艾春安，曾一平，李 劍，劉 瑜，彭 炯

（第二炮兵工程學(xué)院，西安 710025）

近30年來先進(jìn)復(fù)合材料得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)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(yè)中獲得大量應(yīng)用，并已在某些關(guān)鍵部位代替了金屬。例如固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體、噴管等。對(duì)復(fù)合材料的無損檢測，除應(yīng)用傳統(tǒng)的超聲、射線等方法外，在應(yīng)用工業(yè)CT、紅外熱波、激光檢測等新技術(shù)方面也開展了廣泛深入的研究［1］。但對(duì)于一些特殊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和缺陷類型（如貼合型脫粘），聲學(xué)檢測仍然是最有效的技術(shù)途徑。特別是那些不能污染、不宜涂抹耦合劑的復(fù)合材料或其他非金屬結(jié)構(gòu)，對(duì)不采用耦合劑、操作簡單、適應(yīng)于外場檢測的干耦合檢測技術(shù)提出了新的需求。文章將對(duì)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(fā)送接收法五種聲學(xué)干耦合檢測技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)、局限和適用對(duì)象進(jìn)行綜合闡述，對(duì)復(fù)合材料干耦合技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 干壓力耦合法

干壓力耦合技術(shù)是一種直接應(yīng)用探頭耦合的超聲檢測技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)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(duì)面）。前者的發(fā)射、接收探頭相對(duì)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(zhì)內(nèi)部的質(zhì)量狀況。

圖1 干壓力耦合探頭的基本結(jié)構(gòu)

干壓力耦合技術(shù)由于探頭結(jié)構(gòu)輕巧，檢測操作簡單，能實(shí)現(xiàn)外場檢測，適用于復(fù)合粘接結(jié)構(gòu)中近表面較大面積的脫粘和分層缺陷的檢測，在航天復(fù)合材料上應(yīng)用較廣。例如：西安復(fù)合材料研究所最早運(yùn)用干壓力耦合技術(shù)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料噴管進(jìn)行檢測，采用串列法實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)中分層缺陷的檢測，結(jié)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(yùn)用干耦合穿透法對(duì)航天復(fù)合材料制品進(jìn)行了檢測，并運(yùn)用CT掃描進(jìn)行了驗(yàn)證，效果較好，并在普通干耦合探頭基礎(chǔ)上，制作了輪式干耦合探頭，設(shè)計(jì)了復(fù)合材料自動(dòng)探傷設(shè)備［2－3］。

但是由于檢測時(shí)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(duì)檢測波形影響較大；并且超聲波在穿越耦合層進(jìn)入被檢試件的過程中，能量會(huì)有較大損失，靈敏度會(huì)降低；此外在檢測表面粗糙的復(fù)合材料時(shí)，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(jī)的氣壓保證探頭與產(chǎn)品間的良好耦合，既能提高檢測效率，又能提高靈敏度，應(yīng)用前景較好。

2 聲阻法

聲阻法檢測又被稱為機(jī)械阻抗分析法，其基本原理是：把反映材料振動(dòng)特性的力學(xué)阻抗轉(zhuǎn)換為換能器的負(fù)載阻抗，由于材料的力學(xué)阻抗與材料結(jié)構(gòu)存在著一定的關(guān)系，通過對(duì)換能器特性的測量即可判斷材料力學(xué)阻抗的變化，從而達(dá)到檢測的目的［4］。該方法采用專用的探頭，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作過程如下：外加電壓V發(fā)激發(fā)發(fā)射晶片2，通過輻射桿3和觸頭5，使被檢樣品激發(fā)彎曲振動(dòng)，樣品的機(jī)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(fù)載，不同的粘接質(zhì)量，反映不同的機(jī)械阻抗，從而引起接收晶片4幅度和相位的變化，產(chǎn)生不同的V收輸出，達(dá)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(diǎn)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(chǎn)品的薄蒙皮粘接和蜂窩結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)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(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)隔音板進(jìn)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(duì)金屬蜂窩膠結(jié)結(jié)構(gòu)沖擊脫粘損傷進(jìn)行檢測，能識(shí)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(jié)結(jié)構(gòu)的上板厚度）有關(guān)，當(dāng)檢測缺陷較深時(shí)無法檢測；由于是點(diǎn)接觸，檢測效率低。但隨著電子技術(shù)以及現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，以復(fù)合材料為具體研究對(duì)象，將先進(jìn)的電子技術(shù)引入聲阻法，會(huì)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(zhì)量較輕的物體，對(duì)被檢測對(duì)象進(jìn)行逐點(diǎn)敲擊檢測。由于敲擊得到?jīng)_擊響應(yīng)與被檢對(duì)象的局部機(jī)械阻抗和彈性系數(shù)有關(guān)，可以通過得到的音頻信號(hào)或應(yīng)力信號(hào)的不同來判斷是否存在缺陷。圖3為敲擊法檢測復(fù)合材料得到的應(yīng)力信號(hào)，不難看出，當(dāng)被檢測樣品中存在缺陷時(shí)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力持續(xù)時(shí)間會(huì)較長，而相應(yīng)的頻率則要低一些，因此可以將持續(xù)時(shí)間和頻率作為檢測的特征量。

