一种对复合材料的动态粘弹性进行评价的超声波评价方法
【专利摘要】本发明公开了一种对复合材料的动态粘弹性进行评价的超声波评价方法，采用的是空气耦合超声检测技术，通过采用这种检测技术，可以实现对于复合材料的动态粘弹性进行快速和无损害的评价。本方法的两空气耦合平板探头与复合材料不相接触，避免两空气耦合平板探头对复合材料的污染，从而实现了无损害的评价。本方法采用了高灵敏度的空气耦合平板探头，通过采用这种探头，可以提高检测灵敏度和分辨率，其目的为：在评价过程中，提高信号的信噪比，避免噪声信号对最后检测结果的干扰，从而实现对复合材料的动态粘弹性进行快速且有效的评价。因此解决了使用常规动态粘弹性能评价技术对材料的动态粘弹性评价效率低、对材料产生损害等问题。
【专利说明】
一种对复合材料的动态粘弹性进行评价的超声波评价方法
技术领域
[0001] 本发明属于借助于测定材料的物理性质来测试或分析材料性能的领域，特别涉及 对复合材料的动态粘弹性能进行评价的超声波评价方法。
【背景技术】
[0002] 在复合材料中，其中的树脂基体具有粘弹性，尤其是当温度和荷载水平较高的情 况下，粘弹性更加明显。由于粘弹性基体材料在复合材料中的使用，使得粘弹性成为复合材 料的重要特征。而现如今复合材料被广泛的运用在各行各业中，例如先进的复合材料在超 音速飞机、高速列车和水下核潜艇等高温高压环境中的应用，而振动、噪声和冲击环境对复 合材料的影响是不容忽视的，这些不良因素是复合材料结构疲劳与损伤、安全寿命缩短的 最直接原因。因此了解复合材料的内在阻尼机制就显得十分有必要了，而复合材料的动态 粘弹性能作为能反映材料的内在阻尼的力学特性，所以了解复合材料的动态粘弹性能以及 对复合材料动态粘弹性能进行快速而有效的评价就显得尤为重要了。
[0003] 现有超声检测技术已广泛应用，但基本是探头与复合材料接触式的探测方式，探 头会污染复合材料，会造成亦损害的评价。本发明人通过对材料学与空气耦合超声检测技 术的基本理论推导出来的一种新的对复合材料的动态粘弹性能进行评价的超声波评价方 法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种对复合材料的动态粘弹性进行评价的方法，该方法可 以快速、有效的对材料动态粘弹性进行评价。
[0005] 本发明是这样来实现的，一种对复合材料的动态粘弹性进行评价的方法，其步骤 为：
[0006] 步骤一：将一发一收两空气耦合平板探头相对放置，并且记录此时两探头之间的 间距ft和将此时接收到的超声波山记录下来；
[0007] 步骤二:然后改变两空气耦合平板探头之间的间距，并记录两空气耦合平板探头 之间的间距H2和保存此时接收到的超声波U 2;
[0008] 步骤三:然后对波形山和波形U2进行FFT变换，得到的波形山和波形U2的频谱，然后 通过计算公式计算超声波在空气中的衰减系数ai(f);
[0009] 其中计算超声波在空气中的衰减系数&1(〇的计算公式如下所示：
[0011]其中：山⑴--对接收到的超声波山进行FFT变换后的计算结果；
[0012] U2(f) -一对接收到的超声波U2进行FFT变换后的计算结果；
[0013] Hi 一一探头接收超声波山时，两探头之间的间距。
[0014] H2一一探头接收超声波1]2时，两探头之间的间距。
[0015] 步骤四：再将空气耦合平板发射，探头垂直的放在复合材料的上方，检测模式设为 Echo模式，并且此时空气耦合平板激发探头与复合材料上表面的距离为出/2,并记录空气 耦合平板激发探头所接收到的复合材料的表面反射波Ur;
[0016] 步骤五:将一发一收两空气耦合平板探头相对放置，记录此时所接收到的超声波 Ua，然后将复合材料放在一发一收两空气耦合平板探头之间，并且一发一收两空气耦合平 板探头与复合材料表面想垂直，记录此时所接收到的超声波Ub ;
[0017] 步骤六:然后对波形UA和波形UB进行FFT变换，得到的波形UA和波形U B的频谱，最后 通过计算公式分别求出超声波在复合材料中的衰减系数a(f)、相速度V和损耗角正切值tan S;其中计算公式如下所示：
[0022]其中
r(f)--对接收到的超声波Ur进行FFT变换后的计算结果；
