在役飛機機翼超聲波檢測的換能器設計

徐進軍　江茫

摘 要：為保障飛行安全，必須對在役飛機機翼進行100%超聲波檢測。在使用超聲波檢測方法時，換能器的設計能夠直接影響到儀器的探測靈敏度以及探測范圍。所以，根據檢測對象來設計換能器顯得尤為重要。本文根據某型飛機機翼結構特點，對所使用的超聲波水浸聚焦換能器參數進行了設計。

關鍵詞：飛機機翼；超聲波檢測；水浸聚焦；換能器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.203

飛機機翼在服役過程中，損傷模式主要包括蒙皮基體損傷、蒙皮纖維斷裂、分層損傷和蜂窩芯層脫粘等損傷[1.2]。而超聲波檢測能很準確的檢測出復合材料基體與增強體的分層破壞、宏觀裂紋、樹脂固化不完全、氣孔、膠接的脫膠、蜂窩夾層的脫膠等復合材料缺陷，因此成為復合材料構件無損探傷的重要方法[5]。

根據飛機機翼蒙皮的結構特點以及探傷要求，我們選用超聲波手動掃查檢測方法對飛機機翼進行探傷，操作人員根據儀器顯示的超聲信號進行缺陷類型判別和定位及區域標記。超聲波換能器作為超聲波探傷機中的重要組成部分，它的設計直接影響著儀器的探傷靈敏度以及探測范圍等。因此，針對飛機機翼的材料組成以及形狀，設計相應的水浸聚焦換能器顯得尤為重要。

1 水浸聚焦換能器設計

1.1 水浸聚焦換能器

凡能將任何其他形式能量轉換成超音頻振動形式能量的器件均可用來發射超聲波，具有可逆效應時又可以用來接收超聲波，這類元件稱為超聲換能器，俗稱探頭。隨著中國航空航天領域的高速發展，對缺陷定量的要求日益提高，而常規探頭測定的缺陷面積或指示長度往往與缺陷實際尺寸相差較大。飛機機翼在服役過程中，非常容易產生分層、蜂窩芯層脫粘等平面面積型損傷。為滿足探傷要求以及節約探傷成本，我們設計了一款專用的是縱波水浸聚焦直探頭。水浸聚焦直探頭能夠根據檢測對象參數進行超聲波聚焦設置提高檢測靈敏度，通過調節水層厚度來減小甚至去除超聲波近場區長度的影響。實驗證明，使用聚焦探頭所測定的缺陷面積或指示長度結果要比常規探頭更加精確。

1.2 探頭參數設計與制造

當平面波入射到曲界面上時，其折射波將發生聚焦或者發散。此時折射波的聚焦或者發散不僅與曲面的凹凸有關，而且與界面兩側介質中的波速有關。對于凸透鏡，當с1>с2時聚焦。為了節約探傷成本和方便手工掃查，我們在普通直探頭（2.5PΦ14Z）的壓電晶片前面加個聲透鏡來制作聚焦探頭。聲透鏡靠晶片一面是平面，另一面是曲面。探頭制作過程中，首先粘接阻尼塊與晶片。粘接時，使用由環氧樹脂與二乙烯三胺制成的粘接劑固定在探頭殼中。聲透鏡的制作是采用澆注的方法，把環氧樹脂與細鎢粉按一定比例為1：0.5混合均勻，然后利用固化劑壓混合物澆注在晶片表面上，再用球面壓塊壓上。當鎢粉、環氧樹脂和固化劑壓混合物固化成型后，去掉壓塊便可制得聲透鏡。

1.3 探頭焦距與水層厚度的計算

在超聲波檢測中，水浸聚焦檢測是將工件置于水中，以水中耦合介質，用聚焦探頭進行探頭與工件的非接觸法探測來實現的。在水浸檢測中，超聲波是先進入水，再進入檢測工件中的。當水層厚度較小時，近場區有可能會分布在水，工件這兩種介質中。由于飛機機翼蒙皮的厚度較小（約為8mm），為了避免這種情況的發生，在設計水層厚度時，我們可以在超聲波信號進入工件之前完成聚焦，從而減小檢測盲區。

對于水浸聚焦直探頭來說，其焦距是一個十分重要的參數。焦距F與聲透鏡的曲率半徑γ之間的關系為：

（1）

式中：c1—聲透鏡聲速（2696m/s）；c2—水中聲速（1480m/s）。

從公式（1）中，可以看出，水浸聚焦直探頭焦距的關鍵參數是聲透鏡的曲率半徑和聲透鏡中的聲速。通過計算可得：F≈2.2γ。

1.4 探頭曲率半徑設置

探頭直徑為14mm、頻率為2.5MHz。經過計算可得水中近場區長度約為83mm（這是在理想聲場下計算得出的水中近場區長度）。但是在實際檢測環境中，實際聲場是非均勻激發的脈沖波，持續時間很短，波源各點輻射的聲波在聲場中某點產生不完全干涉或不干涉。從而使實際聲場近場區軸線上極值點減少，近場區長度變短。根據聚焦聲場的特性我們可知，焦距應該小于近場區長度。結合上述理論與實際分析，我們把水層厚度設計為66mm、聲透鏡的曲率半徑為30mm。

1.5 保護膜的厚度設置

鑒于所檢測的工件表面粗超度的影響，我們選擇由有機玻璃制成的硬保護膜。超聲檢測時，超聲波通過一定厚度的異質薄層時，反射和透射情況與單一平界面有所不同。實驗中所用探頭，超聲波信號首先經過一定厚度的水層，再到達探頭保護膜，最后經過耦合劑（水）進入工件。在均勻介質中（Z1=Z3≠Z2）保護膜的厚度，對超聲波的聲壓反射率和透射率會產生影響。

當保護膜厚度為半波長的整數倍時，其聲波發生率達到最大。即當保護膜兩側聲阻抗相等，保護膜厚度為半波長的整數倍時，超聲波幾乎全透射，保護膜好像不存在一樣。經過計算，我們所采用的保護膜厚度選擇為2.36mm。

2 實驗驗證

通過上述分析，選用2.5PΦ14Z探頭，其他參數設置分別為：水層厚度（焦距）66mm、聲透鏡的曲率半徑30mm、保護膜的厚度2.36mm。我們使用該型參數設置探頭與北京某研究所研制的復合材料超聲檢測儀配套使用，對多架飛機機翼進行了探傷并通過多種途徑驗證了探傷結果的可靠性。

參考文獻：

[1]姚武文.新機復合材料構件損傷修理技術研究，第四界中國航空學會青年科技論壇文集[M].北京：航空工業出版社，2010.

[2]侯勝利，姚武文，董俊.飛機復合材料損傷無損檢測方法及其選擇[J].機電產品開發與創新，2013.

[3]石英.超聲波換能器性能檢測系統的設計與實現[D].大連理工大學，2008.

作者簡介：徐進軍（1986-），男，江西撫州人，碩士研究生，講師，研究方向：機械設計與檢測方面研究。