一种复合材料的超声-声发射检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种复合材料的超声-声发射检测方法。该方法基于超声脉冲声波在复合材料中激发的声发射信号，实现复合材料内部缺陷的检测；发射换能器和接收换能器采取非对称模式、分离式和集成式两种布局，置于被检测复合材料零件的同侧或任意一侧；在0-360°内选择发射换能器和接收换能器的位置和姿态；可实现多通道超声-声发射检测；利用来自被检测复合材料内部的声发射信号时域特征进行缺陷的判别和定位。本发明极大地提高了超声-声发射对复合材料的检测能力，检测厚度可达50mm，检测灵敏度可达Ф3mm、0.13mm深和49mm深缺陷，显著改善了超声-声发射检测分辨率和表面检测盲区及检测能力。
【专利说明】一种复合材料的超声-声发射检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、兵器、船舶、冶金、钢铁、交 通、建筑等领域中复合材料的超声-声发射方法。
【背景技术】
[0002] 超声是目前广泛用于各种材料及其结构缺陷定量无损检测的重要方法，已在航空 航天、兵器、电子、船舶、冶金、石化石油、交通、建筑等领域得到广泛应用，特别是在复合材 料领域，目前80%复合材料结构都采用了超声检测。目前用于复合材料超声检测方法主要 有反射法和穿透法，利用外部超声脉冲声源，在被检测复合材料中形成的反射/透射声波 行为，进行缺陷的检测和判别，其主要不足是：（1)对缺陷取向非常敏感，随着缺陷取向与 入射声波传播方向之间的夹角增大，对缺陷的检出能力显著下降，进而容易造成漏检；(2) 声波衰减剧烈，难以实现大厚度复合材料及多孔隙复合材料等声波衰减剧烈的材料的无损 检测。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种利用宽带超声脉冲声波作为激励声波，通过此激励超声 脉冲与被检测复合材料相互作用，在缺陷周围产生的声发射行为，通过接收来自复合材料 及其内部缺陷的声发射信号，实现复合材料的无损检测，克服传统超声检测受缺陷取向影 响，容易造成漏检的不足，解决大厚度复合材料及多孔隙复合材料等声波衰减剧烈的材料 的无损检测的复合材料的超声-声发射方法。
[0004] 本发明的技术解决方案是，该方法基于冲击脉冲产生的超声脉冲声波在复合材料 中激发的声发射信号，实现复合材料内部缺陷的检测，
[0005] 超声发射单元输出的冲击激励脉冲激发发射换能器中的压电传感元件，使发射换 能器产生激励超声波，由发射换能器向被检测复合材料零件发射激励超声波，
[0006] 接收换能器中的压电传感元件接收来自被检测复合材料零件的声发射波，经压电 传感元件转换成电脉冲信号输出给声发射接收单元，压电传感元件的频率特性依据发射换 能器中的压电传感元件频率特性确定，压电传感元件的频率特性与传感元件的频率特性为 非对称模式，
[0007] 声发射接收单元的频率特性与接收换能器中的压电传感元件的频率特性匹配，声 发射接收单元的增益调节范围为〇-6〇dB，声发射接收单元的输出通过高频信号线与信号显 示单元相连，接收换能器与发射换能器置于被检测复合材料零件的同侧或任意一侧，接收 换能器与发射换能器的距离在0_50mm的半径范围内。
[0008] 所述的发射换能器的入射位置和入射方向，根据被检测复合材料零件特点和检测 要求不同，在0-360°范围内选择发射换能器的入射位置和入射方向。
[0009] 所述的接收换能器的位置和姿态，根据被检测复合材料零件特点和检测要求不 同，在0-360°内选择接收换能器相对发射换能器的接收角度，接收来自被检测复合材料零 件内部缺陷的声发射信号。
