劉菲菲，劉松平，2，李治應(yīng)，李樂剛，楊玉森，傅天航，常海峰

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，許多先進的飛機型號都設(shè)計采用了大量的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[1-2]，一些非常關(guān)鍵的飛機結(jié)構(gòu)，例如，機翼、機身等，均已設(shè)計采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[2]。特別是基于各種復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接的復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)中的設(shè)計應(yīng)用，普遍受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。一方面，這類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造難度大、尺寸大，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜；另一方面，這類結(jié)構(gòu)通常屬于承載比較大的受力結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部的缺陷/損傷的容限要求通常比較高。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的連接部位在這類受力結(jié)構(gòu)中又起到加強和載荷的傳遞作用。因此，復(fù)合材料壁板接頭部位質(zhì)量對整個結(jié)構(gòu)的承載和受力傳遞尤為重要。由于這類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鋪層曲率變化大，制造工藝復(fù)雜，纖維鋪疊存在幾何變化等，對成型過程中模具的貼膜度要求非常高，從而增加了在蒙皮-加強筋接頭產(chǎn)生缺陷的風(fēng)險。因此，復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接區(qū)缺陷表征與評估一直是業(yè)內(nèi)高度關(guān)注的焦點。

目前有關(guān)復(fù)合材料無損檢測，行業(yè)內(nèi)開展過超聲檢測[3-6]、X射線檢測[7-9]、紅外檢測[10-12]、激光電子散斑檢測 （ESPI）[13]、高頻脈沖渦流檢測[14]、微波檢測[15]、Teraherz（THz）檢測[16]等方面的研究。然而，這些研究沒有涉及蒙皮-加強筋接頭的無損表征與評估，而且僅從檢測方法上，X射線、紅外、ESPI、渦流、微波等檢測方法也不適合復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接接頭的缺陷準(zhǔn)確表征與評估。相比而言，超聲是一種比較可行的檢測方法，因為復(fù)合材料超聲評估與超聲波在其內(nèi)部的傳播行為密切相關(guān)[17]。而蒙皮-加強筋接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu) （如鋪層）及缺陷的存在將會改變?nèi)肷渎暡ㄔ谄鋬?nèi)部的傳播行為，基于此變化可以用于復(fù)合材料及其特殊部位的缺陷表征與評估。但通常需要針對被檢測的復(fù)合材料接頭部位及其特點，研究建立相應(yīng)的連接部位超聲評估方法。針對復(fù)合材料圓柱形筒體加強筋部位的粘接缺陷檢測，Bastianini等[18]研究了超聲接觸回波法評估的可檢性，但不適合本文中提出的蒙皮-加強筋接頭的超聲表征與評估。

由于復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)的特征，采用常規(guī)超聲檢測存在檢測分辨率低和表面檢測盲區(qū)大的問題。因此，超聲檢測中的分辨率和表面缺陷的檢出能力一直是復(fù)合材料檢測領(lǐng)域非常關(guān)注的技術(shù)問題[18-20]，蒙皮-加強筋接頭的超聲評估需要超聲檢測表面盲區(qū)和檢測分辨率達到單個復(fù)合材料鋪層的厚度。

本文針對復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭鋪層與幾何特征、成型工藝特點、可能存在的缺陷行為，研究了一種單脈沖超聲方法 （Mono-pulse ultrasonic technique，MU）；分析了入射聲波在蒙皮-加強筋接頭區(qū)的縱波反射行為、入射方向選擇、回波信號接收和脈沖寬度確定方法；設(shè)計制備了含有預(yù)制缺陷和實際工藝缺陷的碳纖維復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭試樣；構(gòu)建了MU檢測系統(tǒng)；研究了含有不同缺陷的復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭的超聲信號特征與形成機制；分析了超聲脈沖回波信號和成像特征形成規(guī)律；構(gòu)建了復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭缺陷超聲表征與評估方法和判據(jù)。系列試驗結(jié)果表明，采用MU新方法可以得到非常高質(zhì)量的時域可分辨的單脈沖超聲回波信號；顯著地改善了入射聲波在蒙皮-加強筋接頭區(qū)形成的超聲信號的時域可分辨性，更加有利于提高蒙皮-加強筋接頭區(qū)缺陷檢出和定性定量能力，大大改進了檢出缺陷的深度定位的準(zhǔn)確性；通過MU信號的時域特征及其成像特征可以有效地進行蒙皮-加強筋接頭區(qū)富樹脂、分層、脫黏的表征與識別及評估；表面檢測盲區(qū)達到1個復(fù)合材料鋪層厚度 （約0.125 mm）；檢出缺陷大小偏差最小可達0.0 mm，最大不超過1.0 mm，檢出缺陷的深度定位偏差和厚度測量偏差最小可達0.6%。為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)蒙皮-加強筋接頭提供了一種非常有效的缺陷檢測與評估方法，已經(jīng)取得了很好的實際檢測應(yīng)用效果。

