干耦合超聲波激勵信號研究

艾春安，蔡笑風，李 劍，劉凱旋

（火箭軍工程大學，陜西 西安 710025）

干耦合超聲波激勵信號研究

艾春安，蔡笑風，李 劍，劉凱旋

（火箭軍工程大學，陜西 西安 710025）

為保證干耦合超聲波探頭的正常工作，采用理論分析與實驗相結合的方法對其激勵信號進行選擇。干耦合超聲波探頭與試件直接接觸，入射能量低，不同粘接狀況下接收信號能量（E）差異較大，品質因數（Q）能夠表征接收信號的帶寬及強度分布，兩者可作為激勵信號的選擇依據。根據各信號表達式分別采用方波、鋸齒波及高斯窗、海明窗和漢寧窗調制的正弦脈沖信號進行試驗。試驗結果表明：在重復頻率和電壓幅值不變的條件下，對于玻璃纖維/丁腈橡膠復合材料粘接板，最優激勵波形為5周期漢寧窗調制正弦波脈沖信號，激勵頻率約為100kHz，為干耦合超聲波探頭的檢測應用提供基礎。

干耦合；超聲波激勵；窗函數；品質因數

0 引 言

在常規超聲波檢測過程中，為了實現聲能從探頭向試件的有效傳遞，通常用到水、甘油或機油等耦合劑。雖然它們無明顯腐蝕作用，但是對于固體火箭發動機殼體、飛機機翼等一些對結構完整性要求較高且需要長期使用或貯存的部件，使用耦合劑仍會造成一定的沾染，影響材料的物理和化學性能，破壞結構的完整性，因此需要尋求一種無需耦合劑（干耦合）的檢測方法對這些結構進行超聲波無損檢測。

目前，國內關于干耦合超聲檢測的研究報道較少，鄭海平等[1]對非金屬復合材料干耦合超聲自動探傷方法進行研究，分析了耦合壓力、步距、轉速對實驗結果的影響；穆洪彬等[2]將干耦合超聲檢測技術應用于某火箭發動機噴管的在役檢測中，對檢測靈敏度進行了論述，得出能夠檢測10mm以上脫粘、分層、弱粘接缺陷的結論；周正干等[3-4]利用空氣耦合超聲檢測技術，對纖維增強復合材料進行檢測和評價，取得良好應用效果。美國西北大學Komsky[5-6]為了克服傳統超聲檢測需要使用液體或膠狀耦合劑的缺點，研制出一種應用于航空器結構檢測的超聲干耦合探頭，該探頭前端使用了聚合物薄層，與試件干耦合接觸，在低壓力情況下可適應各種不規則檢測表面，可發射和接收MHz頻帶范圍內的縱波和橫波。法國蒙彼利埃大學Jimmy Duwattez等[7]研制出一種10～100MHz的高頻干耦合探頭，用來在微觀尺度下對材料表面粗糙度和摩擦性能進行檢測，其中延遲塊用來在發射表面產生均勻的波形，它的長度必須大于或等于菲涅耳距離。英國布里斯托大學A.M. Robinson等[8]研制了一種低頻（<500 kHz）干耦合輪式探頭，并用于三層粘接結構的檢測。英國華威大學C.E.Dixon等[9]在探頭的前端設計了一定厚度的干耦合劑層，并用來與金屬試件直接接觸，并通過實驗分析了不同厚度干耦合劑層對檢測效果的影響。德國斯圖加特大學Igor Solodov等[10]針對傳統空氣耦合超聲檢測空氣-固體界面易出現阻抗不匹配的問題，提出了空氣耦合Lamb波檢測方法，并通過實驗驗證了該方法不僅能精確測量出復合材料內部纖維方向，還能對各向異性復合材料板中的裂紋和分層缺陷進行量化檢測。日本川嶋紘一郎等[11-12]利用一種內置增幅80dB的高功率超聲波發射接收器JPR-600，對復合材料內部缺陷進行損傷成像檢測，實現了空氣耦合超聲波檢測技術的實際應用。通過以上分析發現，各干耦合探頭在與試件接觸端采用了聚合物薄層、延遲塊或干耦合劑層等特殊處理，設計制作難度較大；而空氣耦合超聲雖然同樣不需要耦合介質，但是由于進入被檢測材料內的超聲波能量低、振幅小、衰減大，要求空氣耦合探頭具有低頻、高靈敏度等特點，還需選擇合適的帶通濾波前置放大器，將接收信號增幅。目前國內沒有自主生產的無需耦合介質的超聲波檢測設備，本文設計了一種傳聲桿形式的干耦合探頭，并對其激勵信號展開研究。

