饒璐雅 陳 果 盧 超 石文澤

(南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063)

·測(cè)試分析·

饒璐雅 陳 果 盧 超 石文澤

(南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063)

文摘非接觸式超聲蘭姆波方法能夠?qū)Υ竺娣e復(fù)合材料板材進(jìn)行快速檢測(cè)，在自動(dòng)成像檢測(cè)上有著突出的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)層壓板采用空氣耦合超聲探頭激勵(lì)出A0模態(tài)蘭姆波。在含沖擊損傷的層板試樣的同一側(cè)激發(fā)和接收蘭姆波進(jìn)行掃描檢測(cè)，針對(duì)沖擊損傷區(qū)域以互相正交的兩個(gè)方向進(jìn)行蘭姆波掃查，獲得了不同位置的檢測(cè)信號(hào)。對(duì)比在有無(wú)缺陷處板材中蘭姆波傳播信號(hào)的特征，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行頻域分析，以無(wú)缺陷處信號(hào)值為基準(zhǔn)，利用信號(hào)差異系數(shù)(SDC)作為特征值，將掃查信號(hào)數(shù)據(jù)采用特征值全加和全乘的數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行了缺陷形貌重構(gòu)成像。成像結(jié)果能夠良好的體現(xiàn)出沖擊損傷的位置和兩個(gè)方向的尺寸大小。

碳纖維復(fù)合材料，沖擊損傷，蘭姆波成像 空氣耦合超聲

0 引言

碳纖維復(fù)合材料以其比模量大、設(shè)計(jì)性好、耐疲勞、可大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越多的運(yùn)用，而在對(duì)材料性能及完整性要求比較高的領(lǐng)域，如使用在飛機(jī)上蒙皮的碳纖維層板在服役期間，可能遭受到來(lái)自冰雹、碎石、工具墜落等各種情況的沖擊而造成結(jié)構(gòu)損傷，長(zhǎng)期使用過(guò)程對(duì)整體結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴(yán)重的威脅。因此掌握了解沖擊損傷及其檢測(cè)方法是復(fù)合材料設(shè)計(jì)、工藝制造關(guān)注的焦點(diǎn),尤其在航空航天領(lǐng)域,碳纖維層板的性能完整性直接影響著結(jié)構(gòu)的重大安全問(wèn)題[1-3]。

空氣耦合技術(shù)無(wú)需耦合劑、無(wú)二次污染,適用于在役快速檢測(cè)，復(fù)合材料空氣耦合超聲C掃描檢測(cè)儀器及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)發(fā)展日漸成熟并逐漸投入實(shí)際使用，目前空氣耦合C掃描檢測(cè)只能使用一發(fā)一收穿透式檢測(cè)方法，發(fā)射和接收探頭在材料兩側(cè)放置逐點(diǎn)掃查[4-6]。然而在役檢測(cè)情況下，如在飛機(jī)蒙皮復(fù)合材料檢測(cè)中，只能夠在材料一側(cè)放置探頭，可采用蘭姆波檢測(cè)方法滿足實(shí)際要求，由于蘭姆波傳播范圍大的特點(diǎn)，結(jié)合空氣耦合超聲技術(shù)能夠大大的加快掃描檢測(cè)速度。