1 單脈沖超聲方法和檢測系統(tǒng)

1.1 單脈沖超聲方法

如圖1（a）所示，利用超聲換能器向被檢測復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭區(qū)發(fā)射脈沖超聲波u0I，此脈沖超聲通過耦合介質(zhì)（如水），傳播到蒙皮-加強筋接頭區(qū)，并與蒙皮-加強筋接頭相互作用，在其內(nèi)部形成反射脈沖聲波圖1中，u0I表示入射聲波；uiR表示反射聲波，i=0，1，…，n；t為聲波傳播時間；viR為接收聲波信號。由于unR是來自蒙皮-加強筋接頭區(qū)內(nèi)部材料對u0I的彈性響應(yīng)，當(dāng)蒙皮-加強筋接頭區(qū)內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)、界面連接行為發(fā)生變化或者出現(xiàn)缺陷時，會影響蒙皮-加強筋接頭區(qū)對u0I的彈性響應(yīng)，當(dāng)這種彈性響應(yīng)足夠明顯時，就會引起顯著的聲波反射行為，進而在蒙皮-加強筋接頭區(qū)形成unR，unR經(jīng)換能器壓電轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的脈沖回波信號如果能夠使vnR中的每個脈沖回波信號viR在時域上可分辨，就有可能確定發(fā)生彈性響應(yīng)變化的區(qū)域和位置，進而用于蒙皮-加強筋接頭缺陷的表征與評估。影響viR時域可分辨行為的因素主要有：（1）viR的脈沖回波信號寬度tw（圖1（b））； （2）構(gòu)成viR的單個脈沖回波信號的寬度tT（圖1（c））； （3）構(gòu)成viR的脈沖個數(shù)，即脈沖周期數(shù)N（圖1（b）和（c））。其中，tw與tT和N有關(guān)，即tw=N×tT。對于垂直入射超聲縱波檢測，tw直接影響超聲波在復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭區(qū)的表面檢測盲區(qū)和縱向分辨率。如圖1所示，使入射聲波從蒙皮一側(cè)垂直入射，為了能夠提取到來自不同鋪層間可能存在缺陷的超聲反射信號，實現(xiàn)蒙皮-加強筋接頭缺陷的超聲表征和評估，盡量使入射聲波脈沖寬度tw滿足式 （1）的要求。

圖1 蒙皮-加強筋連接接頭單脈沖超聲方法原理Fig.1 Principle illustration of mono-pulse ultrasonic (MU) method for composite skin-rib joint

式中，hp為單個復(fù)合材料鋪層的厚度；vp為入射聲波在復(fù)合材料鋪層中的傳播速度。

在其他條件一定時，提高超聲波的頻率有助于減小tw，但頻率的提高會顯著增加超聲波在復(fù)合材料中的衰減，進而影響缺陷的檢出和表征。在頻率一定的情況下，減少脈沖周期數(shù)N就成為一種非常有效的方法。為此，采用具有單脈沖特性的脈沖超聲信號作為入射聲波信號，進行蒙皮-加強筋接頭缺陷的超聲表征和評估。

1.2 單脈沖超聲檢測系統(tǒng)

為了得到單脈沖超聲波，可以利用單脈沖電子單元產(chǎn)生超聲激勵信號，此激勵信號激勵單脈沖超聲換能器產(chǎn)生單脈沖超聲波。這里采用自主研制的CUS-21J超聲掃描成像檢測系統(tǒng)和FCC-D-1復(fù)合材料檢測儀器，構(gòu)建復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接區(qū)單脈沖超聲檢測試驗系統(tǒng)，分別用于復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接區(qū)單脈沖超聲行為研究、信號特征分析和成像試驗分析，CUS-21J和FCCD-1均可提供單脈沖超聲波信號的發(fā)射和接收。其中，CUS-21J超聲掃描成像檢測系統(tǒng)主要由超聲單元、信號處理單元、掃描機構(gòu)、掃描控制單元、計算機單元等構(gòu)成，其基本組成如圖2所示。采用自主研制的FJ-1和FJ-2高分辨率復(fù)合材料超聲換能器。利用FCC-D-1復(fù)合材料檢測儀器對蒙皮-加強筋連接區(qū)試樣進行掃查檢測，以獲取試樣中對應(yīng)每個檢測位置點的超聲特征信號和其對應(yīng)的實際位置，以便進行取樣分析，構(gòu)建基于單脈沖超聲回波信號特征的復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接區(qū)缺陷表征與評估方法。利用CUS-21J對復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接區(qū)試樣進行單脈沖超聲掃描成像檢測，驗證構(gòu)建的復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接接頭單脈沖超聲檢測與評估方法。