[0023] Ui(f)一一对接收到的超声波山进行FFT变换后的计算结果；
[0024] A(f)一一对超声波Ua进行FFT变换后的计算结果；
[0025] B(f)一一对超声波Ub进行FFT变换后的计算结果；
[0026] 其中
[0027] Im[(A(f))]--信号Ua频谱的虚部；
[0028] Re[(A(f))] 一一信号Ua频谱的实部；
[0029] Im[(B(f))]--信号Ub频谱的虚部；
[0030] Re[(B(f))] 一一信号Ub频谱的实部；
[0031] T--波形UA和UB在FFT变换时，取出波形的开始时间差，T = tB-tA。
[0032] h一一复合材料的厚度；
[0033] 〇--角频率（〇=2对）；
[0034] Va--空气中的波速；
[0035] p--材料的密度；
[0036] E，--储能模量；
[0037] E"一一损耗模量；
[0038] VP(f)一一相速度；
[0039] Va--空气中的声速；
[0040] 步骤七:最后对损耗角正切值tanS进行分析，根据分析结果来评价复合材料的动 态粘弹性能。
[0041] 本发明采用的是空气耦合超声检测技术，通过采用这种检测技术，可以实现对于 复合材料的动态粘弹性进行快速和无损害的评价。本方法的两空气耦合平板探头与复合材 料不相接触，避免两空气耦合平板探头对复合材料的污染，从而实现了无损害的评价。本方 法采用了高灵敏度的空气耦合平板探头，通过采用这种探头，可以提高检测灵敏度和分辨 率，其目的为:在评价过程中，提高信号的信噪比，避免噪声信号对最后检测结果的干扰，从 而实现对复合材料的动态粘弹性进行快速且有效的评价。因此解决了使用常规动态粘弹性 能评价技术对材料的动态粘弹性评价效率低、对材料产生损害等问题。
【附图说明】：
[0042]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0043]图1是本发明的一发一收空气耦合平板探头之间距离改变前的放置示意图；
[0044] 图2是本发明的一发一收空气耦合平板探头之间距离改变后的放置示意图；
[0045] 图3是本发明空气耦合平板激发探头接收材料界面反射波的示意图；
[0046] 图4是本发明复合材料动态粘弹性评价时，不放入材料接收入射波的示意图；
[0047] 图5是本载明复合材料动态粘弹性评价时，放入材料接收入射波的示意图；
[0048]图6是本发明求超声波在空气中的衰减系数m(f)时，接收到的波形山示意图；
[0049] 图7是本发明求超声波在空气中的衰减系数m(f)时，接收到的波形1]2示意图；
[0050] 图8是本发明求超声波在空气中的衰减系数ai(f)时，对接收到的波形山和波形U2 进行其FFT变换后的结果示意图；
[0051 ]图9是本发明对复合材料进行动态粘弹性评价时，接收到的波形UA示意图；
[0052]图10是本发明对复合材料进行动态粘弹性评价时，接收到的波形UB示意图；
[0053]图11是本发明对复合材料进行动态粘弹性评价时，接收到的波形UA和波形UB进行 FFT变换后的结果示意图；
[0054]图12是本发明超声波在空气中的衰减系数m(f)示意图；
[0055]图13是本发明超声波在材料中的衰减系数a(f)示意图；
[0056]图14是本发明的相速度的示意图；
[0057]图15材料损耗角正切值tanS的示意图。
[0058]图标说明：101.空气耦合平板发射探头；
[0059] 102.空气耦合平板接收探头；
[0060] 201.碳纤维增强复合材料实验试样。
【具体实施方式】
[0061]为使本发明实施的目的、特点和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例作详细的说明。
[0062]结合本发明方法的内容提供以下实验测试得到的实施例：
[0063] 1)如图3、图4所示，制作一块碳纤维增强复合材料实验试样101(被评价的材料）， 其中，试样的大小为:50*40*5.2(mm)。
[0064] 2)采用晶片大小为20*14(mm)、频率为400KHz的高灵敏度的空气耦合平板发射探 头101、空气耦合平板接收探头102。
