葉城保

（廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530000）

0 引言

復(fù)合材料具有強度高、模量高、抗疲勞性能好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用到航天航空、汽車工業(yè)、電力等重要行業(yè)。目前應(yīng)用于復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)主要有射線檢測技術(shù)、普通超聲檢測技術(shù)、聲發(fā)射檢測技術(shù)、聲-超聲檢測技術(shù)等。聲-超聲檢測技術(shù)通過激勵超聲源，使得在材料表面及內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，并由聲發(fā)射換能器接收分析，實現(xiàn)材料性能評價。與其他方法相比，聲-超聲檢測不會受到纖維增強等新型復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性干擾，且無需在工件內(nèi)部有裂紋產(chǎn)生或擴展瞬間才能被動檢測到信號，能夠通過應(yīng)力波因子等實現(xiàn)構(gòu)件性能變化的定量評價。近幾十年來，聲-超聲檢測技術(shù)得到了長足的發(fā)展，其代表性信號處理方法包括應(yīng)力波因子法、駐波共振法、非線性聲-超聲法及概率成像法，在復(fù)合材料性能、粘接質(zhì)量及缺陷檢測等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。本研究運用材料聲-超聲檢測系統(tǒng)及其4種信號處理方法，分析了復(fù)合材料聲-超聲技術(shù)當(dāng)前存在的主要問題及未來的發(fā)展趨勢。

1 聲-超聲檢測系統(tǒng)

聲-超聲檢測系統(tǒng)通常由工控機（包含任意信號發(fā)生卡和信號采集卡）、發(fā)射換能器、接收換能器和前置放大器組成。如圖1所示，聲-超聲信號由信號發(fā)生系統(tǒng)控制任意信號發(fā)生卡產(chǎn)生，通過發(fā)射換能器在材料表面及內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波經(jīng)過材料內(nèi)部一些細(xì)微結(jié)構(gòu)（如裂紋、氣孔、雜質(zhì)等）并產(chǎn)生相應(yīng)的變化后到達接收換能器，信號經(jīng)前置放大器放大后由信號采集卡進行采集，最終由工控機對信號進行處理，分析被測材料性能發(fā)生變化時信號時域、頻域的變化特性，并對材料是否能夠繼續(xù)滿足使用要求做出判斷。

圖1 聲超聲檢測系統(tǒng)原理圖

對于復(fù)合材料檢測，采用聲-超聲檢測技術(shù)只需要進行傳感器數(shù)量一半的超聲波激勵即可完成數(shù)據(jù)采集，檢測效率高；自主激發(fā)的激勵源更穩(wěn)定，能夠更有效地分析超聲波在材料中的物理傳播過程，滿足復(fù)合材料中多種介質(zhì)、脫粘、裂紋及裂紋間相互的惡性作用的檢測要求，更全面地分析復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)特性及損傷狀況。

2 聲—超聲信號處理與評價

與其他檢測方法對信號的傳播進行詳細(xì)分析不同，聲-超聲檢測的主要目的在于評價材料的整體性能，是檢測聲波在材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)間相互作用后的累積效果。聲-超聲信號進入到材料內(nèi)部后會發(fā)生模式變換及波形重疊等現(xiàn)象，從接收信號中很難讀取獨立結(jié)構(gòu)或缺陷源的信息，只能從材料、結(jié)構(gòu)及缺陷綜合作用下的性能變化來評價。目前聲-超聲信號處理方法主要包括應(yīng)力波因子法、駐波共振法、非線性聲-超聲法及概率成像法。

2.1 應(yīng)力波因子法

聲-超聲檢測利用應(yīng)力波傳播的相對效率來表征被測工件的性能，常采用應(yīng)力波因子法（SWF）來檢測。應(yīng)力波因子法可通過接收信號時域、頻域波形的幅值特性、能量及功率譜密度等特征量來表征，通過這些特征量的相對變化來評價被測對象性能的變化[3]。

Lorenzo等[4]通過對復(fù)合材料層板進行實驗研究，表明峰值電壓及峰峰值電壓可以用來描述復(fù)合材料層板在拉伸載荷作用下的微裂紋損傷積累量。應(yīng)力波信號時域波形的電壓幅值超過預(yù)設(shè)門檻值的次數(shù)稱為振鈴因子，在多數(shù)情況中，極限聲壓的設(shè)置是基于每個波形的振鈴次數(shù)計算，因此，以振鈴因子表征聲超聲信號將能夠檢測出相關(guān)信號的強度。Kautz等[5]觀察聲-超聲信號時域圖時發(fā)現(xiàn)聲-超聲信號近似呈現(xiàn)出指數(shù)形式的衰減，但在對實際信號衰減率進行求解時卻很難得到較為貼合指數(shù)形式的衰減結(jié)果。于是Kautz等就想到了在信號指數(shù)衰減的形式上再對其進行對數(shù)處理，即可求出聲-超聲信號的衰減速率，用以評價被測對象性能變化。

2.2 駐波共振法

在對板厚為波長幾倍的材料進行檢測時，Loutas等[6]在對駐波共振法進行分析時發(fā)現(xiàn)共振狀態(tài)下頻率對聲-超聲波傳播影響較大，結(jié)合譜峰特征可以對板厚相較波長大許多的復(fù)合材料進行評價。

