一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法

2023-08-02 08:26:51

一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法。該方法基於超聲脈衝聲波在複合材料中激發的聲發射信號，實現複合材料內部缺陷的檢測；發射換能器和接收換能器採取非對稱模式、分離式和集成式兩種布局，置於被檢測複合材料零件的同側或任意一側；在0-360°內選擇發射換能器和接收換能器的位置和姿態；可實現多通道超聲-聲發射檢測；利用來自被檢測複合材料內部的聲發射信號時域特徵進行缺陷的判別和定位。本發明極大地提高了超聲-聲發射對複合材料的檢測能力，檢測厚度可達50mm，檢測靈敏度可達Ф3mm、0.13mm深和49mm深缺陷，顯著改善了超聲-聲發射檢測解析度和表面檢測盲區及檢測能力。
【專利說明】一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於無損檢測技術，涉及一種用於航空、航天、兵器、船舶、冶金、鋼鐵、交 通、建築等領域中複合材料的超聲-聲發射方法。

【背景技術】
[0002] 超聲是目前廣泛用於各種材料及其結構缺陷定量無損檢測的重要方法，已在航空 航天、兵器、電子、船舶、冶金、石化石油、交通、建築等領域得到廣泛應用，特別是在複合材 料領域，目前80%複合材料結構都採用了超聲檢測。目前用於複合材料超聲檢測方法主要 有反射法和穿透法，利用外部超聲脈衝聲源，在被檢測複合材料中形成的反射/透射聲波 行為，進行缺陷的檢測和判別，其主要不足是：（1)對缺陷取向非常敏感，隨著缺陷取向與 入射聲波傳播方向之間的夾角增大，對缺陷的檢出能力顯著下降，進而容易造成漏檢；(2) 聲波衰減劇烈，難以實現大厚度複合材料及多孔隙複合材料等聲波衰減劇烈的材料的無損 檢測。


【發明內容】

[0003] 本發明的目的是提供一種利用寬帶超聲脈衝聲波作為激勵聲波，通過此激勵超聲 脈衝與被檢測複合材料相互作用，在缺陷周圍產生的聲發射行為，通過接收來自複合材料 及其內部缺陷的聲發射信號，實現複合材料的無損檢測，克服傳統超聲檢測受缺陷取向影 響，容易造成漏檢的不足，解決大厚度複合材料及多孔隙複合材料等聲波衰減劇烈的材料 的無損檢測的複合材料的超聲-聲發射方法。
[0004] 本發明的技術解決方案是，該方法基於衝擊脈衝產生的超聲脈衝聲波在複合材料 中激發的聲發射信號，實現複合材料內部缺陷的檢測，
[0005] 超聲發射單元輸出的衝擊激勵脈衝激發發射換能器中的壓電傳感元件，使發射換 能器產生激勵超聲波，由發射換能器向被檢測複合材料零件發射激勵超聲波，
[0006] 接收換能器中的壓電傳感元件接收來自被檢測複合材料零件的聲發射波，經壓電 傳感元件轉換成電脈衝信號輸出給聲發射接收單元，壓電傳感元件的頻率特性依據發射換 能器中的壓電傳感元件頻率特性確定，壓電傳感元件的頻率特性與傳感元件的頻率特性為 非對稱模式，
[0007] 聲發射接收單元的頻率特性與接收換能器中的壓電傳感元件的頻率特性匹配，聲 發射接收單元的增益調節範圍為〇-6〇dB，聲發射接收單元的輸出通過高頻信號線與信號顯 示單元相連，接收換能器與發射換能器置於被檢測複合材料零件的同側或任意一側，接收 換能器與發射換能器的距離在0_50mm的半徑範圍內。
[0008] 所述的發射換能器的入射位置和入射方向，根據被檢測複合材料零件特點和檢測 要求不同，在0-360°範圍內選擇發射換能器的入射位置和入射方向。
[0009] 所述的接收換能器的位置和姿態，根據被檢測複合材料零件特點和檢測要求不 同，在0-360°內選擇接收換能器相對發射換能器的接收角度，接收來自被檢測複合材料零 件內部缺陷的聲發射信號。
