詹紹正，寧 寧，王 丹

（中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

隨著復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)上應(yīng)用比例的提升及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部質(zhì)量受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，對(duì)復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)也提出了更高的要求。一方面面對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上日益劇增的復(fù)合材料用量，高效、快速的無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過(guò)程和服役階段都是迫切需要的；另一方面，隨著復(fù)合材料工藝及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加，由此產(chǎn)生的檢測(cè)技術(shù)問(wèn)題也給傳統(tǒng)的檢測(cè)手段帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

超聲相控陣技術(shù)已有近二十年的發(fā)展歷史，初期主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域［1］。近年來(lái)，超聲相控陣技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并憑借著高效率、聲束動(dòng)態(tài)可控等技術(shù)優(yōu)勢(shì)在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 超聲相控陣的原理及特點(diǎn)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是在傳統(tǒng)超聲技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種多聲束掃描成像技術(shù)，所采用的超聲檢測(cè)探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，各陣列單元在發(fā)射電路激勵(lì)下以可控的相位激發(fā)出超聲，產(chǎn)生的球面波在傳播過(guò)程中波前相互疊加，形成不同的聲束。各聲束相位可控，可用軟件控制聚焦焦點(diǎn)，不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭就能掃查大厚度工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域［2］。

有別于傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)的基本原理是相位控制。其相位控制包括發(fā)射與接收兩大部分，如圖1所示。相控陣的發(fā)射是通過(guò)對(duì)陣列換能器各晶片激發(fā)時(shí)間的調(diào)節(jié)，控制聲束波陣面的形狀，實(shí)現(xiàn)超聲波的聚焦與偏轉(zhuǎn)。相控陣的接收是根據(jù)回波到達(dá)各晶片的時(shí)間差分別對(duì)各晶片接收的信號(hào)進(jìn)行延遲處理，接收時(shí)按照回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對(duì)各陣元接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后進(jìn)行聲束合成。

圖1 超聲相控陣發(fā)射和接收原理示意

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有聲束角度可控和動(dòng)態(tài)聚焦兩大特點(diǎn)，與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：①超聲相控陣探頭是由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，并由電子系統(tǒng)控制，檢測(cè)效率高。②各聲束相位可控，可用軟件動(dòng)態(tài)控制聚焦焦點(diǎn)和聲束方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)心區(qū)域的多角度、多分層次、多方向的掃查，工況適應(yīng)性好，不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭就能掃查大厚度工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域，而且檢測(cè)系統(tǒng)更加靈活。③可以對(duì)焦柱長(zhǎng)度、焦點(diǎn)尺寸、聲束方向進(jìn)行優(yōu)化控制，提高了缺陷分辨率、信噪比及缺陷檢出率。

2 超聲相控陣技術(shù)在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

2.1 在復(fù)合材料平面結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

線性掃查是超聲相控陣檢測(cè)復(fù)合材料平面結(jié)構(gòu)的主要方式，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高檢測(cè)效率和分辨率，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者設(shè)計(jì)了形狀巧妙的相控陣探頭來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題。如美國(guó)的JASON 等人采用線陣列的延遲塊探頭［3］（圖2（a））對(duì)飛機(jī)上碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料平板構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，比傳統(tǒng)超聲檢測(cè)速度快而且成像效果好；英國(guó)JOE 等人用一種新穎的相控陣超聲探頭檢測(cè)大面積航空復(fù)合材料構(gòu)件，把晶片陣列安裝在橡膠滾輪中［4］（圖2（b）），該滾輪既可手動(dòng)也可自動(dòng)控制，能有效檢出航空復(fù)合材料構(gòu)件中的分層及未貼合等缺陷。該輪式探頭的問(wèn)世，進(jìn)一步推動(dòng)了超聲相控陣技術(shù)在大面積平面型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

圖2 復(fù)合材料平面結(jié)構(gòu)常用的超聲相控陣探頭

圖3所示為超聲相控陣線性掃查技術(shù)用于典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測(cè)案例，對(duì)于平面結(jié)構(gòu)，相控陣技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地完成檢測(cè)并確定損傷的大小和位置。尤其對(duì)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用多閘門(mén)的距離－幅度組合成像掃查方式，在一次掃查狀態(tài)下即可完成對(duì)蜂窩區(qū)和蜂窩外圍收邊的板－板粘接區(qū)的檢測(cè)評(píng)價(jià)。