圖2 MU超聲檢測試驗系統(tǒng)基本組成Fig.2 Basic composition of MU ultrasonic test system

1.3 試樣設(shè)計制備

為了利用單脈沖超聲行為進行復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭缺陷的超聲表征與評估，設(shè)計了3類復(fù)合材料試樣。

第1組試樣 （試樣1）：復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣，模擬復(fù)合材料蒙皮-加強筋中的蒙皮區(qū)分層，在該試樣中，分別在距離上 （近表面第1個鋪層和第2個鋪層界面之間）、下表面第1個鋪層深度位置 （近底面第1個鋪層和第2個鋪層界面之間，即近表面第39個鋪層和第40個鋪層界面之間）和1/2深度位置 （第20 ～ 21個鋪層界面） 預(yù)置有φ3 mm的模擬分層，用于驗證在單脈沖條件下的超聲波表面檢測盲區(qū)極限和不同深度分層的檢出能力。其中，C1為位于試樣近表面第1 ～ 2個鋪層界面的分層；C2為位于試樣1/2厚度 （對應(yīng)第19 ～ 20個鋪層界面位置）的分層；C3為位于試樣近底面 （對應(yīng)第39 ～ 40個鋪層界面位置）的分層。試樣厚度約5 mm（40個預(yù)浸料鋪層），試樣的尺寸見表1。

表1 復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭試樣的幾何特征參數(shù)Table 1 Geometric feature parameters of composite skin-rib joint specimens mm

第2組試樣 （試樣2）：典型的復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭試樣，在蒙皮-加強筋連接界面預(yù)置有R和C類兩類脫黏，其中R類脫黏中的R1、R2、R3、R4為矩形脫黏，C類脫黏中的C4、C5、C6、C7為圓形脫黏，脫黏的分布如圖3所示 （其中，h為試樣的厚度；L1為試樣的寬度；L2為試樣的長度），R和C類脫黏分別位于復(fù)合材料接頭兩側(cè)加強筋-蒙皮膠接界面，脫黏的大小見表2。采用聚四氟乙烯薄膜模擬蒙皮-加強筋膠接界面脫黏，用于驗證所建立的單脈沖超聲方法對蒙皮-加強筋接頭區(qū)連接界面脫黏的檢出能力和檢出缺陷的準(zhǔn)確性。

表2 復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭的脫黏大?。ㄔ嚇?）Table 2 Debonding size of composite skin-rib joint (sample 2) mm

圖3 復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭及缺陷分布（試樣2）Fig.3 Composite skin-rib joint and defect distribution (sample 2)

第3組試樣 （試樣3 ～ 5）：選自實際的復(fù)合材料蒙皮-加強筋接頭，在蒙皮-加強筋連區(qū)沒有人工預(yù)置的缺陷，主要用于驗證所建立的單脈沖超聲方法對實際蒙皮-加強筋接頭區(qū)缺陷表征與評估的檢測效果。得到復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接界面實際工藝缺陷及其對應(yīng)的單脈沖超聲信號特征，以便建立面向?qū)嶋H蒙皮-加強筋接頭成型工藝的單脈沖超聲表征與評估方法及缺陷判據(jù)。

所有試樣均為樹脂基碳纖維復(fù)合材料多向鋪層結(jié)構(gòu)，由中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心制造，所用預(yù)浸料均由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司制造和提供。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 蒙皮分層的單脈沖超聲反射行為

圖4是來自試樣1的一組典型的單脈沖超聲回波信號vnR，其中，黑色曲線是來自試樣1中好區(qū)的單脈沖超聲回波信號；紅色曲線是來自試樣1中深度為1個鋪層厚度 （0.125 mm）的分層 （C1分層）的單脈沖超聲回波信號；藍色曲線是來自試樣1中深度為距離試樣底面1個鋪層厚度（0.125 mm）的分層 （C3分層）的單脈沖超聲回波信號；綠色曲線是來自試樣1中1/2深度 （20個鋪層厚度，約2.5 mm）的分層 （C2分層）的單脈沖超聲回波信號。