非接觸空氣耦合超聲檢測(cè)換能器和信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了基于超聲蘭姆波方法的復(fù)合材料層板飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的C-astaings等采用有限元方法和實(shí)驗(yàn)研究了金屬板中空氣耦合超聲蘭姆波的激發(fā)、傳播和接收問(wèn)題。采用全局矩陣數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合材料板中空氣耦合蘭姆波的激發(fā)與傳播特性，研究結(jié)果表明，A0模式蘭姆波最容易被激發(fā)和接收，接收信號(hào)具有最高的信噪比[7-9]。檢測(cè)方式上采用雙探頭(一發(fā)一收)同側(cè)放置。根據(jù)兩探頭的傾斜角度不同，布設(shè)方式分為透射回波法和散射反射回波法。很好的實(shí)現(xiàn)了空氣耦合蘭姆波對(duì)預(yù)制分層缺陷的復(fù)合材料掃描檢測(cè)。而復(fù)合材料層狀各項(xiàng)異性結(jié)構(gòu)中的蘭姆波頻散曲線理論計(jì)算相比各向同性材料復(fù)雜許多，張海燕等[10]對(duì)傳遞矩陣方法進(jìn)行改進(jìn),所得到的全局矩陣方法具有較好的穩(wěn)定性,能有效地計(jì)算蘭姆波的頻散曲線。利用理論計(jì)算的頻散曲線更好的指導(dǎo)蘭姆波模態(tài)的選擇和激發(fā)方式?？挛⒛萚11]對(duì)空氣耦合超聲檢測(cè)復(fù)合材料缺陷進(jìn)行三維的數(shù)值模擬與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，激發(fā)的A0模態(tài)蘭姆波在理論和實(shí)驗(yàn)中都能夠很好地檢測(cè)出復(fù)合材料中的缺陷。在此基礎(chǔ)上，蘭姆波成像檢測(cè)可以得到反映復(fù)合材料損傷的直觀顯示，對(duì)層板結(jié)構(gòu)大面積快速檢測(cè)有著很好地工程運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。本文利用空氣耦合超聲蘭姆波對(duì)復(fù)合材料的掃描方法、成像特征值以及信息融合進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了一種可行的成像檢測(cè)方法。

1 復(fù)合材料層板蘭姆波

蘭姆波技術(shù)適合于板材的大面積快速檢測(cè)。而不同于各向異性材料，復(fù)合材料中傳播的蘭姆波更為復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)蘭姆波的檢測(cè)，首要分析復(fù)合材料中蘭姆波的傳播特性，得到適合的模態(tài)和激發(fā)頻率。本文中研究對(duì)象為碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基層壓板(CFRP)。板厚4.1 mm，為單向?qū)訅喊澹?6層，鋪層方式為[(45/-45)18]s，碳纖維復(fù)合材料板試樣的工程參數(shù)見(jiàn)表1。

為理解復(fù)合材料各項(xiàng)異性的層狀結(jié)構(gòu)的蘭姆波頻散特性，利用基于全局矩陣算法的Disperse軟件計(jì)算得到研究對(duì)象層壓板0°方向的蘭姆波的頻散曲線，見(jiàn)圖1 。

通常板中產(chǎn)生蘭姆波信號(hào)會(huì)選擇較低的激勵(lì)頻率，低于某些模態(tài)的截止頻率，從而簡(jiǎn)化板中的聲場(chǎng)情況，實(shí)驗(yàn)對(duì)象頻散曲線顯示當(dāng)頻率小于0.7 MHz時(shí)只有A0和S0兩種模態(tài)，且低頻率的蘭姆波頻散嚴(yán)重且靈敏度不高，因此選用中心頻率為0.4 MHz的空氣耦合超聲換能器作為蘭姆波激勵(lì)源。為指導(dǎo)蘭姆波激勵(lì)方式分析了頻率為0.4 MHz時(shí)A0和S0模式的波結(jié)構(gòu)在板中的分布，圖2中虛線離面位移分量Ux，實(shí)線為面內(nèi)位移分量Uz。

圖1 4.1 mm碳纖維樹(shù)脂基層壓板頻散曲線

Fig.1 Disperse curve of 4.1 mm CFRP laminate

可見(jiàn)，在相同的能量密度時(shí)，A0模態(tài)具有較大的離面位移分量，具有更為明顯垂直于板面的震動(dòng)位移，因此采用A0模態(tài)蘭姆波能夠使得空氣換能器更好地獲得聲波信號(hào)?？諝怦詈铣晜鞲衅饕钥諝庾鳛轳詈辖橘|(zhì)，采用斜入射法激勵(lì)相應(yīng)的A0模態(tài)蘭姆波，需要滿足snell定律sinα=cl/cp，以此計(jì)算相應(yīng)激勵(lì)角度。聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，0.4 MHz頻率下A0模態(tài)相速度為1 559.2 m/s,計(jì)算得到空氣耦合超聲換能器沿層合板法線傾斜12.6°以激發(fā)A0模態(tài)蘭姆波信號(hào)。