[0010] 所述的超聲-聲發射檢測方法中使用的發射換能器和接收換能器採用不同數量 的發射換能器和接收換能器的組合構成，實現複合材料零件的多通道超聲-聲發射檢測。 [0011] 所述的超聲-聲發射檢測方法中使用的發射換能器和接收換能器採用分離式和 集成式兩種，實現不同複合材料零件的超聲-聲發射檢測。
[0012] 所述的接收換能器的頻率為發射換能器的頻率的整數倍。
[0013] 所述的發射換能器的頻率為接收換能器的頻率的整數倍。
[0014] 所述的檢測方法中使用的發射換能器和接收換能器為手持式或安裝在自動檢測 設備上。
[0015] 本發明具有的優點和有益效果，本發明是利用寬帶超聲脈衝聲波作為激勵聲波， 通過此激勵超聲脈衝與被檢測複合材料相互作用，在缺陷周圍產生的聲發射行為，通過接 收來自複合材料及其內部缺陷的聲發射信號，實現對複合材料零件的無損檢測。由於在缺 陷周圍的聲發射信號呈現周向分布特徵，接收換能器在缺陷周圍任一方向都可以有效地接 收到來自缺陷的聲發射信號，因此，這種方法對缺陷的方向不敏感，從而克服了傳統超聲定 向反射/透射檢測方法受缺陷取向制約，導致檢測靈敏度低和漏檢的問題，進而大大地提 高了缺陷檢出能力和檢測可靠性。
[0016] 本發明採用寬帶脈衝超聲作為激發信號，在複合材料內部激發高品質的聲發射信 號，聲發射信號的頻率特性和解析度得到質的提高，信號的時域規律十分清晰，從而大大地 提高了缺陷識別和定量分析的準確性。
[0017] 本發明中的檢測信號直接來自缺陷周圍的聲發射信號，聲發射源直接來自缺陷自 身，用於檢測的信號品質直接與缺陷關聯，減少了聲波在複合材料中的傳播聲程和能量損 失，進而顯著提高了大厚度複合材料和多空隙複合材料及大衰減複合材料的檢測能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明複合材料的超聲-聲發射檢測方法示意圖；
[0019] 圖2是本發明檢測複合材料的超聲-聲發射缺陷定位方法示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明作詳細說明。
[0021] -種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，該方法基於衝擊脈衝產生的超聲脈衝聲 波在複合材料中激發的聲發射信號，實現複合材料內部缺陷的檢測，參見圖1所示，
[0022] 超聲發射單元2輸出的衝擊激勵脈衝激發發射換能器1中的傳感元件1A，使發射 換能器1產生激勵超聲波8,如圖1中P1所示，由發射換能器1向被檢測複合材料零件6發 射激勵超聲波8,當被檢測複合材料零件6中存在缺陷7時，激勵超聲波8與缺陷7相互作 用，在缺陷7周圍產生聲發射行為，形成聲波發射源，從而在缺陷7周圍形成聲發射波9,此 聲發射波9由E 1(t)、E2(t)、···、Ei(t)、…En(t)組成，i = l，2，···，n，
[0023] 接收換能器3中的壓電傳感元件3A接收來自被檢測複合材料零件6的聲發射波 9，經壓電傳感元件3A轉換成電脈衝信號輸出給聲發射接收單元4,壓電傳感元件3A的頻率 特性依據發射換能器1中的傳感元件1A頻率特性確定，壓電傳感元件3A的頻率特性與傳 感元件1A的頻率特性為非對稱模式，
[0024] 聲發射接收單元4的頻率特性與接收換能器3中的壓電傳感元件3Α的頻率特性 匹配，聲發射接收單元4的增益調節範圍為0-60dB，聲發射接收單元4的輸出通過高頻信 號線與信號顯示單元5相連，通過信號顯示單元5顯示聲發射信號V D (t)，接收換能器3與 發射換能器1置於被檢測複合材料零件6的同側或任意一側，接收換能器3與發射換能器 1的距離在0_50mm的半徑範圍內。
[0025] 發射換能器1的入射位置和入射方向，根據被檢測複合材料零件特點和檢測要求 不同，在0-360°範圍內選擇發射換能器1的入射位置和入射方向，如圖1中所示的PpP 2、 P3方向。
[0026] 接收換能器3的位置和姿態，根據被檢測複合材料零件特點和檢測要求不同，在 0-360°內選擇接收換能器3相對發射換能器1的接收角度，接收來自被檢測複合材料零件 內部缺陷的聲發射信號。