局部敲擊檢測方法是膠接結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測中常用而又廉價(jià)的一種檢測方法。該方法操作簡單，設(shè)備攜帶方便，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)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(xù)或厚2mm金屬蒙皮下的不連續(xù)［7－8］。在國外，愛荷華州立大學(xué)Peters等人則在RD3的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種用于波音飛機(jī)復(fù)合材料快速檢測和掃描的成像系統(tǒng)CATT［9］。2003年，印度的Srivatsan等人對(duì)復(fù)合材料敲擊的數(shù)據(jù)進(jìn)行聲音采集，并運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行處理，獲得了一定的效果［10］。在國內(nèi)，也有部分學(xué)者對(duì)這種檢測方法進(jìn)行過研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的冷勁松等人就在20世紀(jì)90年代中運(yùn)用Cawley等人的方法對(duì)配橡膠內(nèi)側(cè)復(fù)合材料板殼進(jìn)行敲擊檢測，從應(yīng)力的時(shí)域信號(hào)以及頻域信號(hào)中分辨出不同層的脫粘缺陷［11］。2007年，南京航空航天大學(xué)的閆曉東［12］的論文中描述了一種運(yùn)用敲擊檢測方法對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測的智能敲擊系統(tǒng)。

該方法也存在局限，在薄的面板上敲擊時(shí)，將產(chǎn)生不希望有的、小的凹痕；對(duì)大的機(jī)構(gòu)如飛機(jī)機(jī)翼，敲擊檢測效率低，很費(fèi)時(shí)；對(duì)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(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，利用加速度計(jì)作為傳感器的智能敲擊系統(tǒng)，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(hào)進(jìn)入待測試樣后，若待測試樣中存在缺陷，超聲信號(hào)部分能量將被缺陷反射，通過接收到反射信號(hào)的大小來判斷內(nèi)部缺陷情況。對(duì)于穿透式檢測方式，收發(fā)換能器分別置于待檢試樣的兩側(cè)，若待測試樣中存在缺陷，則缺陷的大小和形狀都將對(duì)傳播信號(hào)產(chǎn)生不同程度的反射和衰減，從接收信號(hào)的衰減程度可判斷出內(nèi)部缺陷狀況。

目前實(shí)現(xiàn)反射式空氣耦合方式還有很大的技術(shù)難度，現(xiàn)階段應(yīng)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(fā)射端到接收端共有四個(gè)介質(zhì)分界面，這意味著超聲波檢測信號(hào)在傳播過程中將產(chǎn)生四次反射／透射現(xiàn)象，出現(xiàn)四次信號(hào)衰減［13］，因此，空氣耦合式超聲波檢測技術(shù)主要受以下因素制約：介質(zhì)分界面處的強(qiáng)反射和強(qiáng)透射影響、空氣吸收影響以及信號(hào)處理技術(shù)。