蘭姆波在傳播過(guò)程中，會(huì)不斷向空氣中泄漏，即泄漏蘭姆波。蘭姆波的傳播方向是平行于板平面的，因此由snell定理可知蘭姆波從板中傳播到空氣中的出射角與空氣傳播到板中的入射角相等。為了激發(fā)和接收A0模態(tài)的蘭姆波，將空氣換能器一發(fā)一收的方式進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，固定兩個(gè)換能器，一個(gè)發(fā)射聲波信號(hào)激發(fā)板中的蘭姆波，一個(gè)接收泄漏蘭姆波信號(hào)，相對(duì)待檢測(cè)復(fù)合材料板傾斜相同的角度相對(duì)擺放，在兩探頭之間的板中區(qū)域傳播蘭姆波。

2 沖擊損傷蘭姆波檢測(cè)

制作沖擊損傷試件選用4.1 mm單向碳纖維樹(shù)脂基層壓板，采用壓縮空氣氣槍預(yù)制沖擊損傷，可準(zhǔn)確控制沖頭沖擊能量，預(yù)制試驗(yàn)中沖頭尺寸為φ16 mm，沖擊能量為15 J。以沖擊點(diǎn)位置為中心，在待檢試件放置兩個(gè)空氣換能器采用一發(fā)一收的方式在復(fù)合板同側(cè)按照同一角度相對(duì)擺放，依據(jù)理論計(jì)算入射角12.6°，并進(jìn)行一定微調(diào)激勵(lì)和接受A0模態(tài)蘭姆波，使用空氣耦合超聲換能器的標(biāo)稱(chēng)頻率為0.4 MHz、晶片尺寸為14 mm×14 mm，高功率超聲發(fā)射接收器JPR-600C發(fā)射信號(hào)電壓為180(峰峰值)、11個(gè)周期的矩形脈沖激勵(lì)。一發(fā)一收方式蘭姆波掃查復(fù)合材料沖擊損傷區(qū)域如圖3所示。

圖3可可以看出，斜入射發(fā)激勵(lì)產(chǎn)生的蘭姆波在板中的傳播路徑視作一條掃查線，兩探頭同時(shí)以掃查線的垂直方向移動(dòng)，掃查區(qū)域覆蓋整個(gè)板面,采集多組蘭姆波信號(hào)進(jìn)行分析。

當(dāng)掃查范圍覆蓋沖擊損傷時(shí)，由于復(fù)合材料受沖擊部位存在的不連續(xù)性，蘭姆波的原本傳播規(guī)律會(huì)受到一定的影響，進(jìn)而會(huì)在接收信號(hào)中有一定的體現(xiàn)，圖4中，離掃查起點(diǎn)30和60 mm兩處的信號(hào)幅值差異較大，體現(xiàn)了均勻材料沖擊試驗(yàn)后形成的不均勻性，30 mm處為沖擊損傷區(qū)域中心，幅值有著明顯的衰減。

為得到復(fù)合材料板實(shí)驗(yàn)對(duì)象的缺陷圖像重建，兩探頭距離60 mm，從復(fù)合板沖擊試件的0°和90°鋪層方向，以1 mm為步進(jìn)采集60組信號(hào),得到60 mm×60 mm范圍內(nèi)的蘭姆波掃描信號(hào)采樣。圖5中兩條曲線分別是0°和90°鋪層方向上的多組掃查信號(hào)的幅值對(duì)比，可以看出在中心有沖擊損傷的區(qū)域，幅值在沖擊損傷邊緣區(qū)域兩側(cè)幅值銳減，達(dá)到掃查范圍信號(hào)幅值的極小值，在兩個(gè)極小值之間，都有不太明顯中央極大值，在遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域的地方，幅值基本保持一致。