圖4 來自試樣1的典型單脈沖回波信號及其時域特征Fig.4 Typical MU echo signals and its time domain characteristics from specimen 1

從單脈沖超聲回波信號 （黑色曲線）的vnR可以非常清晰地看出：（1）入射聲波u0I在試樣1中形成非常清晰且幅值足夠大的回波信號vnR，vnR中包括來自試樣表面的回波信號v0R、底面回波信號vbR以及其二次反射信號vbR'，且沒有出現(xiàn)其他的額外聲波信號，這表明，在單脈沖超聲波條件下，入射聲波在試樣1內(nèi)部無缺陷部位具有很好的穿透行為；（2）從vnR的時域特性可以非常清晰地看出，v0R和vbR具有非常好的單周特性，用v0R{N≈1，tT≈0.26 μs，vpp≈4.52 V}、vbR{N≈1，tT≈0.32 μs，vpp≈3.20 V，tb-0≈3.22 μs}表示v0R和vbR的時域特性，這里vpp表示v0R和vbR的峰峰值，V，tb-0表示v0R和vbR之間的時間差；（3）vbR的時域?qū)挾龋?.32 μs）比v0R的時域?qū)挾龋?.26 μs）明顯變大，這主要來自聲波在復(fù)合材料中頻散現(xiàn)象。利用tb-0≈3.22 μs和試樣1的厚度（約5 mm），可以得出單脈沖超聲在復(fù)合材料中的傳播速度約為3106 m/s。

從圖4中單脈沖回波信號（紅色曲線）中的vnR則可以非常清晰地看出：（1）當(dāng)分層C1出現(xiàn)在近表面第1 ～ 2個鋪層界面時，來自分層的單脈沖超聲信號在時域上仍然清晰可分辨，如信號所標(biāo)示的脈沖回波信號所示，且{N≈1，tT≈0.36 μs，vpp≈2.20 V，tC1-0≈0.10 μs}，根據(jù)tC1-0可以估測分層C1的深度約為0.155 mm，約合1.24個鋪層，與C1的理論厚度僅相差0.03 mm，0.24個鋪層；（2）vbR仍然可見，同樣也具有很好的時域單周行為vbR{N≈1，tT≈0.50 μs，vpp≈0.58 V，tb-0≈3.22 μs}，但相比黑色曲線中回波信號vbR，其幅值明顯減小，約減小14 dB，而且，此時仍然可見，這主要是由于有少量的入射聲波穿過了分層C1； （3）相比黑色曲線回波信號v0R，紅色曲線中回波信號v0R{N≈1，tT≈0.22 μs，vpp≈4.55 V}略大，而且在v0R附近出現(xiàn)了，由于與v0R之間僅相差1個復(fù)合材料鋪層 （約0.125 mm，即0.08 μs），因此，與v0R在時域上非常緊貼，出現(xiàn)了部分疊加，造成的波形失真，不過，這完全不影響對近表面第1 ～ 2個鋪層界面之間的分層（C1）的判別檢出，也沒有改變它們的時域單周特性，根據(jù)與v0R之間的傳播時間tC1-0可以估測分層C1的深度（約0.155 mm）。

從圖4中藍色曲線回波信號則可以非常清晰地看出：（1）當(dāng)分層C3出現(xiàn)在近底表面第1 ～ 2個鋪層界面時，來自分層C3的單脈沖超聲信號在時域上清晰可分辨，如藍色曲線回波信號所標(biāo)示的脈沖回波信號所示，此時有{N≈1，tT≈0.22 μs，vpp≈1.70 V，tC3-0≈3.12 μs}，這里，tC3-0表示與v0R之間的時間差；（2）vbR消失，非常微弱；（3）相比黑色曲線回波信號v0R，在黑色曲線回波信號中的v0R幅值有輕微的下降，但是其他時域特性沒有出現(xiàn)明顯變化，即此時有v0R{N≈1，tT≈0.24 μs，vpp≈4.37 V}； （4）根據(jù)tb-0（3.22 μs）和tC3-0（3.12 μs），以及所測量的聲速 （3106 m/s），分層距離試樣1底面的深度約為0.155 mm，約合1.24個鋪層，非常接近單個復(fù)合材料的標(biāo)稱厚度0.125 mm。