[0027] 超聲-聲發射檢測方法中使用的發射換能器1和接收換能器3採用不同數量的發 射換能器1和接收換能器3的組合構成，實現複合材料零件的多通道超聲-聲發射檢測。
[0028] 超聲-聲發射檢測方法中使用的發射換能器1和接收換能器3採用分離式和集成 式兩種，實現不同複合材料零件的超聲-聲發射檢測。
[0029] 接收換能器的頻率為發射換能器的頻率的整數倍。
[0030] 發射換能器的頻率為接收換能器的頻率的整數倍。
[0031] 檢測方法中使用的發射換能器和接收換能器為手持式或安裝在自動檢測設備上。
[0032] 檢測方法中的缺陷判別：根據信號顯示單元5顯示的聲發射信號的特徵和變化， 進行缺陷的判別，實現對被檢測複合材料零件6的無損檢測，
[0033] 1)缺陷的判別：當被檢測複合材料零件中沒有缺陷時，沒有聲發射波Ejt)，此時， 接收換能器3接收不到聲發射波Ei (t)，在信號顯示單元5中的顯示器屏幕上不會出現聲發 射波Ejt)對應的脈衝顯示信號；當被檢測複合材料零件內部存在缺陷時，會在缺陷周圍產 生聲發射波& (t)，此時，接收換能器3接收到聲發射波Ei (t)，進而在信號顯示單元5中的 顯示器屏幕上會出現聲發射波Ejt)對應的脈衝顯示信號VD(t)，根據V D(t)的存在即可進 行缺陷的判別，
[0034] 2)缺陷深度確定：檢出缺陷的深度Η由（1)式確定，缺陷的水平位置L由（2)式 確定，參見圖2，
[0035] H = (t0_tD) X ν X sin Θ (1)
[0036] L = (t0_tD) X ν X cos θ (2)
[0037] 這裡，h-聲發射信號接收的起始時間，tD-來自缺陷的聲發射波9Ei (t)的傳播時 間，Θ-接收換能器3的接收角，ν-聲速。
[0038] 複合材料超聲-聲發射檢測方法的檢測步驟為，
[0039] ①將發射換能器1通過高頻連接線與超聲發射單元2連接，將接收換能器3通過 高頻連接線與聲發射接收單元4連接；②將聲發射接收單元通過高頻連接線與信號顯示單 元5連接；③超聲發射單元2和信號顯示單元上電，進入超聲-聲發射工作窗口；④將被檢 測複合材料零件表面刷溼，然後將發射換能器1和接收換能器3置於被檢測複合材料零件 刷溼表面，按照給定的掃描軌跡移動發射換能器1和接收換能器3,同時信號顯示單元5實 時顯示的檢測信號變化規律，進行缺陷的判別，對於檢出缺陷按照（1)式和（2)式確定缺陷 的深度和位置；當採用自動檢測時，將發射換能器1和接收換能器3安裝在自動掃描設備 上，對被檢測複合材料零件進行自動掃描，檢測結果以成像方式顯示，實現對被檢測複合材 料超聲-聲發射自動掃描成像檢測。
[0040] 實施例1
[0041] 採用本發明中的複合材料的超聲-聲發射檢測方法和檢測步驟，選擇單發-單收 檢測模式，選擇手工掃查方式，發射換能器1和接收換能器3採用集成式布局換能器，二者 為零接近距離，並位於複合材料零件的同一側，發射換能器1的頻率選擇2MHz，接收換能器 3的頻率選擇5MHz，分別對5mm和10mm碳纖維複合材料零件進行了系列的實際檢測應用， 實際檢測應用效果表明，檢測解析度和表面檢測盲區可達單個複合材料鋪層厚度，可檢出 複合材料結構中 φ3_、0. 13mm深和9. 8mm深的缺陷，取到了很好的實際檢測效果。
[0042] 實施例2
[0043] 採用本發明中的複合材料的超聲-聲發射檢測方法和檢測步驟，選擇單發-雙收 檢測模式，選擇自動掃描方式，發射換能器1和接收換能器3採用分離式布局，安裝自動掃 描檢測設備上，發射換能器1和接收換能器3之間距離為10mm，並位於複合材料零件的兩 偵牝發射換能器1的頻率選擇1MHz，接收換能器3的頻率選擇2MHz，分別對20mm和50mm碳 纖維複合材料零件進行了系列的實際檢測應用，實際檢測應用效果表明，檢測解析度和表 面檢測盲區可達單個複合材料鋪層厚度，可檢出複合材料結構中Φ3πιπι、0· 13mm深、10mm、 49mm深的缺陷，取到了很好的實際檢測效果。