沖擊損傷區(qū)域，蘭姆波信號(hào)衰減嚴(yán)重，復(fù)合板的沖擊損傷缺陷形狀不規(guī)則，多為分層和裂紋，相當(dāng)于有多個(gè)散射面，散射聲場(chǎng)分布無(wú)規(guī)律，因此蘭姆波在原路徑傳播有衰減。利用信號(hào)特征改變的規(guī)律可以判斷整個(gè)掃描區(qū)域是否有不連續(xù)或不均勻現(xiàn)象。另外，沖擊損傷的蘭姆波信號(hào)在邊緣區(qū)域的泄漏蘭姆波衰減比沖擊損傷中心區(qū)域更嚴(yán)重，在掃描范圍內(nèi)，根據(jù)兩個(gè)極小值點(diǎn)，可以判斷一個(gè)方向維度上的尺寸大小。

3 蘭姆波掃描成像

利用一發(fā)一收模式下空氣耦合蘭姆波對(duì)碳纖維復(fù)合板的沖擊損傷掃描檢測(cè)結(jié)果可以明顯的體現(xiàn)沿掃描方向的缺陷位置和長(zhǎng)度。圖6為基于幅值為特征的D掃描成像，更直觀的體現(xiàn)和重建沖擊損傷對(duì)材料造成的不連續(xù)圖中掃描位置從0～60 mm，從20～40 mm處幅值明顯降低，是試樣中沖擊損傷區(qū)域。

對(duì)于在利用超聲蘭姆波碳纖維復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)中沖擊損傷成像，本文使用表征信號(hào)差異方法提取其缺陷波信號(hào)的特征值，用以作為掃查成像的依據(jù)。根據(jù)每一對(duì)接收-發(fā)射端(i,j)的得到的導(dǎo)波信號(hào)頻域上的相對(duì)變化差值的均方根得到一個(gè)特征量，作為信號(hào)差異系數(shù)(SDC)[12]

式中，F(xiàn)b在無(wú)缺陷處傳播的蘭姆波的頻域信號(hào)，F(xiàn)d為在沖擊損傷處傳播的蘭姆波的頻域信號(hào)。f為頻率，f1為截?cái)囝l率的最低值，f2為截?cái)囝l率的最高值。圖7為兩組蘭姆波檢測(cè)信號(hào)的頻譜圖，實(shí)線為無(wú)缺陷區(qū)域的接收信號(hào)，虛線為經(jīng)過(guò)沖擊損傷區(qū)域接收的信號(hào)，在頻域中對(duì)比歸一化幅值有明顯的差異，是一種評(píng)價(jià)波形間差異的方法，若在頻域成分復(fù)雜的情況下可以綜合考慮信號(hào)差異。

圖8對(duì)比了兩個(gè)方向的掃描采用信號(hào)的SDC值，明顯看出SDC值的差異表征出材料存在的不連續(xù)性，突顯差異的位置信息更符合成像檢測(cè)的缺陷可視化習(xí)慣，因此根據(jù)此差值運(yùn)用SDC計(jì)算可以作為蘭姆波掃查沖擊損傷缺陷判斷的特征值。首先對(duì)應(yīng)檢測(cè)區(qū)域范圍區(qū)間相應(yīng)的像素點(diǎn)群p(x,y)。SDC值為成像特征值，將在0°和90°兩個(gè)相互垂直方向掃的掃描信號(hào)的SDC值進(jìn)行特征值全加和特征值全乘的信息融合處理，得到二維空間的信息。