從圖4中綠色曲線回波信號則可以非常清晰地看出：（1）當(dāng)分層C2出現(xiàn)在試樣1的1/2深度位置時，來自分層的單脈沖超聲信號和部分來自試樣底面的vbR在時域上非常清晰可分辨，如回波信號和vbR所標(biāo)示的單脈沖回波信號所示，此時有{N≈1，tT≈0.20 μs，vpp≈3.72 V，tC2-0≈1.58 μs}，vbR{N≈1，tT≈0.40 μs，vpp≈1.04 V，tb-0≈3.20 μs}，和vbR在時域上時間差tb-C2≈1.62 μs；（2）相比黑色曲線回波信號vbR（vpp≈3.20 V），綠色曲線回波信號vbR（vpp≈1.04 V）明顯減少，這是因為大部分聲波在分層C2處產(chǎn)生了反射；（3）綠色曲線回波信號的時域特性與其他3種回波信號完全一致，而且v0R{N≈1，tT≈0.26 μs，vpp≈4.45 V}幾乎與黑色曲線回波信號v0R相同；（4）根據(jù)tC2-0（1.58 μs）以及所測量的聲速 （3106 m/s），分層C2距離試樣1表面的深度約為2.454 mm，約合19.630個鋪層，與實際預(yù)置的分層深度 （20個鋪層）僅相差約0.370個鋪層。因此，在單周超聲波條件下，可以非常準(zhǔn)確地確定檢出分層所在的鋪層位置，這對準(zhǔn)確找出分層產(chǎn)生原因、進行工藝優(yōu)化以及制定修補方案和分析分層對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響等都具有非常現(xiàn)實的意義和指導(dǎo)作用； （5）根據(jù)tb-0（3.20 μs），可以得到vbR距離試樣表面約4.970 mm，約合39.757個鋪層，與試樣3的40個鋪層厚度僅相差0.243個鋪層。結(jié)合vbR中的tT（≈0.40 μs）及其波形特征，表明vbR是來自試樣底面的反射，而不是的二次反射。為入射聲波在C2與試樣底面之間的反射信號，且{N≈1，tT≈0.36 μs，vpp≈0.20 V}，明顯比vbR小。為的二次反射。因此，利用單脈沖超聲技術(shù)可以幫助準(zhǔn)確地確定檢出缺陷的深度和判別來自缺陷的多次反射行為，這非常有利于提高缺陷檢測準(zhǔn)確性。

圖4中結(jié)果還表明，來自分層的單脈沖超聲信號的相位與vbR相同，與v0R相反，而且來自分層的單脈沖超聲信號的tT要比來自試樣底面超聲信號的tT小0.14～0.30 μs?？梢?，在實際檢測中，單周超聲波條件非常有利于根據(jù)超聲信號的時域?qū)挾扰袆e是來自近底面的分層還是底面反射，從而為近底面缺陷的可靠檢出提供了一種有效識別機制。

因此，利用單周超聲技術(shù)不僅可以實現(xiàn)近表面和近底面一個鋪層深度分層的準(zhǔn)確檢出，還可以準(zhǔn)確給出實際分層所在的鋪層深度，其最大偏差為0.370個鋪層，最小偏差為0.243個鋪層，均小于1個鋪層。非常有利于準(zhǔn)確確定檢出缺陷所在的鋪層位置。

2.2 蒙皮-加強筋接頭的單脈沖超聲反射行為

圖5是來自復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接試樣3位置① （對應(yīng)黑色曲線）和位置② （對應(yīng)紅色曲線）的單脈沖超聲試驗結(jié)果。從黑色曲線回波信號可以非常清晰地看出，vnR主要由組成，分別來自入射聲波在試樣3蒙皮表面、蒙皮-加強筋連接接頭以及加強筋底面的單脈沖超聲波u0R、、回波信號，以及在蒙皮-加強筋連接接頭—加強筋底面之間的一次反射、二次反射、三次反射。分別表示為

圖5 試樣3檢測位置①和②及其對應(yīng)的單脈沖超聲回波信號vnRFig.5 MU echo signal vnR from position ① and ② in specimen 3

式中，Sgn（φ0）為v0R的相位，Sgn（φ0）=1表示v0R先出現(xiàn)負(fù)半周，再出現(xiàn)正半周；Sgn（φb1）為的相位，Sgn（φb1）=-1表示與v0R相位相反；Sgn（φb2）為的相位，Sgn（φb2）=-1表示與v0R相位相反；tb1-0為v0R與之間的時間差；tb2-0為v0R與之間的時間差；tb2-b1為與之間的時間差。

