復合材料干耦合聲學檢測技術的發展與應用

艾春安，曾一平，李 劍，劉 瑜，彭 炯

（第二炮兵工程學院，西安 710025）

近30年來先進復合材料得到了突飛猛進的發展。復合材料以其高的比強度和比模量以及良好的抗疲勞性和成型工藝性而在航空航天制造業中獲得大量應用，并已在某些關鍵部位代替了金屬。例如固體火箭發動機復合材料殼體、噴管等。對復合材料的無損檢測，除應用傳統的超聲、射線等方法外，在應用工業CT、紅外熱波、激光檢測等新技術方面也開展了廣泛深入的研究［1］。但對于一些特殊的復合材料結構和缺陷類型（如貼合型脫粘），聲學檢測仍然是最有效的技術途徑。特別是那些不能污染、不宜涂抹耦合劑的復合材料或其他非金屬結構，對不采用耦合劑、操作簡單、適應于外場檢測的干耦合檢測技術提出了新的需求。文章將對干壓力耦合法、聲阻法、局部敲擊法、空氣耦合超聲檢測法和定距發送接收法五種聲學干耦合檢測技術的基本原理、特點、局限和適用對象進行綜合闡述，對復合材料干耦合技術發展趨勢進行展望。

1 干壓力耦合法

干壓力耦合技術是一種直接應用探頭耦合的超聲檢測技術。該技術的關鍵在于使用了特制的探頭，這種探頭前端有柔性材料（如軟橡膠、液泡等）制成的耦合層，結構如圖1所示［2］。在檢測過程中，通過施加一定壓力，使柔性耦合層與試件表面緊密接觸耦合，超聲波通過柔性耦合層直接進入被檢試件，接收探頭也是通過同樣的方式接收超聲波。干壓力耦合技術選用的工作頻率一般在0.05～2MHz范圍，檢測方法有串列法（使兩探頭都在試件的同一面）和穿透法（使兩探頭分別在試件的相對面）。前者的發射、接收探頭相對于試件表面成一定的傾角，依靠的是多向散射的聲能而不是普通超聲檢測的單一反射能。后者利用接收探頭接收到的聲能大小來判別材質內部的質量狀況。

圖1 干壓力耦合探頭的基本結構

干壓力耦合技術由于探頭結構輕巧，檢測操作簡單，能實現外場檢測，適用于復合粘接結構中近表面較大面積的脫粘和分層缺陷的檢測，在航天復合材料上應用較廣。例如：西安復合材料研究所最早運用干壓力耦合技術對火箭發動機復合材料噴管進行檢測，采用串列法實現了結構中分層缺陷的檢測，結果基本滿足了噴管的檢測需要。2006年，該所的鄭海平、張新春等人利用前端帶液泡的探頭，運用干耦合穿透法對航天復合材料制品進行了檢測，并運用CT掃描進行了驗證，效果較好，并在普通干耦合探頭基礎上，制作了輪式干耦合探頭，設計了復合材料自動探傷設備［2－3］。

但是由于檢測時依靠探頭前端柔性耦合層與被檢物體接觸，因此耦合壓力對檢測波形影響較大；并且超聲波在穿越耦合層進入被檢試件的過程中，能量會有較大損失，靈敏度會降低；此外在檢測表面粗糙的復合材料時，探頭前端的耦合材料易磨損。目前將輪式干耦合探頭安裝在專門的掃查裝置上，利用空壓機的氣壓保證探頭與產品間的良好耦合，既能提高檢測效率，又能提高靈敏度，應用前景較好。

2 聲阻法

聲阻法檢測又被稱為機械阻抗分析法，其基本原理是：把反映材料振動特性的力學阻抗轉換為換能器的負載阻抗，由于材料的力學阻抗與材料結構存在著一定的關系，通過對換能器特性的測量即可判斷材料力學阻抗的變化，從而達到檢測的目的［4］。該方法采用專用的探頭，結構如圖2所示。其工作過程如下：外加電壓V發激發發射晶片2，通過輻射桿3和觸頭5，使被檢樣品激發彎曲振動，樣品的機械阻抗信息通過觸頭5反饋給接收晶片4，即樣品的力阻抗作為接收晶片的負載，不同的粘接質量，反映不同的機械阻抗，從而引起接收晶片4幅度和相位的變化，產生不同的V收輸出，達到檢測缺陷的效果［4］。

圖2 聲阻法檢測原理圖

聲阻法檢測為點接觸，不需要耦合劑，不受被測件外形的限制，單探頭操作簡單，被廣泛用來檢測航空航天產品的薄蒙皮粘接和蜂窩結構粘接質量，能夠檢測出面積較大的氣孔、分層、脫粘。如郭海鷗用聲阻法對飛機發動機隔音板進行了檢測，能檢測出蒙皮蜂窩脫粘＞φ10mm的缺陷［5］；張斌、張淑香等人用聲阻法對金屬蜂窩膠結結構沖擊脫粘損傷進行檢測，能識別深埋3mm處φ20mm的沖擊脫粘損傷［6］。