1 干耦合超聲波檢測

干耦合超聲波檢測由于耦合方式不同，所使用的探頭與常規超聲探頭不同，其結構主要包括壓電陶瓷振子、變幅桿、匹配電路和外部工裝。探頭的核心部件是三疊片壓電陶瓷振子，該振子中間為金屬圓盤，兩邊為壓電陶瓷片，這種結構可明顯改善探頭的機械和機電耦合性能。外加電場方向與一個壓電陶瓷圓片極化方向相同，而與另一個圓片的極化方向相反，當振子受外場激勵時，一個圓片產生伸張效應，另一個產生收縮應變，結果就使整個雙層圓片發生彎曲應變[13]。構建的干耦合超聲檢測系統硬件主要有：泰克AFG3052C型任意信號發生器、NF公司HSA4051型雙極性功率放大器（最大輸出電壓為300Vp-p）及RIGOL公司MSO1104型四通道示波器。

檢測時，兩探頭置于試件缺陷區域的兩側，并通過相同質量塊進行加壓固定，使探頭中壓電陶瓷片、前端變幅桿及被檢測試件之間接觸良好。該方法采用雙探頭一發一收檢測方式，發射探頭產生的超聲波經被檢測材料被接收探頭接收，并在示波器上顯示，根據接收信號幅值、能量及頻譜等參數對缺陷進行定征。

干耦合探頭前端使用了細長的變幅桿，和結構近似于點接觸，這種接觸方式勢將會使超聲波的入射效率大為降低，而且造成嚴重的能量損失，主要包括能量的衰減和能量的泄露兩種。

單層薄板結構中Lamb波主要在上下表面之間傳播，假設板的厚度保持不變，超聲波能量的衰減由傳播距離L決定[14]，其表達式為

式中：QL——超聲波傳播距離L后聲強；

Q0——超聲波初始聲強；

α——超聲波衰減系數。

在多層結構的粘接界面處會發生能量泄露，即部分超聲波會經粘接界面由一種材料進入到另一種材料，能量泄露的多少與粘接界面面積相關，粘接界面面積越大，能量泄露越多，其示意圖如圖1所示。超聲波經過長度為x、寬度為1的粘接界面，泄露后能量為

式中：Qx——能量泄露后超聲波聲強；

β——超聲波泄露系數。

超聲波經由發射點T傳播至接收點R，若粘接界面無缺陷，其能量關系式為

若粘接界面上存在脫粘缺陷，假設脫粘長度為b，則關系式為

圖1 能量泄露示意圖

當脫粘長度b大于換能器之間距離L時，取b=L。

假設完全脫粘、部分脫粘及粘接完好3種情況下接收點R處的能量分別為E1、E2及E3，由式（4）可知，接收點R處能量泄露隨脫粘長度減小而降低，可得：E1＞E2＞E3。因此通過接收點R處能量的大小就可對粘接結構中是否存在缺陷進行判斷。

2 試驗驗證

激勵波形不同，檢測過程中激發的超聲Lamb波頻帶帶寬和周期數不同，而這些都是影響損傷檢測的重要因素。

檢測試件為復合材料粘接結構，上層為S-2玻璃纖維板，下層為丁腈橡膠配方，在纖維板和橡膠的粘接界面上預置了一個聚四氟乙烯薄膜模擬空氣夾層脫粘缺陷，試件大小為250mm×250mm，玻璃纖維板厚5mm，橡膠厚2mm，圓形區域為粘接界面上的脫粘缺陷，其大小為60 mm×50 mm，兩探頭相距約70mm。