圖3 典型航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果

圖4所示為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的沖擊損傷相控陣檢測(cè)結(jié)果，圖4（d）中C 掃描圖像完整反映了沖擊損傷縱向和橫向的形態(tài)尺寸，而圖4（b）的斷面B掃描圖中直觀地反映出了被測(cè)結(jié)構(gòu)厚度H、沖擊損傷縱向尺寸W、沖擊引起的表面損傷尺寸W0、沖擊損傷從沖擊面開(kāi)始沿厚度方向上的金字塔狀分布規(guī)律及不同層損傷的深度尺寸等參量信息；同時(shí)通過(guò)B掃描圖可以看出在沖擊中心兩側(cè)產(chǎn)生的分層損傷等厚分布的規(guī)律，即圖中B1、B2、B3、B4、B5層損傷分別與對(duì)側(cè)產(chǎn)生的B1’、B2’、B3’、B4’、B5’層損傷的深度尺寸相當(dāng)。在B 掃描圖中對(duì)于非沖擊損傷區(qū)近表面產(chǎn)生的影響D0、D1，通過(guò)圖4（a）中非沖擊完好區(qū)的A 掃描波形中近表面出現(xiàn)的草狀波印證為結(jié)構(gòu)自身不均勻所致。

圖4 復(fù)合材料典型沖擊損傷的超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果

2.2 超聲相控陣技術(shù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R（拐角）區(qū)檢測(cè)中的應(yīng)用

R區(qū)的檢測(cè)是航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)面臨的一大難題，一方面由于R 區(qū)多為應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)缺陷的容忍度較小，在制造和使用過(guò)程中都極易出現(xiàn)缺陷，而且R 過(guò)渡區(qū)為曲面且空間尺寸狹小，不利于缺陷的檢測(cè)。因此，對(duì)R 區(qū)的質(zhì)量控制就顯得非常重要。圖5所示為典型的復(fù)合材料R區(qū)結(jié)構(gòu)及R區(qū)常見(jiàn)的缺陷形式。

圖5 典型的復(fù)合材料R 區(qū)結(jié)構(gòu)及其常見(jiàn)的缺陷位置

超聲相控陣技術(shù)的聲束動(dòng)態(tài)聚焦和偏轉(zhuǎn)特性為檢測(cè)R 區(qū)結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中R 區(qū)的相控陣檢測(cè)主要采用的有弧陣列換能器和線陣列換能器兩種技術(shù)方案，如圖6所示?；￡嚵袚Q能器方案由于各陣元按照?qǐng)A弧方式排列，掃描時(shí)各陣元直接激勵(lì)，不做任何延時(shí)處理，各陣元發(fā)射的超聲波在弧陣的圓弧圓心位置匯合，聲場(chǎng)能量在該處最強(qiáng)。掃描時(shí)采用順序掃查方式，即若干個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，通過(guò)一個(gè)掃描周期，即可實(shí)現(xiàn)各陣列孔徑發(fā)射的超聲合成波束對(duì)試樣不同位置的檢測(cè)，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)R 區(qū)檢測(cè)面的全覆蓋掃描，減小了檢測(cè)盲區(qū)。線陣列換能器檢測(cè)采用順序掃描方式，若干個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，同時(shí)通過(guò)控制各陣列孔徑發(fā)射的超聲合成波束以不同的偏轉(zhuǎn)角度和聚焦深度垂直入射到R 區(qū)檢測(cè)面的不同位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同部位和取向缺陷的掃查，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)R 區(qū)的全覆蓋掃描［3－5］。對(duì)于接觸法檢測(cè)時(shí)，通常在線陣列探頭前端配置弧形楔塊以保證楔塊和試樣的耦合良好。

針對(duì)超聲相控陣技術(shù)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R 區(qū)的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)的周正干、徐娜、張冬梅等人開(kāi)展了深入的研究工作，實(shí)現(xiàn)了從內(nèi)部對(duì)結(jié)復(fù)合材料構(gòu)R 區(qū)的相控陣C掃描檢測(cè)［4－5］。圖7所示為超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料R 區(qū)中的應(yīng)用案例［5－6］。

圖6 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R 區(qū)的超聲相控陣檢測(cè)方案示意

然而，隨著復(fù)合材料制造水平的發(fā)展，一體化成型工藝逐漸獲得青睞。對(duì)于圖8所示的一體化成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件或裝配后的組合結(jié)構(gòu)件的R區(qū)檢測(cè)，采用前述方法由R區(qū)內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)存在困難，此時(shí)為發(fā)現(xiàn)R區(qū)存在分層、氣孔等缺陷，可采用線陣列換能器配置帶角度的延遲塊進(jìn)行扇形掃查來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)。圖9所示為一T 型加筋板試塊，在其R 區(qū)預(yù)制了φ1～10mm 短橫孔模擬缺陷，采用32陣元的線陣列換能器配置35°的有機(jī)玻璃延遲塊由外部進(jìn)行扇形掃查，可以清晰地探測(cè)到弧底反射和模擬缺陷。