從黑色曲線單脈沖回波信號可以看出：（1）當(dāng)換能器位于試樣3的位置①時，在vnR中出現(xiàn)了3個明顯的特征信號，分別如黑色曲線單脈沖回波信號中v0R、、所指示的脈沖信號，其對應(yīng)峰峰值A(chǔ)F、Ab1、Ab2及其相對變化ΔAFb1、ΔAFb2如表3所示，Ab1比AF明顯?。s小3.75 V），Ab2比AF小約2.73 V，而Ab2比Ab1明顯大（1.02 V），這表明有足夠的入射聲波可以穿過蒙皮-加強筋膠接界面?zhèn)鞑サ郊訌娊畹酌嫘纬煞瓷渎暡?，這將非常有利于利用單脈沖超聲波進行蒙皮-加強筋膠接界面的缺陷檢測與評估；（2）和具有相同的相位特性，且其相位與v0R的相位相反； （3）根據(jù)tb1-0可以得出試樣3的蒙皮厚度約為2.982 mm，約合23.85個鋪層，這與試樣3的加強筋蒙皮厚度h3（3.0 mm，24個鋪層，見表1）僅相差0.018 mm （約合0.15個鋪層）；（4）根據(jù)tb2-b1可以得出試樣3的加強筋厚度約為1.678 mm，約合13.42個鋪層，比試樣3的加強筋厚度h2（1.5 mm，12個鋪層，見表1）大0.178 mm，約合1.42個鋪層，這是因為利用tb2-b1估測加強筋厚度時，包含了蒙皮-加強筋之間的膠膜厚度 （膠膜的標(biāo)稱厚度約0.15 mm），因此，如果減去膠膜的影響，估測試樣3的加強筋厚度約為1.528 mm，約合12.22個鋪層，與加強筋蒙皮厚度h3的厚度僅相差0.028 mm。為了消去膠膜對h3的影響，可以利用、、、之間的時間差tb2-b2'≈0.99 μs、tb2'-b2''≈0.91 μs、tb2''-b2'''≈0.90 μs的平均值0.93 μs進行h3的準(zhǔn)確測量，此時，試樣3的加強筋測量厚度約1.449 mm，約合11.60個鋪層，與h3的理論厚度僅相差0.051 mm，約合0.400個鋪層。再次表明在單脈沖超聲波條件下，非常有利于得到蒙皮-加強筋的準(zhǔn)確幾何厚度值，這將對固化工藝的優(yōu)化和復(fù)合材料接頭厚度精細(xì)控制非常有幫助。

表3 試樣 3中位置①和②的v0R、、、vDR幅值和相位分布Table 3 Amplitude and phase of v0R,,,vDR in specimen 3 position ① and ②

表3 試樣 3中位置①和②的v0R、、、vDR幅值和相位分布Table 3 Amplitude and phase of v0R,,,vDR in specimen 3 position ① and ②

注：ΔAFb1=20lg ，dB；ΔAFb2=20lg ，dB；ΔAFD=20lg ，dB。

位置AF/VAb1/VAb2/VAD/VΔAFb1/dBΔAFb2/dBΔAFD/dBSgn（φF）Sgn（φb1）Sgn（φb2）Sgn（φD）①4.510.761.78—15.58.1—1—-1—②5.020.57—0.7118.9—17.01-1—1

圖5中的單脈沖回波信號（紅色曲線）是來自復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接試樣3位置②的單脈沖超聲試驗結(jié)果，可以同樣非常清晰地看出，vnR主要由v0R、、vDR、組成。顯然，v0R'、vbR1'分別來自入射聲波在試樣3蒙皮表面、蒙皮-加強筋連接界面的單脈沖超聲波u0R、ubR1的反射。分別表示為

從單脈沖回波信號 （紅色曲線）中的vnR可以看出，當(dāng)換能器位于試樣3的接頭立筋上方位置②時，在vnR中出現(xiàn)了3個明顯的特征信號，分別為v0R、vb1R、vDR所指示的脈沖信號，其對應(yīng)峰峰值A(chǔ)F、Ab1、AD及其相對變化ΔAFb1、ΔAFD如表3所示，Ab1比AF明顯小 （約小18.9 dB），AD比AF小約17.0 dB，而AD比Ab1則略大，vDR與v0R具有相同的相位特征。從圖4紅色和綠色曲線的試驗結(jié)果可以看出，對于分層缺陷，其對應(yīng)的單脈沖超聲信號的相位相對于v0R的相位會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，而在圖5紅色曲線回波信號中，vDR沒有出現(xiàn)明顯的相位翻轉(zhuǎn)，這表明vDR不是來自分層的聲波反射。而且在vDR之后還出現(xiàn)了多個微小的反射信號，這表明vDR也不是僅僅來自蒙皮-加強筋連接界面的反射聲波。由于位置②位于蒙皮-加強筋連接接頭填充區(qū)，因此，vDR和的出現(xiàn)及其特征應(yīng)與蒙皮-加強筋連接接頭填充區(qū)帶來的微結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