【權利要求】
1. 一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，該方法基於衝擊脈衝產生的超聲脈衝聲波 在複合材料中激發的聲發射信號，實現複合材料內部缺陷的檢測，其特徵是， 超聲發射單元（2)輸出的衝擊激勵脈衝激發發射換能器（1)中的傳感元件（1A)，使發 射換能器（1)產生激勵超聲波（8)，由發射換能器（1)向被檢測複合材料零件（6)發射激勵 超聲波（8)， 接收換能器（3)中的壓電傳感元件（3A)接收來自被檢測複合材料零件￠)的聲發射 波（9)，經壓電傳感元件（3A)轉換成電脈衝信號輸出給聲發射接收單元（4)，壓電傳感元件 (3A)的頻率特性依據發射換能器（1)中的壓電傳感元件（1A)的頻率特性確定，壓電傳感元 件（3A)的頻率特性與壓電傳感元件（1A)的頻率特性為非對稱模式， 聲發射接收單元（4)的頻率特性與接收換能器（3)中的壓電傳感元件（3A)的頻率特 性匹配，聲發射接收單元（4)的增益調節範圍為0-60dB，聲發射接收單元（4)的輸出通過高 頻信號線與信號顯示單元（5)相連，接收換能器（3)與發射換能器（1)置於被檢測複合材 料零件￠)的同側或任意一側，接收換能器（3)與發射換能器（1)的距離在0_50mm的半徑 範圍內。
2. 權利要求1所述的一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，其特徵是，所述的發 射換能器（1)的入射位置和入射方向，根據被檢測複合材料零件特點和檢測要求不同，在 0-360°範圍內選擇發射換能器（1)的入射位置和入射方向。
3. 根據權利要求1所述的一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，其特徵是，所述的接 收換能器（3)的位置和姿態，根據被檢測複合材料零件特點和檢測要求不同，在0-360°內 選擇接收換能器（3)相對發射換能器（1)的接收角度，接收來自被檢測複合材料零件內部 缺陷的聲發射信號。
4. 根據權利要求1所述的一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，其特徵是，所述的超 聲-聲發射檢測方法中使用的發射換能器（1)和接收換能器（3)採用不同數量的發射換能 器（1)和接收換能器（3)的組合構成，實現複合材料零件的多通道超聲-聲發射檢測。
5. 根據權利要求1所述的一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，其特徵是，所述的 超聲-聲發射檢測方法中使用的發射換能器（1)和接收換能器（3)採用分離式和集成式兩 種，實現不同複合材料零件的超聲-聲發射檢測。
6. 根據權利要求1所述的一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，其特徵是，所述的接 收換能器（3)的頻率為發射換能器（1)的頻率的整數倍。
7. 根據權利要求1所述的一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，其特徵是，所述的發 射換能器（1)的頻率為接收換能器（3)的頻率的整數倍。
8. 根據權利要求1所述的一種複合材料的超聲-聲發射檢測方法，其特徵是，所述的檢 測方法中使用的發射換能器（1)和接收換能器（3)為手持式或安裝在自動檢測設備上。
【文檔編號】G01N29/14GK104049038SQ201410276118
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】劉松平, 劉菲菲, 李樂剛, 傅天航 申請人:中航複合材料有限責任公司