[0010] 所述的超声-声发射检测方法中使用的发射换能器和接收换能器采用不同数量 的发射换能器和接收换能器的组合构成，实现复合材料零件的多通道超声-声发射检测。 [0011] 所述的超声-声发射检测方法中使用的发射换能器和接收换能器采用分离式和 集成式两种，实现不同复合材料零件的超声-声发射检测。
[0012] 所述的接收换能器的频率为发射换能器的频率的整数倍。
[0013] 所述的发射换能器的频率为接收换能器的频率的整数倍。
[0014] 所述的检测方法中使用的发射换能器和接收换能器为手持式或安装在自动检测 设备上。
[0015] 本发明具有的优点和有益效果，本发明是利用宽带超声脉冲声波作为激励声波， 通过此激励超声脉冲与被检测复合材料相互作用，在缺陷周围产生的声发射行为，通过接 收来自复合材料及其内部缺陷的声发射信号，实现对复合材料零件的无损检测。由于在缺 陷周围的声发射信号呈现周向分布特征，接收换能器在缺陷周围任一方向都可以有效地接 收到来自缺陷的声发射信号，因此，这种方法对缺陷的方向不敏感，从而克服了传统超声定 向反射/透射检测方法受缺陷取向制约，导致检测灵敏度低和漏检的问题，进而大大地提 高了缺陷检出能力和检测可靠性。
[0016] 本发明采用宽带脉冲超声作为激发信号，在复合材料内部激发高品质的声发射信 号，声发射信号的频率特性和分辨率得到质的提高，信号的时域规律十分清晰，从而大大地 提高了缺陷识别和定量分析的准确性。
[0017] 本发明中的检测信号直接来自缺陷周围的声发射信号，声发射源直接来自缺陷自 身，用于检测的信号品质直接与缺陷关联，减少了声波在复合材料中的传播声程和能量损 失，进而显著提高了大厚度复合材料和多空隙复合材料及大衰减复合材料的检测能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明复合材料的超声-声发射检测方法示意图；
[0019] 图2是本发明检测复合材料的超声-声发射缺陷定位方法示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明作详细说明。
[0021] -种复合材料的超声-声发射检测方法，该方法基于冲击脉冲产生的超声脉冲声 波在复合材料中激发的声发射信号，实现复合材料内部缺陷的检测，参见图1所示，
[0022] 超声发射单元2输出的冲击激励脉冲激发发射换能器1中的传感元件1A，使发射 换能器1产生激励超声波8,如图1中P1所示，由发射换能器1向被检测复合材料零件6发 射激励超声波8,当被检测复合材料零件6中存在缺陷7时，激励超声波8与缺陷7相互作 用，在缺陷7周围产生声发射行为，形成声波发射源，从而在缺陷7周围形成声发射波9,此 声发射波9由E 1(t)、E2(t)、···、Ei(t)、…En(t)组成，i = l，2，···，n，
[0023] 接收换能器3中的压电传感元件3A接收来自被检测复合材料零件6的声发射波 9，经压电传感元件3A转换成电脉冲信号输出给声发射接收单元4,压电传感元件3A的频率 特性依据发射换能器1中的传感元件1A频率特性确定，压电传感元件3A的频率特性与传 感元件1A的频率特性为非对称模式，
[0024] 声发射接收单元4的频率特性与接收换能器3中的压电传感元件3Α的频率特性 匹配，声发射接收单元4的增益调节范围为0-60dB，声发射接收单元4的输出通过高频信 号线与信号显示单元5相连，通过信号显示单元5显示声发射信号V D (t)，接收换能器3与 发射换能器1置于被检测复合材料零件6的同侧或任意一侧，接收换能器3与发射换能器 1的距离在0_50mm的半径范围内。
[0025] 发射换能器1的入射位置和入射方向，根据被检测复合材料零件特点和检测要求 不同，在0-360°范围内选择发射换能器1的入射位置和入射方向，如图1中所示的PpP 2、 P3方向。
