式下檢測速度可達1.0 m/s，支持矩形、梯形、三角形工件的自動掃描。檢測軟件具有運動控制、A 型信號顯示、C 掃描成像、缺陷統計分析、檢測報告生成等功能。C/SiC 復合材料空氣耦合超聲檢測系統可實現厚度20 mm 的C/SiC 復合材料?30 mm 分層缺陷的有效檢出（尺寸誤差小于15%），現已用于航天系統某部門的實際生產檢測中。

6 結語

2022 年北京航空航天大學超聲無損檢測實驗室取得的成績離不開國內同行的大力支持與幫助。未來，實驗室期望繼續保持與同行的深入交流與合作，攻克相關領域的無損檢測難題，促進我國先進無損檢測技術的發展！