圖6是來自蒙皮-加強筋連接試樣4位置②的典型單脈沖超聲回波信號vnR。在vnR中，同樣可以明顯地觀察到v0R、、vDR（由和組成），與圖5紅色曲線回波信號不同的是，在圖6中，與vDR在時域上彼此非?？拷疫€出現(xiàn)了來自蒙皮區(qū)的單脈沖超聲反射信號，如vdR所指示的信號，其特征參數(shù)為

圖6 試樣4檢測位置②及其對應(yīng)的單脈沖超聲回波信號vnRFig.6 MU echo signal vnR from position ② in specimen 4

根據(jù)tb1-0可以得到試樣4的蒙皮厚度h3約為5.964 mm（比h3的理論厚度6 mm小0.036 mm），約合47.712個鋪層 （比h3的理論48個鋪層小0.288個鋪層），厚度和鋪層偏差約0.6%。根據(jù)tD2-D1可以估測對應(yīng)樹脂區(qū)的厚度約為0.513 mm。

圖7是來自試樣5中蒙皮-加強筋連接部位的一組典型單脈沖超聲回波信號，其中藍色曲線回波信號來自試樣5中蒙皮-加強筋連接部位好區(qū)的單脈沖超聲反射信號，包括v0R（來自蒙皮-加強筋連接試樣表面的單脈沖超聲反射）、（來自蒙皮-加強筋連接界面的單脈沖超聲反射）和（來自加強筋蒙皮底面的單脈沖超聲反射），為的二次反射，其特征參數(shù)為

圖7 試樣5中檢測蒙皮-加強筋連接部位好區(qū)和檢出分層的單脈沖超聲回波信號vnRFig.7 MU echo signal vnR from defect-free and detected delamination zones in specimen 5

圖7藍色曲線回波信號及其特征表明，在正常蒙皮-加強筋連接界面區(qū)：（1）會同時出現(xiàn)和，且比大；（2）會出現(xiàn)的多次反射信號；（3）會呈現(xiàn)“M”形狀。根據(jù)tb1-0可以得到試樣5的蒙皮厚度h3約為5.560 mm（比h3的理論厚度5.5 mm大0.06 mm），約合44.48個鋪層（比h3的理論44個鋪層大0.48個鋪層）。根據(jù)tb2-b1可以估測加強筋蒙皮的厚度h2約為1.832 mm，根據(jù)tb2'-b1估測h2約為1.620 mm，更接近h2的理論厚度1.5 mm。

圖7紅色曲線回波信號來自試樣5中蒙皮-加強筋連接部位檢出分層的單脈沖超聲反射信號，包括v0R（來自蒙皮-加強筋連接試樣表面的單脈沖超聲反射）、vdR（來自蒙皮-加強筋連接界面附近分層的單脈沖超聲反射）和（來自vdR的二次反射）。其特征參數(shù)為

圖7紅色曲線回波信號及其特征表明，在蒙皮-加強筋連接檢出分層部位：（1）會消失；（2）vdR比明顯大；（3）Sgn(φd)=-1；（4）vdR不會呈現(xiàn)“M”形狀。根據(jù)td-0可以估測檢出分層的深度約為5.280 mm，約合42.242個鋪層。根據(jù)td'-d估測檢出分層的深度約為5.498 mm，約43.981個鋪層。均比試樣5的蒙皮的理論厚度h3的44個鋪層小，這表明分層位于蒙皮-加強筋連接界面近上表面鋪層界面。

