摘 要 分析了超声波在多层结构复合材料中的传播特性,设计了测量多层复合材料厚度及各种缺陷的超声检测系统超声发射系统。该系统由超声波发射系统、接收系统及计算机控制处理系统组成。针对多层结构复合材料层厚及内部缺陷分别进行了计算机仿真和实测实验,并对实验结果进行了比对。结果表明,该检测系统性能达到了设计要求。
1 引 言
近年来,随着现代科学技术的进步,特别是汽车工业、航空航天工业的飞速发展,新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。由于复合材料具有高强度、高模量重量比、耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及吸噪性好、抗氧化、抗蠕变等性能,所以在新材料技术领域占有重要的地位。它在汽车底盘、保险杠、飞机扰流板、整流罩、方向舵、水平安定面以及航天飞行器翼板等部件得到广泛的应用。多层结构复合材料是用数层基体不同(包括金属基、树脂基、陶瓷基)或结构不同的纤维及固体层粘结热压而成,其性能和品质与基体厚度、各纤维及固体层厚度有着密切的关系。
多层复合材料结构件在制造和使用过程中有可能产生各种缺陷,如脱层、脱粘、固体层裂纹、夹渣、纤维束交迭、过量气孔或孔洞以及层厚不均匀等,这些缺陷使得多层结构复合材料性能下降,甚至导致整个结构件报废,造成重大经济损失。因此,采用可靠检测方法对复合材料进行检测是保证其质量和性能的重要环节。
本文对超声波在多层结构复合材料中的传播特性进行了分析,设计了测量多层复合材料厚度及各种缺陷的超声检测系统,并针对多层结构复合材料进行了计算机仿真实验测试。
2 超声波在多层结构复合材料中的传播
在多层复合材料的超声检测系统中,主要采用纵波进行垂直入射获取其回波信号。当超声波垂直入射时,只存在同一类型的反射和透射。这里以超声波在三层结构复合材料中的传播为例对纵波垂直入射到多层界面的传播进行分析。设三层结构复合材料每层媒质的声特性阻抗分别为:Z1=ρ1c1、Z2=ρ2c2、Z3=ρ3c3,pi为入射波,pr为反射波,pt为折射波。当超声波从媒质Ⅰ垂直入射到媒质Ⅱ时,由于两媒质声阻抗不同,在其界面入射波一部分按原途径反射形成反射波,方向与入射波相反,声速不变。入射波另一部分透过界面进入媒质Ⅱ形成透射波,方向与入射波相同,波型不变,但声速随着媒质Ⅱ性质的不同发生变化。其声压反射系数和声压透射系数分别为:
当超声波由声阻抗为Z1=ρ1c1的介质穿过声阻抗为Z2=ρ2c2的介质,达到声阻抗为Z3=ρ3c3的介质时,通过了两个界面,超声波必须在第一和第二两个界面上都满足位移和应力连续的条件,声压和振幅在两个边界上必须是连续的。由此,对垂直入射的超声波可以写出四个边界条件方程,以此来求得介质中的入射波、反射波和折射波的能量分配。根据边界条件方程,可得到在垂直入射情况下投入第三介质中的超声波声压振幅与第一介质入射波的声压振幅比:
3 多层结构复合材料的超声检测系统设计
多层结构复合材料超声检测系统工作原理如图1所示,它由超声发射单元、接收单元、计算机控制系统组成。
首先由发射电路产生一个高压电脉冲加到压电换能器探头上,激励晶片产生脉冲超声波。超声波透过耦合剂射入被测试件。在试件内传播的超声波遇到界面即产生反射,超声回波由接收探头接收转变成电脉冲输入接收电路,经过放大、检波,然后进行A/D转换成数字量,计算机通过对数字信号的采集、分析和处理,实现对多层结构复合材料层厚的检测和缺陷的评判。发射单元由发射驱动和超声探头组成。发射驱动负责产生激励探头的电压部分,由计算机进行控制产生控制脉冲,通过电路发生高达300多伏的高压脉冲,将这个高压脉冲加到压电晶片上产生超声波,实现由电能到声能的转化。发射部分的脉冲电压高达几百伏,但是由回波引起的压电晶片的射频电压不过几十毫伏,这样小的信号难以进行各种处理,因此接收单元首先要完成信号的放大,然后经过检波和驱动电路送入A/D转换器。补偿器用来补偿超声波在传播中随距离的增加而产生的衰减。在以单换能器脉冲反射方式工作的情况下,电压很高的发射电脉冲在激励换能器件的同时也直接进入接收单元,发射单元和接收单元由同步脉冲进行控制。计算机控制系统主要是运用计算机强大的控制功能和信号处理能力对同步脉冲,发射驱动等进行控制,并对经过A/D转换的回波信号进行处理。最后由多层结构复合材料层厚检测和缺陷评判软件实现对多层结构复合材料层厚的检测和缺陷的评判。
4 多层结构复合材料的超声检测与计算机仿真
为了验证多层结构复合材料的超声检测系统的性能和测量结果的准确性,本文利用计算机仿真和实测实验对二种三层结构的复合材料进行了层厚测量研究。利用推导出的超声波在一层、两层以及多层复合材料中的传播规律与公式,对超声波在一层、两层和三层结构的复合材料中传播的底面回波进行仿真。然后将计算机仿真的结果与实测实验图形进行比较,如图2、3所示。
多层结构复合材料的缺陷类型主要有脱层、脱粘、固体层裂纹、夹渣、纤维束交迭、过量气孔或孔洞以及层厚不均匀等,用于缺陷分类和评判的超声信号的特征通常是波形的实体特征。实体特征包括反射波的上升时间、脉冲持续时间和波形的下降时间。缺陷的特征也可从反射波的频域中提取。为了更好地完成多层结构复合材料的缺陷检测、分类和评判。本文利用计算机采集全波列检测信号、通过对反射回波采样及处理,提取和储存超声波形的各种特征,应用编写的缺陷评判软件实现对多层结构复合材料层厚的检测和缺陷的评判。
5 结束语
本文对超声波在固体2固体媒质界面的反射、透射和折射进行了理论分析,推导出多层结构复合材料中超声波的传播模式及其反射、透射和折射系数,在分析超声波检测的机理及多层结构复合材料的物理性能的基础上,设计了适用于检测多层结构复合材料的超声检测系统。并对超声发射系统、接收系统及计算机控制与处理系统进行了设计与调试,针对多层结构复合材料的层厚及内部缺陷类型的检测与评判,本文采用计算机仿真与实测实验进行了对比。结果表明,该检测系统性能达到了设计要求。
参考文献
[1] TSUNG2TSONG WU. Elastic Wave Propagation andNondestructive Evaluation of Materials [J]. ElasticWave and NDE of Materials,1999,6.
[2] 刘福顺,汤明.无损检测基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[3] 伟志,刚铁,王军.超声波检测计算机模拟和仿真的研究及应用现状[J].应用声学,2003,22(3):39244.