該方法檢測出最小缺陷的靈敏度與缺陷的埋深（膠結結構的上板厚度）有關，當檢測缺陷較深時無法檢測；由于是點接觸，檢測效率低。但隨著電子技術以及現代信號處理技術的飛速發展，以復合材料為具體研究對象，將先進的電子技術引入聲阻法，會給這一古老的檢測手段注入嶄新的生命活力。

3 局部敲擊法

局部敲擊檢測是操作者使用小錘、改錐把手或硬幣等質量較輕的物體，對被檢測對象進行逐點敲擊檢測。由于敲擊得到沖擊響應與被檢對象的局部機械阻抗和彈性系數有關，可以通過得到的音頻信號或應力信號的不同來判斷是否存在缺陷。圖3為敲擊法檢測復合材料得到的應力信號，不難看出，當被檢測樣品中存在缺陷時，其對應的應力持續時間會較長，而相應的頻率則要低一些，因此可以將持續時間和頻率作為檢測的特征量。

局部敲擊檢測方法是膠接結構和復合材料結構檢測中常用而又廉價的一種檢測方法。該方法操作簡單，設備攜帶方便，可實現現場實時檢測，能檢測直徑大于13mm的脫粘，可檢測板厚1mm玻璃纖維或碳纖維疊層下的不連續或厚2mm金屬蒙皮下的不連續［7－8］。在國外，愛荷華州立大學Peters等人則在RD3的基礎上，發展了一種用于波音飛機復合材料快速檢測和掃描的成像系統CATT［9］。2003年，印度的Srivatsan等人對復合材料敲擊的數據進行聲音采集，并運用神經網絡方法進行處理，獲得了一定的效果［10］。在國內，也有部分學者對這種檢測方法進行過研究。哈爾濱工業大學的冷勁松等人就在20世紀90年代中運用Cawley等人的方法對配橡膠內側復合材料板殼進行敲擊檢測，從應力的時域信號以及頻域信號中分辨出不同層的脫粘缺陷［11］。2007年，南京航空航天大學的閆曉東［12］的論文中描述了一種運用敲擊檢測方法對飛機復合材料結構檢測的智能敲擊系統。

該方法也存在局限，在薄的面板上敲擊時，將產生不希望有的、小的凹痕；對大的機構如飛機機翼，敲擊檢測效率低，很費時；對于深層的膠粘體的氣孔或脫粘，檢測效果較差。隨著微處理控制技術和傳感技術的發展，利用加速度計作為傳感器的智能敲擊系統，能極大地提高檢測的靈敏度。

4 空氣耦合式超聲檢測法

空氣耦合式超聲檢測法屬于非接觸超聲檢測的一種，是把空氣作為探頭與試件間耦合劑的一種無損檢測方法。檢測模式有反射式和穿透式兩種［13］，如圖4所示。反射式超聲檢測，信號進入待測試樣后，若待測試樣中存在缺陷，超聲信號部分能量將被缺陷反射，通過接收到反射信號的大小來判斷內部缺陷情況。對于穿透式檢測方式，收發換能器分別置于待檢試樣的兩側，若待測試樣中存在缺陷，則缺陷的大小和形狀都將對傳播信號產生不同程度的反射和衰減，從接收信號的衰減程度可判斷出內部缺陷狀況。

目前實現反射式空氣耦合方式還有很大的技術難度，現階段應用比較廣泛的是穿透式空氣耦合超聲檢測，該模式的超聲傳播路徑如圖5所示。從圖中可以看出，超聲波檢測過程中，從發射端到接收端共有四個介質分界面，這意味著超聲波檢測信號在傳播過程中將產生四次反射／透射現象，出現四次信號衰減［13］，因此，空氣耦合式超聲波檢測技術主要受以下因素制約：介質分界面處的強反射和強透射影響、空氣吸收影響以及信號處理技術。

圖5 穿透式空氣耦合超聲傳播路徑

該技術最大的優點是非接觸檢測，能適用于高溫高壓等環境比較惡劣的檢測場合，若將探頭安裝在C掃描裝置上，能極大地提高檢測效率，能檢測復合材料膠接結構和蒙皮蜂窩結構，是一種應用前景較廣的方法。波蘭格坦斯克科技大學的Imielinska等采用穿透式超聲C掃描技術對多層聚合體復合材料的沖擊損傷進行了檢測研究［14］。在國內，裝備指揮技術學院的董正宏、王元欽、李靜等人以航天復合材料構件的非接觸超聲檢測技術為背景，基于穿透式空氣耦合超聲檢測模式，建立空氣耦合超聲檢測實驗系統，全面分析和評估了空氣耦合超聲在實際應用中的檢測性能［13，15－16］。