當(dāng)材料厚度為聲波半波長整數(shù)倍時，材料內(nèi)會形成駐波，材料產(chǎn)生共振，即：

式中：d為材料厚度，λ為聲波在材料中的波長，n為任意整數(shù)。因此，共振時理論基頻f1可表示為：

式中：c為被測材料厚度方向上的波速（縱波波速）。通過理論基頻的設(shè)置，結(jié)合應(yīng)力波在被測試樣厚度方向上的信號譜峰位置及振幅分析，可以判斷出材料整體性能的好壞，當(dāng)設(shè)備條件及環(huán)境較好時甚至可以測量出缺陷位置。

當(dāng)入射波在材料中傳播到裂紋或其他缺陷處，經(jīng)反射傳播回傳感器的時間t等于激發(fā)頻率半波長的奇數(shù)倍時，材料中產(chǎn)生共振波，即：

式中：T為激發(fā)信號振動周期，因為t=2s/c，s為入射點到缺陷處的距離，則共振頻率fn可表示為：

由式（4）可知，兩個相鄰共振頻率之差為理論基頻f1的兩倍，即fn+1-fn=△f=2f1。則入射點到缺陷處的距離s即可被求出：

駐波共振法在實際中通常用來檢測多層復(fù)合材料整體性能或?qū)娱g界面狀況。當(dāng)材料整體性能很好時，應(yīng)力波信號在材料整體上就會產(chǎn)生良好的共振情況，反之，共振信號會相對減弱或消失。通過實際測得的譜峰位置和時間的波速，還可求得缺陷的位置。

2.3 非線性聲-超聲法

以上兩種聲-超聲信號處理方法均表明了聲-超聲檢測技術(shù)可有效檢出材料性能的退化，但是線性的蘭姆波或駐波傳播分析只能對材料性能退化程度作出宏觀判斷。通過Nikolaos等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，非線性聲-超聲波在材料微觀損傷程度檢測上體現(xiàn)出了極高的敏感性，尤其是對金屬及復(fù)合材料。

非線性聲波是由材料本身的非線性弾性特性或者聲波經(jīng)過缺陷引起的，微擾理論認(rèn)為非線性引起的質(zhì)點振動是一種微小擾動。以兩個不同幅值和頻率的余弦信號作為激勵聲源輸入及一個接收傳感器輸出，定義線性輸入信號為：

式中：A1和A2為余弦信號幅值，f1和f2為余弦信號頻率，?1和?1為余弦信號初始相位。根據(jù)微擾理論，帶有非線性波動的信號可表示為：

式中：w1（x，t）為非線性波，b為非線性系數(shù)。定義非線性波動方程為：

在求解出含非線性波動的信號后，再通過傅里葉變換得到了信號的雙頻率譜調(diào)制方程。當(dāng)分離數(shù)據(jù)庫數(shù)量趨于無限大時，經(jīng)過簡單推理即可求出非線性系數(shù)與雙頻率譜之間的映射關(guān)系，利用非線性系數(shù)作為非線性超聲調(diào)制因子可評價材料中存在缺陷的幾何信息。

2.4 概率成像法

概率成像方法是一種根據(jù)材料中存在缺陷的可能性來分析缺陷位置及幾何大小的成像算法，相對于傳統(tǒng)成像方法中使用確定性物理參數(shù)，使用概率來評價缺陷在聲-超聲檢測中具有一定的優(yōu)勢。首先需要構(gòu)建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對檢測區(qū)域進行網(wǎng)格化劃分并均勻布置多個傳感器，網(wǎng)格每個像素點對應(yīng)一個值，即代表該區(qū)域存在損傷的概率值。其次，將每個傳感器檢測到的聲-超聲信號進行時頻域分析，計算應(yīng)力波因子或非線性系數(shù)等特征量在傳播路徑上的變化并計算各像素點缺陷存在概率值。最后，利用算術(shù)平均法將每條傳感路徑上存在缺陷的概率值進行融合即可得出缺陷圖像。

聲-超聲檢測具有許多的不確定性和概率因素，這些不確定因素對求解損傷的確定物理參數(shù)具有很大影響，因此，將與損傷存在必然關(guān)聯(lián)的概率因素聯(lián)合起來識別材料中的缺陷數(shù)量及位置信息具有更高的穩(wěn)定性。

除了上述4種方法，部分學(xué)者根據(jù)不同條件下的時頻特性還提出了許多其他方法來分析聲-超聲信號，但都因設(shè)備要求過高、實驗穩(wěn)定性較差或者是理論驗證不充分等問題未被廣泛采用。如Zhang等[8]采用高帶寬和靈敏性強的光纖傳感器對復(fù)合材料螺旋槳及T型接頭進行檢測，基于小波系數(shù)相關(guān)性對高信噪比檢測信號進行計算得到雙頻最大到達時差，且通過實驗表明該時差與螺旋槳沖擊次數(shù)及街頭分層長度成正比變化關(guān)系。這種分析方法對設(shè)備及檢驗條件的要求較高，其實用性仍待討論。

3 聲-超聲復(fù)合材料技術(shù)研究小結(jié)及發(fā)展趨勢

聲-超聲檢測技術(shù)通過激發(fā)復(fù)合材料表面及內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波實現(xiàn)材料整體性能及缺陷狀態(tài)的描述，具有比常規(guī)超聲檢測技術(shù)及聲發(fā)射檢測技術(shù)更高的缺陷檢測效率及更強的材料定性及定量評價能力，可解決復(fù)合材料中各種缺陷及其相互惡性作用的定性檢測問題。未來，如何精確描述應(yīng)力波在復(fù)合材料內(nèi)部的傳播及變化仍將是研究重點。此外，實際檢測中容易受測量條件、設(shè)備等因素影響，改進設(shè)備、提高檢測穩(wěn)定性也是重要研究方向。