2.1 不同激勵波形的試驗

方波是利用上升沿和下降沿來激勵的，相當于探頭受到兩次激勵，產生兩個超聲波，調節方波的寬度可以使兩次激勵的波形相疊加或相減，從而得到探頭的最佳靈敏度或最佳分辨率。通常通過調節脈沖寬度來得到最佳的靈敏度，當脈沖寬度接近探頭中心頻率的1/2周期時，經常能夠得到換能器的最佳靈敏度也就是信號的峰值。

外加激勵的鋸齒波可表示為

式中：an=（-1）n+1/（nπ）；

ωc——信號基頻；

P——信號幅度；

N——諧波數目，由于換能器的帶寬限制，取N=2。

當復合材料粘接板中Lamb波傳播一段距離后，由于它的頻散及多模式特性，導致檢測信號的成分比較復雜，給分析帶來一定難度。而將激勵信號的頻率限制在一定的窄頻段范圍內能有效抑制頻散。通常所用的激勵波形多為用窗函數對正弦信號調制后得到的信號[15]，可表示為

式中：ω（t）——調制用的窗函數；

f——激勵信號的頻率。

常用的窗函數有高斯窗、海明窗和漢寧窗等，其表達式分別為

其中0≤t≤τ，τ=n/f，n為波數。

試驗時，首先在PC機上根據以上表達式調制出各激勵信號，發送至信號發生器，將輸出阻抗設為高阻600Ω，重復頻率為1kHz，幅值為2Vp-p，并通過功率放大器（放大倍數為20）將信號輸出在發射探頭上。激勵波形為方波、鋸齒波及高斯窗、海明窗和漢寧窗調制正弦波時的檢測結果分別如圖2～圖6所示。

圖2 方波檢測結果

圖3 鋸齒波檢測結果

圖4 高斯窗調制正弦波檢測結果

圖5 海明窗調制正弦波檢測結果

圖6 漢寧窗調制正弦波檢測結果

2.2 不同激勵頻率的試驗

由于壓電陶瓷片是一個彈性體，因此存在諧振頻率。當外界作用的頻率等于諧振頻率時，壓電陶瓷片就產生機械諧振，諧振時振子的振幅最大，彈性能量也最大。經測定，本文探頭中單個壓電陶瓷片的諧振頻率約為70 kHz，但由于壓電振子采用了三疊片結構，而且探頭結構中加入了彈簧、緊固件等工裝，實際的諧振頻率需通過試驗進行確定，選擇激勵頻率分別為50，70，100，130kHz的漢寧窗調制正弦波信號進行檢測，結果分別如圖7、圖8、圖6和圖9所示。

圖7 激勵頻率為50kHz時檢測結果

2.3 不同波數的試驗

不同波數的選取對檢測結果的影響很大，對于低于200kHz的Lamb波，每個周期模態的時間相對較長，因而不易選取周期數較多的信號，否則較容易與回波信號疊加在一起不利于分析。針對激勵頻率100kHz的漢寧窗調制正弦信號，在波數分別為3，5，7條件下進行試驗，實驗結果分別如圖10、圖6和圖11所示。

3 結果分析

具體在選擇波形時一方面要遵循在中心頻率處能量越集中以及頻帶越窄越好的原則，另一方面由于超聲波干耦合檢測沒有耦合介質，要求接收的信號具有高能量E。對于信號質量可引入品質因數Q作為衡量參數，其定義為

圖8 激勵頻率為70kHz時檢測結果

圖9 激勵頻率為130kHz時檢測結果

圖10 激勵波形波數為3時檢測結果

圖11 激勵波形波數為7時檢測結果

式中：f0——中心頻率；

df——頻率帶寬。

一方面，Q值越大，表明信號質量越好，能量越集中，帶寬越小；反之，信號能量越分散，帶寬越大，信號質量越差。

1）在試驗的5種波形中，當激勵信號為鋸齒波時，探頭可以工作，但無法接收到有用的檢測信號，因此鋸齒波不宜作為激勵波形。根據另外4種頻域信號包絡計算的Q值及E值如表1所示，柱狀圖如圖12所示。