圖5 穿透式空氣耦合超聲傳播路徑

該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是非接觸檢測，能適用于高溫高壓等環(huán)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(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)和蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)，是一種應(yīng)用前景較廣的方法。波蘭格坦斯克科技大學(xué)的Imielinska等采用穿透式超聲C掃描技術(shù)對(duì)多層聚合體復(fù)合材料的沖擊損傷進(jìn)行了檢測研究［14］。在國內(nèi)，裝備指揮技術(shù)學(xué)院的董正宏、王元?dú)J、李靜等人以航天復(fù)合材料構(gòu)件的非接觸超聲檢測技術(shù)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，全面分析和評(píng)估了空氣耦合超聲在實(shí)際應(yīng)用中的檢測性能［13，15－16］。

該技術(shù)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(gè)數(shù)量級(jí)，阻抗不匹配使超聲波穿越試樣表面時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)反射、強(qiáng)折射等效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致接收信號(hào)的信噪比大幅降低，檢測靈敏度不高。因此目前國內(nèi)空氣耦合超聲檢測技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)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(tǒng)壓電晶片式換能器的外殼上增加阻抗匹配層 ，使之適應(yīng)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(fā)送接收法

定距發(fā)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(fù)合材料或膠結(jié)結(jié)構(gòu)件內(nèi)的傳播規(guī)律檢測粘接不連續(xù)的技術(shù)。它采用的是雙晶片、雙觸點(diǎn)的不需要耦合劑的低頻超聲探頭。檢測時(shí)，以低頻電子信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器，超聲波經(jīng)觸頭進(jìn)入被檢工件。接收換能器通過與發(fā)射換能器定距間隔的另一觸頭拾取經(jīng)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(jīng)工件傳播的返回信號(hào)，返回信號(hào)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(fā)送／接收檢測原理

依據(jù)激勵(lì)方式的不同，定距發(fā)送／接收檢測技術(shù)又可分為三種模式：掃頻模式、脈沖模式和連續(xù)波模式。掃頻模式通常采用20～40kHz范圍的電子掃頻激勵(lì)發(fā)送換能器，經(jīng)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(jīng)工件傳播的超聲波。檢測并顯示返回信號(hào)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(yīng)。脈沖定距發(fā)送／接收和射頻定距發(fā)送／接收的檢測原理與掃頻定距發(fā)送／接收檢測相同，只是所用的激勵(lì)方式不同。

該方法具有多模式，可檢測多種復(fù)合材料脫粘、分層，能實(shí)施現(xiàn)場在線檢測，檢測靈敏度和深度相對(duì)較高，對(duì)于五層碳復(fù)合材料蒙皮－鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，可檢測缺陷＞10mm，例如美國Staveley NDT Technologies公司開發(fā)的綜合聲學(xué)檢測儀Sonic BondMaster包含有該項(xiàng)技術(shù)的掃頻發(fā)／收、脈沖發(fā)／收、射頻連續(xù)波發(fā)／收三種不同的檢測模式，可運(yùn)用于多種復(fù)合材料的檢測。北京航空工程技術(shù)研究中心的耿榮生等人提出了一種基于最低階反對(duì)稱板波激勵(lì)、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(fù)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(shí)，只能檢測聲徑上是否存在缺陷，對(duì)于大型復(fù)合材料的檢測，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測效率低。但隨著C掃描技術(shù)的逐漸成熟，將其引入定距發(fā)送／接收檢測，研究一種基于定距發(fā)送／接收的C掃描檢測系統(tǒng)，將進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)的工程應(yīng)用。

另外，磁致伸縮技術(shù)也是一種較好的干耦合技術(shù)，目前只適用于檢測金屬材料，對(duì)于復(fù)合材料的檢測還需進(jìn)一步研究。

6 小結(jié)與展望

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

在干耦合條件下，復(fù)合材料檢測存在以下局限：外界噪聲干擾較大，入射信號(hào)衰減嚴(yán)重，接收信號(hào)的信噪比低。這些局限性導(dǎo)致檢測靈敏度較低。根據(jù)目前復(fù)合材料干耦合技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的局限，下一步的研究工作應(yīng)主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）研制先進(jìn)的干耦合探頭，增強(qiáng)發(fā)射和接收信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高精度和靈敏度。

（2）研究和應(yīng)用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，提高信噪比，提高缺陷模式識(shí)別能力。

（3）研發(fā)能用于C掃描的干耦合檢測技術(shù)，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(duì)不同材料不同缺陷選取不同的檢測模式進(jìn)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(xiàn)場檢測、實(shí)時(shí)檢測。

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