[0026] 接收换能器3的位置和姿态，根据被检测复合材料零件特点和检测要求不同，在 0-360°内选择接收换能器3相对发射换能器1的接收角度，接收来自被检测复合材料零件 内部缺陷的声发射信号。
[0027] 超声-声发射检测方法中使用的发射换能器1和接收换能器3采用不同数量的发 射换能器1和接收换能器3的组合构成，实现复合材料零件的多通道超声-声发射检测。
[0028] 超声-声发射检测方法中使用的发射换能器1和接收换能器3采用分离式和集成 式两种，实现不同复合材料零件的超声-声发射检测。
[0029] 接收换能器的频率为发射换能器的频率的整数倍。
[0030] 发射换能器的频率为接收换能器的频率的整数倍。
[0031] 检测方法中使用的发射换能器和接收换能器为手持式或安装在自动检测设备上。
[0032] 检测方法中的缺陷判别：根据信号显示单元5显示的声发射信号的特征和变化， 进行缺陷的判别，实现对被检测复合材料零件6的无损检测，
[0033] 1)缺陷的判别：当被检测复合材料零件中没有缺陷时，没有声发射波Ejt)，此时， 接收换能器3接收不到声发射波Ei (t)，在信号显示单元5中的显示器屏幕上不会出现声发 射波Ejt)对应的脉冲显示信号；当被检测复合材料零件内部存在缺陷时，会在缺陷周围产 生声发射波& (t)，此时，接收换能器3接收到声发射波Ei (t)，进而在信号显示单元5中的 显示器屏幕上会出现声发射波Ejt)对应的脉冲显示信号VD(t)，根据V D(t)的存在即可进 行缺陷的判别，
[0034] 2)缺陷深度确定：检出缺陷的深度Η由（1)式确定，缺陷的水平位置L由（2)式 确定，参见图2，
[0035] H = (t0_tD) X ν X sin Θ (1)
[0036] L = (t0_tD) X ν X cos θ (2)
[0037] 这里，h-声发射信号接收的起始时间，tD-来自缺陷的声发射波9Ei (t)的传播时 间，Θ-接收换能器3的接收角，ν-声速。
[0038] 复合材料超声-声发射检测方法的检测步骤为，
[0039] ①将发射换能器1通过高频连接线与超声发射单元2连接，将接收换能器3通过 高频连接线与声发射接收单元4连接；②将声发射接收单元通过高频连接线与信号显示单 元5连接；③超声发射单元2和信号显示单元上电，进入超声-声发射工作窗口；④将被检 测复合材料零件表面刷湿，然后将发射换能器1和接收换能器3置于被检测复合材料零件 刷湿表面，按照给定的扫描轨迹移动发射换能器1和接收换能器3,同时信号显示单元5实 时显示的检测信号变化规律，进行缺陷的判别，对于检出缺陷按照（1)式和（2)式确定缺陷 的深度和位置；当采用自动检测时，将发射换能器1和接收换能器3安装在自动扫描设备 上，对被检测复合材料零件进行自动扫描，检测结果以成像方式显示，实现对被检测复合材 料超声-声发射自动扫描成像检测。
[0040] 实施例1
[0041] 采用本发明中的复合材料的超声-声发射检测方法和检测步骤，选择单发-单收 检测模式，选择手工扫查方式，发射换能器1和接收换能器3采用集成式布局换能器，二者 为零接近距离，并位于复合材料零件的同一侧，发射换能器1的频率选择2MHz，接收换能器 3的频率选择5MHz，分别对5mm和10mm碳纤维复合材料零件进行了系列的实际检测应用， 实际检测应用效果表明，检测分辨率和表面检测盲区可达单个复合材料铺层厚度，可检出 复合材料结构中 φ3_、0. 13mm深和9. 8mm深的缺陷，取到了很好的实际检测效果。
[0042] 实施例2