表1 不同激勵波形時的Q值和E值

從圖12中可以看出，4種激勵波形均能使探頭正常工作，接收探頭均能采集得到含有缺陷信息的檢測信號，其中采用方波激勵時Q值和E值都較小；高斯窗調制正弦波激勵時E值較大，但Q值較小都不適合作為干耦合探頭的激勵信號；海明窗和漢寧窗調制的正弦信號Q值和E值都較高，尤其是漢寧窗調制信號，更適合作為激勵信號。

圖12 不同激勵波形時的Q值和E值柱狀圖

2）根據不同激勵頻率條件下的檢測結果，計算出50，70，100，130kHz時的Q值和E值，如表2所示，其柱狀圖如圖13所示。由圖可知，隨著激勵頻率的增大，接收信號的E值逐漸增大，而Q值先增大后減小，當頻率為100kHz時達到最大，因此綜合Q值和E值，選擇漢寧窗調制正弦波信號的激勵頻率為100kHz。

表2 不同激勵頻率時的Q值和E值

表3 不同激勵波數時的Q值和E值

圖13 不同激勵頻率時的Q值和E值柱狀圖

3）波數分別為3，5，7時，計算出的Q值及E值如表3所示，根據檢測信號包絡繪出的柱狀圖如圖14所示。從圖中可以看出，隨著激勵波波數的逐漸增大，Q值基本保持不變，波數為5時稍大；而E值逐漸減小，波數為7時，降低幅度較大，波數為3和5時，E值比較接近，因此選擇激勵信號波數為5。

圖14 不同激勵波數時的Q值和E值柱狀圖

4 結束語

1）干耦合超聲檢測過程中，脫粘和未脫粘區域能量泄露存在區別，可以根據接收檢測信號的能量來判斷缺陷的存在與否。

2）不同激勵信號作用于干耦合超聲波探頭，導致檢測信號的中心頻率、帶寬、能量集中性等都有所不同，引入的品質因數Q值和能量E值可作為選擇最優激勵信號的依據。

3）針對不同的檢測對象，選用的激勵波形、波數、頻率等參數都有所不同，對于玻璃纖維/丁腈橡膠兩層粘接板，宜選用5周期漢寧窗調制正弦波作為干耦合超聲檢測的激勵波形。

4）由于結構中超聲Lamb波傳播過程比較復雜，影響接收信號能量、帶寬等特征參數的因素很多，比如邊界、試件中界面的波形轉換等，下一步需對這些問題進行更深入的分析。

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（編輯：李剛）

Research on dry coupled ultrasonic excitation signal

AI Chun’an，CAI Xiaofeng，LI Jian，LIU Kaixuan
（Rocket Force University of Engineering，Xi’an 710025，China）

To ensure the operation of dry coupled ultrasonic probe，theoretical analysis and experiment are jointly applied to select its excitation signal.The projectile energy of the dry coupled ultrasonic probe is low because it has direct contact with the specimen.The energy（E）of the receipt signal differs greatly under different bonding conditions.Quality factor（Q） can represent the bandwidth and intensity distribution of receipt signal and they can be used as the basis for selecting excitation signal.According to the expression formula of each signal，sinusoidal impulse signal modulated by square wave，sawtooth wave，Gauss window，Hamming window and Hanning window were used for test.Test results show that the optimal excitation waveform for the glass fiber/nitrile rubber bonded composite plate is the sine pulse signal with an excitation frequency of about 100 kHz modulated by 5-cycle Hanning window under constant repetition frequency and voltage amplitude.It provides a basis for the detection of dry coupled ultrasonic probe.

dry coupled；ultrasonic wave excitation；window function；quality factor

A

：1674-5124（2016）12-0012-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.003

2016-03-23；

：2016-04-28

國家自然科學基金項目（51275517）

艾春安（1964-），男，湖南邵陽市人，教授，博士生導師，研究方向為固體火箭發動機無損檢測。