[发明专利]一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法

摘要

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法。本发明方法利用宽带窄冲超声波在被检测复合材料层压结构中形成的反射回波信号的时域特性，通过构建回波信号时域特性与被检测复合材料层压结构的厚度、铺层数、缺陷深度等数理表征函数，建立了基于回波信号时域特征的超声检出缺陷的铺层深度的量化表征方法、数学关系和确定方法及实际测量方法，可选择不同频率和超声检测系统，对复合材料层压结构中超声检出缺陷的铺层深度进行量化表征。实际检测效果表明，检出缺陷的铺层深度定位偏差可达1个复合材料铺层，为室内外场合复合材料缺陷和损伤定深分析、工艺优化和结构修理等，提供了一种非常有效的超声检测方法。

主权项

1.一种确定复合材料层压结构中缺陷铺层深度的超声方法，利用脉冲超声在被检测复合材料层压结构(5)中形成的反射回波信号的时域特征进行检出缺陷的铺层深度的量化表征，其特征是，采用能够发射/接收单周宽带窄脉冲超声波的超声换能器(1)和能够产生单周宽带窄脉冲激励信号的超声单元(2)，宽带窄脉冲超声换能器(1)的频率在5‑15MHz之间，通过高频信号电缆将超声换能器(1)与超声单元(2)进行电器链接，调节超声单元(2)的阻尼参数和增益参数，使超声换能器(1)产生宽带窄脉冲入射超声波I，此宽带窄脉冲入射超声波I在被检测复合材料层压结构(5)中形成的回波显示信号的时域脉冲特性同时满足以下条件：1)回波显示信号的时域占宽t_W满足(1)式：式中，h_i—为被检测复合材料层压结构中单个铺层的厚度，2)回波显示信号的脉冲周期数f_T满足(2)式：f_T≤1.5    (2)将超声换能器(1)置于被检测复合材料层压结构(5)表面上，超声单元(2)激励超声换能器(1)产生宽带窄脉冲入射超声波I通过耦合介质传播到被检测复合材料层压结构(5)表面，其中一部分宽带窄脉冲入射超声波I在复合材料层压结构(5)表面产生反射回波a，此反射回波a被超声换能器(1)接收后，经过超声单元(2)送入信号处理单元(3)进行单周信号处理，形成单周回波显示信号F，单周回波显示信号F在显示单元(4)中显示；宽带窄脉冲入射超声波I的另一部分经折射后传播到复合材料层压结构(5)中形成透射声波，继续传播：来自被检测复合材料层压结构(5)内部的反射回波(b)被超声换能器(1)接收后，经过超声单元(2)送入信号处理单元(3)进行单周信号处理，形成单周回波显示信号D显示在显示单元(4)中，其中，在时域上，单周回波显示信号F与单周回波显示信号D之间的时间间隔t_FD用公式(3)表示，这里，υ—为入射超声波在复合材料层压结构(5)中传播速度，h_D—对应单周回波显示信号D在复合材料层压结构(5)中的深度位置，1)当时，此时复合材料(5)内部没有缺陷，在显示单元(4)中显示回波显示信号(F和B)，这里，H为复合材料层压结构(5)的标称厚度，它由N个复合材料铺层总数，H的标称厚度近似用(4)式表示，H＝h_iN              (4)这里，h_i—为单个复合材料铺层的厚度；2)当时，此时复合材料层压结构(5)内部存在缺陷，在显示单元(4)中显示回波显示信号F和D，缺陷的铺层深度h_D近似用(5)式表示，h_D＝h_in_D              (5)这里，h_i—为单个复合材料铺层的厚度，n_D—为对应检出缺陷的铺层深度，根据(3)式～(5)式，检出缺陷的铺层深度n_D由(6)式进行量化表征：式中，t_FB—为根据在显示单元(4)中显示的单周回波显示信号F与无缺陷的单周回波显示信号(B)之间的时域刻度位置实际测量获得的时间间隔，t_FD—为根据在显示单元(4)中显示的单周回波显示信号F与有缺陷的单周回波显示信号D之间的时域刻度位置实际测量获取的时间间隔，N—为被检测复合材料层压结构中所检测位置的复合材料层压结构铺层数，可从其工程制造图纸或CAD数模中直接获取。