2.3 蒙皮-加強筋缺陷的單脈沖超聲C掃描檢測與評估

圖8是試樣2中的單脈沖超聲C掃描結(jié)果，水平方向為掃描方向（蒙皮-加強筋連接接頭長度方向），垂直方向為步進方向 （蒙皮-加強筋連接接頭寬度方向）。從蒙皮一側(cè)進行C掃描，掃描速度為50 mm/s，步進量為1.0 mm，數(shù)字增益8 dB。從單脈沖超聲C掃描結(jié)果可以非常清晰看出脫黏的大小及其分布，檢出脫黏大小如表4所示。從圖8的C掃描結(jié)果可以看出，位于試樣2中蒙皮-加強筋膠接界面之間的矩形脫黏R1、R2、R3、R4和圓形脫黏C4、C5、C6、C7均能有效地檢出，且實際檢出脫黏的大小與脫黏的設(shè)計大小基本一致。脫黏的設(shè)計值與C掃描檢出大小最大偏差為1 mm，見表2和表4?？梢娫趩蚊}沖條件下，不僅可以得到非常清晰的C掃描圖像，而且還非常有利于準(zhǔn)確地對蒙皮-加強筋連接界面的檢出缺陷進行定量評估。

表4 試樣2中的脫黏單脈沖超聲C掃描檢出大小及其偏差Table 4 Sizes and variation of detected debonding in specimen 2 by MU C-scan mm

圖8 試樣2的單脈沖C掃描結(jié)果Fig.8 MU C-scan results of specimen 2

從圖9的試驗結(jié)果可以看出，在單脈沖超聲條件下，蒙皮-加強筋連接區(qū)和蒙皮-加強筋填充界面區(qū)同樣具有不同的C掃描灰度分布特征：（1）蒙皮-加強筋連接區(qū)，灰度分布整體上比較均勻，這是因為此時用于產(chǎn)生C掃描的來自試樣的底面單脈沖超聲反射，當(dāng)試樣內(nèi)部沒有缺陷時，不會出現(xiàn)明顯的變化；（2）在蒙皮-加強筋連接區(qū)對應(yīng)的灰度總體說要比蒙皮-加強筋填充區(qū)的灰度要明亮，這是因為在單脈沖超聲波條件下，入射聲波在蒙皮-加強筋區(qū)底面產(chǎn)生了更為明顯的反射行為；（3）在蒙皮-加強筋填充區(qū)，呈現(xiàn)出不同的C掃描圖像的灰度分布，如圖9中D所指示的長條形白色灰度區(qū)，這與蒙皮-加強筋填充界面區(qū)的樹脂層有關(guān)，因為隨著蒙皮-加強筋連接區(qū)的微結(jié)構(gòu)變化，vDR會發(fā)生變化 （圖5和6），但這種變化與試樣1中的分層的單脈沖超聲信號存在非常明顯的時域特征差別 （圖4）。因此，在單脈沖超聲條件下，利用來自vDR的C掃描及其灰度分布規(guī)律，同樣可以實現(xiàn)對蒙皮-加強筋膠接界面的超聲表征與缺陷評估。

圖9 來自試樣3中的單脈沖超聲C掃描結(jié)果Fig.9 MU C-scan results of from specimen 3

3 結(jié)論

（1） 在垂直縱波條件下，利用單脈沖超聲波與復(fù)合材料蒙皮-加強筋連接區(qū)相互作用產(chǎn)生的反射行為，可以獲得高質(zhì)量單脈沖回波信號，在此條件下，入射聲波在蒙皮-加強筋膠接界面、分層、脫黏區(qū)產(chǎn)生的回波信號具有不同的幅值、相位、波形等時域特征，依據(jù)這些時域特征及其變化，可以有效進行蒙皮-加強筋連接部位的缺陷表征、識別和準(zhǔn)確的定性定量評估。

（2） 系列的單脈沖超聲檢測結(jié)果表明，在單脈沖超聲條件下，復(fù)合材料表面檢測盲區(qū)可以達到單個鋪層厚度；可以有效檢出復(fù)合材料中的分層、蒙皮-加強筋膠接界面脫黏、膠接界面層、蒙皮-加強筋連接部位的樹脂區(qū)；可以實現(xiàn)分層、脫黏及膠接界面以及樹脂層的判別；可以確定分層、脫黏、膠接界面的準(zhǔn)確鋪層深度位置、蒙皮-加強筋界面鋪層微結(jié)構(gòu)的變化；分層深度定位偏差小于0.5個預(yù)浸料鋪層。

（3） 利用單脈沖超聲C掃描，可以實現(xiàn)蒙皮分層、蒙皮-加強筋膠接界面脫黏的準(zhǔn)確定量評估，其檢出大小與設(shè)計大小的最小偏差0.0 mm，最大偏差在1.0 mm內(nèi)。從而為復(fù)合材料蒙皮-加強筋膠接界面提供了一種非常有效的超聲檢測與缺陷定性定量評估方法。