p=p1x,y+p2x,y

p=p1x,y×p2x,y

根據(jù)特征值全乘和全加的圖像融合成像方法得到60 mm×60 mm掃描范圍內(nèi)的成像結(jié)果，在圖9和圖10中可以看到圖像中心有幅值明顯不同的區(qū)域，即為沖擊損傷區(qū)域，根據(jù)相應(yīng)的區(qū)域可以得到正交的兩個(gè)方向上缺陷存在的范圍。對(duì)比全加和全乘法，可以看出，全乘相比成像質(zhì)量要好，缺陷的分辨率更高，對(duì)定位缺陷的位置和判斷缺陷的大小準(zhǔn)確度更高。

圖11為沖擊損傷區(qū)域的空氣耦合穿透式C掃成像結(jié)果，對(duì)比蘭姆波成像結(jié)果的缺陷區(qū)域，橫向和縱向的尺寸分別為21和16 mm，與C掃描的大小結(jié)果基本一致，空氣耦合蘭姆波檢測(cè)對(duì)碳纖維層板的沖擊損傷的成像精度比C掃檢測(cè)結(jié)果精度略低，而蘭姆波方法在兩個(gè)方位進(jìn)行掃查可以節(jié)省大量的掃查時(shí)間對(duì)缺陷位置快速定位。

4 結(jié)論

(1)空氣耦合蘭姆波方法可以在多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料板材激發(fā)A0模態(tài)蘭姆波，并接收泄漏蘭姆波信號(hào)；

(2)蘭姆波經(jīng)過(guò)沖擊損傷區(qū)域幅值會(huì)大幅衰減，中央?yún)^(qū)域有峰值的出現(xiàn)，但是均不明顯。以缺陷的中央位置為中心，兩邊的衰減現(xiàn)象有著一定的對(duì)稱(chēng)性。

(3)利用信號(hào)差異系數(shù)(SDC)作為指示缺陷存在概率的特征值能夠準(zhǔn)確的在數(shù)值上體現(xiàn)，可以作為沖擊缺陷成像檢測(cè)的參考；

(4)特征值全加和全乘的數(shù)據(jù)融合方法能夠?qū)⒍鄺l蘭姆波傳播路徑上的信號(hào)特征體現(xiàn)，并得到缺陷位置和兩個(gè)方向上的尺寸重建，結(jié)果表明全乘法的成像精度和效果更優(yōu)良。

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Imaging of CFRP Plate Impact Damage Using Air-Coupled Lamb Waves

RAO Luya CHEN Guo LU Chao SHI Wenze

(Key Lab. of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063)

The non-contact ultrasonic Lamb wave method can detect the large area composite sheet quickly and has the outstanding advantages in the automatic imaging detection. A0 mode lamb waves were excited by air-coupled ultrasonic probes for carbon fiber reinforced resin (CFRP) composites laminates. The Lamb waves were scanned and detected on the same side of the sample with the impact damage, and the Lamb waves were scanned in two directions which are orthogonal to each other to obtain the detection signals at different positions. Based on the characteristics of the Lamb wave propagation signal in the without defects and with defects plates, the frequency domain analysis of the acquisition signal is carried out. It is caculated for signal difference coefficient (SDC) based on no defects area signal.And SDC is used as characteristic value, the scanning imaging is achieved form characteristic value by using full summation algorithm and full multiplication algorithm data fusion method. Contrast of the amplitude imaging scan,the SDC imaging results are able to reflect the position of impact damage more,and it can show the impact size in two directions.

CFRP, Impact damage, Lamb wave imaging, Air-coupled ultrasonic

TB332；TB559

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.015

2017-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(51265044，11374134)；江西省自然科學(xué)基金(20114BAB202008)；航天科技創(chuàng)新基金(天科研[2013]1143號(hào))；江西省研究生創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC20165-S329)

饒璐雅，1992年出生，碩士研究生，主要研究空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)

盧超，教授、碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槁晫W(xué)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)。E-mail: luchaoniat@163.com