2.3 在復(fù)合材料復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

為適應(yīng)復(fù)合材料復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)的檢測(cè)需求，在傳統(tǒng)超聲相控陣換能器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)了柔性相控陣換能器（圖10（a）），其感應(yīng)探頭極富有柔韌性，在一定程度內(nèi)可以彎折，對(duì)不同的曲率結(jié)構(gòu)可以自適應(yīng)的貼合表面，可在不同的凹面和凸面進(jìn)行貼附檢測(cè)作業(yè)。英國(guó)鳳凰檢測(cè)系統(tǒng)有限公司已將此項(xiàng)技術(shù)成功的應(yīng)用于飛機(jī)翼梁、飛機(jī)直升機(jī)葉片、艦船桅桿等結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中，圖10（b）、（c）所示為柔性相控陣換能器的檢測(cè)應(yīng)用案例［7］。

3 結(jié)語(yǔ)

圖7 復(fù)合材料R 區(qū)超聲相控陣檢測(cè)的典型應(yīng)用

圖8 一體化成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件照片

圖9 復(fù)合材料R 區(qū)的線陣列換能器在外部扇形掃查檢測(cè)案例

（1）自適應(yīng)聚焦技術(shù)：超聲相控陣檢測(cè)時(shí)在聲束焦點(diǎn)處分辨率和靈敏度最高，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力最強(qiáng)。但實(shí)際檢測(cè)時(shí)，由于被測(cè)結(jié)構(gòu)的不均勻性等原因，使得理想焦點(diǎn)與實(shí)際焦點(diǎn)存在偏差，嚴(yán)重時(shí)可能實(shí)際并不存在焦點(diǎn)，這些將影響系統(tǒng)的分辨率，并最終會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性［8］。因此，相控陣檢測(cè)時(shí)的自適應(yīng)聚焦技術(shù)對(duì)于提高檢測(cè)靈敏度和分辨率具有重要的作用，也是相控陣儀器發(fā)展的技術(shù)方向之一。

圖10 相控陣柔性換能器及其檢測(cè)應(yīng)用案例

（2）聲場(chǎng)建模仿真技術(shù)：隨著待測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加以及面陣、環(huán)陣等多維換能器的應(yīng)用，正確配置檢測(cè)參數(shù)是保證后續(xù)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提條件。然而，對(duì)于多維換能器檢測(cè)而言，其材料中的聲場(chǎng)是極其復(fù)雜的，單純依賴人為設(shè)定各陣元激發(fā)時(shí)間和聚焦法則是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，聲場(chǎng)的建模仿真技術(shù)的提出，可以讓用戶在聲場(chǎng)可視化的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)參數(shù)的正確配置和優(yōu)化，也是當(dāng)下相控陣設(shè)備發(fā)展的又一主打技術(shù)方向。在當(dāng)前的相控陣檢測(cè)設(shè)備中，M2M 和ZETEC 公司的產(chǎn)品已集成了部分聲場(chǎng)計(jì)算功能，但都僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的建模仿真，對(duì)于復(fù)雜聲場(chǎng)的建模及分析功能，還需進(jìn)一步的發(fā)展。

［1］鐘志民，梅德松.超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，24（2）：69－71.

［2］汪星明，郭耀紅，朱慶有，等.復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)展［J］.玻璃鋼／復(fù)合材料增刊，2012：261－265.

［3］JASON H，ANDRE L.Ulreasonic phased array tools for composite inspection during maintenance and manufacturing［C］／／17th World Conference on Nondestructive Testing，［S.l］：［s.n］，2008.

［4］JOE B.A comparison of techniques for ultrasonic inspection of composite materials［C］／／APCNDT，［S.l］：［s.n］，2006.

［5］張冬梅，于光，周正干，等.復(fù)合材料構(gòu)件R 區(qū)的超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（5）：688－692.

［6］徐娜，周正干，劉衛(wèi)平，等.L 型構(gòu)件R 區(qū)的超聲相控陣檢測(cè)方法［J］.航空學(xué)報(bào)，2012，33（2）：419－425.

［7］翟靜.復(fù)合材料曲面檢測(cè)－可彎曲的探頭［EB／OL］.［2013－11－11］.http：／／www.frponline.com.cn.

［8］闕開(kāi)良.自適應(yīng)聚焦數(shù)字相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)研究［D］.北京：清華大學(xué)，2004.