[0043] 采用本发明中的复合材料的超声-声发射检测方法和检测步骤，选择单发-双收 检测模式，选择自动扫描方式，发射换能器1和接收换能器3采用分离式布局，安装自动扫 描检测设备上，发射换能器1和接收换能器3之间距离为10mm，并位于复合材料零件的两 侦牝发射换能器1的频率选择1MHz，接收换能器3的频率选择2MHz，分别对20mm和50mm碳 纤维复合材料零件进行了系列的实际检测应用，实际检测应用效果表明，检测分辨率和表 面检测盲区可达单个复合材料铺层厚度，可检出复合材料结构中Φ3πιπι、0· 13mm深、10mm、 49mm深的缺陷，取到了很好的实际检测效果。
【权利要求】
1. 一种复合材料的超声-声发射检测方法，该方法基于冲击脉冲产生的超声脉冲声波 在复合材料中激发的声发射信号，实现复合材料内部缺陷的检测，其特征是， 超声发射单元（2)输出的冲击激励脉冲激发发射换能器（1)中的传感元件（1A)，使发 射换能器（1)产生激励超声波（8)，由发射换能器（1)向被检测复合材料零件（6)发射激励 超声波（8)， 接收换能器（3)中的压电传感元件（3A)接收来自被检测复合材料零件￠)的声发射 波（9)，经压电传感元件（3A)转换成电脉冲信号输出给声发射接收单元（4)，压电传感元件 (3A)的频率特性依据发射换能器（1)中的压电传感元件（1A)的频率特性确定，压电传感元 件（3A)的频率特性与压电传感元件（1A)的频率特性为非对称模式， 声发射接收单元（4)的频率特性与接收换能器（3)中的压电传感元件（3A)的频率特 性匹配，声发射接收单元（4)的增益调节范围为0-60dB，声发射接收单元（4)的输出通过高 频信号线与信号显示单元（5)相连，接收换能器（3)与发射换能器（1)置于被检测复合材 料零件￠)的同侧或任意一侧，接收换能器（3)与发射换能器（1)的距离在0_50mm的半径 范围内。
2. 权利要求1所述的一种复合材料的超声-声发射检测方法，其特征是，所述的发 射换能器（1)的入射位置和入射方向，根据被检测复合材料零件特点和检测要求不同，在 0-360°范围内选择发射换能器（1)的入射位置和入射方向。
3. 根据权利要求1所述的一种复合材料的超声-声发射检测方法，其特征是，所述的接 收换能器（3)的位置和姿态，根据被检测复合材料零件特点和检测要求不同，在0-360°内 选择接收换能器（3)相对发射换能器（1)的接收角度，接收来自被检测复合材料零件内部 缺陷的声发射信号。
4. 根据权利要求1所述的一种复合材料的超声-声发射检测方法，其特征是，所述的超 声-声发射检测方法中使用的发射换能器（1)和接收换能器（3)采用不同数量的发射换能 器（1)和接收换能器（3)的组合构成，实现复合材料零件的多通道超声-声发射检测。
5. 根据权利要求1所述的一种复合材料的超声-声发射检测方法，其特征是，所述的 超声-声发射检测方法中使用的发射换能器（1)和接收换能器（3)采用分离式和集成式两 种，实现不同复合材料零件的超声-声发射检测。
6. 根据权利要求1所述的一种复合材料的超声-声发射检测方法，其特征是，所述的接 收换能器（3)的频率为发射换能器（1)的频率的整数倍。
7. 根据权利要求1所述的一种复合材料的超声-声发射检测方法，其特征是，所述的发 射换能器（1)的频率为接收换能器（3)的频率的整数倍。
8. 根据权利要求1所述的一种复合材料的超声-声发射检测方法，其特征是，所述的检 测方法中使用的发射换能器（1)和接收换能器（3)为手持式或安装在自动检测设备上。
【文档编号】G01N29/14GK104049038SQ201410276118
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】刘松平, 刘菲菲, 李乐刚, 傅天航 申请人:中航复合材料有限责任公司