該技術的最大問題是空氣和待檢試樣（固體材料）之間聲阻抗存在巨大差異，一般相差約5個數量級，阻抗不匹配使超聲波穿越試樣表面時產生強反射、強折射等效應，進而導致接收信號的信噪比大幅降低，檢測靈敏度不高。因此目前國內空氣耦合超聲檢測技術還處于實驗室階段。高效率、高靈敏度的空氣耦合式換能器的研究是解決該問題的核心，解決方法有：① 在傳統壓電晶片式換能器的外殼上增加阻抗匹配層 ，使之適應以空氣為耦合劑的檢測方式。Gomez等［17］的研究解決了匹配材料的選擇問題。② 研制新型靜電換能器［18］來提高超聲波能量的傳遞效率。

5 定距發送接收法

定距發送／接收檢測原理與聲－超聲檢測原理基本相似，是利用聲波在復合材料或膠結結構件內的傳播規律檢測粘接不連續的技術。它采用的是雙晶片、雙觸點的不需要耦合劑的低頻超聲探頭。檢測時，以低頻電子信號激勵發射換能器，超聲波經觸頭進入被檢工件。接收換能器通過與發射換能器定距間隔的另一觸頭拾取經工件傳播后的聲波，如圖6所示。超聲波以板波模式橫穿工件傳播。檢測經工件傳播的返回信號，返回信號通過幅值與相位顯示來表征工件聲徑上界面完好或脫粘。

圖6 定距發送／接收檢測原理

依據激勵方式的不同，定距發送／接收檢測技術又可分為三種模式：掃頻模式、脈沖模式和連續波模式。掃頻模式通常采用20～40kHz范圍的電子掃頻激勵發送換能器，經觸頭，在被檢工件中形成掃頻超聲波，接收換能器觸頭檢取經工件傳播的超聲波。檢測并顯示返回信號的幅度與相位即可判別聲徑上完好粘接與不良粘接的效應。脈沖定距發送／接收和射頻定距發送／接收的檢測原理與掃頻定距發送／接收檢測相同，只是所用的激勵方式不同。

該方法具有多模式，可檢測多種復合材料脫粘、分層，能實施現場在線檢測，檢測靈敏度和深度相對較高，對于五層碳復合材料蒙皮－鋁蜂窩結構，可檢測缺陷＞10mm，例如美國Staveley NDT Technologies公司開發的綜合聲學檢測儀Sonic BondMaster包含有該項技術的掃頻發／收、脈沖發／收、射頻連續波發／收三種不同的檢測模式，可運用于多種復合材料的檢測。北京航空工程技術研究中心的耿榮生等人提出了一種基于最低階反對稱板波激勵、掃頻幅度－相位顯示的干耦合檢測新方法，基于此方法研制的儀器可檢出復合材料常見故障，如脫粘、未粘接及分層等缺陷［19］。

由于該方法中兩探頭間為定距，且一般距離較短，檢測時，只能檢測聲徑上是否存在缺陷，對于大型復合材料的檢測，費時費力，檢測效率低。但隨著C掃描技術的逐漸成熟，將其引入定距發送／接收檢測，研究一種基于定距發送／接收的C掃描檢測系統，將進一步推動該技術的工程應用。

另外，磁致伸縮技術也是一種較好的干耦合技術，目前只適用于檢測金屬材料，對于復合材料的檢測還需進一步研究。

6 小結與展望

隨著復合材料的廣泛應用，對于那些不適合使用耦合劑的復合材料部件損傷，干耦合檢測方法的應用需求越來越廣泛。文章論述的五種聲學干耦合技術，操作簡單，設備便于攜帶，能適用于外場檢測，能夠檢測常見的復合材料缺陷。隨著技術的發展，這些方法必將在工程上得到廣泛地應用。

在干耦合條件下，復合材料檢測存在以下局限：外界噪聲干擾較大，入射信號衰減嚴重，接收信號的信噪比低。這些局限性導致檢測靈敏度較低。根據目前復合材料干耦合技術的研究現狀和存在的局限，下一步的研究工作應主要集中在以下幾個方面：

（1）研制先進的干耦合探頭，增強發射和接收信號強度，進一步提高精度和靈敏度。

（2）研究和應用先進的信號處理技術，提高信噪比，提高缺陷模式識別能力。

（3）研發能用于C掃描的干耦合檢測技術，提高檢測效率。

（4）研制干耦合多模式檢測儀器，即一種儀器包含多種干耦合檢測方法，針對不同材料不同缺陷選取不同的檢測模式進行檢測。（5）研制出智能化、可視化的便攜式干耦合檢測儀器，便于現場檢測、實時檢測。

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