[0065] 步骤一:如图1-6所示，将空气耦合平板发射探头101、空气耦合平板接收探头102 相对放置，并且记录此时空气耦合平板发射探头101、空气耦合平板接收探头102之间的间 距出和将此时接收到的超声波山记录下来；
[0066] 步骤二:如图1-5、图7所示，然后改变空气耦合平板发射探头101、空气耦合平板接 收探头102相对放置之间的间距，并记录空气耦合平板发射探头101、空气耦合平板接收探 头102之间的间距H 2和保存此时接收到的超声波U2;
[0067] 步骤三：如图8所示，然后对波形山和波形U2进行FFT变换，得到的波形山和波形U 2 的频谱;然后通过计算公式计算超声波在空气中的衰减系数&1(〇;其中计算超声波在空气 中的衰减系数ai(f)的计算公式如下所示：
[0069]其中：lMf)--对接收到的超声波山进行FFT变换后的计算结果；
[0070] U2(f)一一对接收到的超声波U2进行FFT变换后的计算结果；
[0071] Hi一一探头接收超声波山时，两探头之间的间距；
[0072] H2一一探头接收超声波1]2时，两探头之间的间距；
[0073]步骤四：如图3所示，再将空气耦合平板发射，探头(是不是所述的空气耦合平板发 射探头101)垂直的放在复合材料的上方，检测模式设为E-eho模式，并且此时空气耦合平板 发射，探头与碳纤维增强复合材料实验试样201上表面的距离为出/2,并记录碳纤维增强复 合材料实验试样201所接收到的复合材料的表面反射波U r;
[0074]步骤五：如图4、图5、图9、图10所示，将空气耦合平板发射探头101、空气耦合平板 接收探头102相对放置，记录此时所接收到的超声波UA，然后将碳纤维增强复合材料实验试 样201放在空气耦合平板发射探头101、空气耦合平板接收探头102之间，并且空气耦合平板 发射探头101、空气耦合平板接收探头102与碳纤维增强复合材料实验试样201表面想垂直， 记录此时所接收到的超声波Ub ;
[0075] 步骤六:如图4、图5、图9-图14所示，然后对波形Ua和波形UB进行FFT变换，得到的波 形Ua和波形UB的频谱，最后通过计算公式分别求出超声波在碳纤维增强复合材料实验试样 201中的衰减系数a(f)、相速度V和损耗角正切值tanS;其中计算公式如下所示：
[0080]其中 r(f)--对接收到的超声波Ur进行FFT变换后的计算结果；
[0081 ] Ui(f)一一对接收到的超声波山进行FFT变换后的计算结果；
[0082] A⑴一一对超声波Ua进行FFT变换后的计算结果；
[0083] B (f) -一对超声波UB进行FFT变换后的计算结果；
[0084]其中1
[0085] Im[(A(f))]--信号Ua频谱的虚部；
[0086] Re[(A(f))] 一一信号Ua频谱的实部；
[0087] Im[(B(f))]--信号UB频谱的虚部；
[0088] Re[(B(f))] 一一信号UB频谱的实部；
[0089] T--波形Ua和UB在FFT变换时，取出波形的开始时间差，T = tB-tA。
[0090] h一一复合材料的厚度；
[0091 ] 〇--角频率（〇=2对）；
[0092] Va--空气中的波速；
[0093] p--材料的密度；
[0094] E，--储能模量；
[0095] E"一一损耗模量；
[0096] VP(f)一一相速度；
[0097] Va--空气中的声速；
[0098] 步骤七:最后对损耗角正切值tanS进行分析，根据分析结果来评价复合材料的动 态粘弹性能。
[0099] 本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0100] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干的改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
[0101] 检测步骤如下：
[0102] 步骤一:如图1所示，将两探头间距分别为出和出下，接收到的超声波分别记为波形 Ui和波形U2。然后对波形山和波形U 2进行FFT变换，得到的波形山和波形U2的频谱，如图5所 不。
[0103] 步骤二:根据超声波在空气中的衰减系数ai(f)的计算公式，计算超声波在空气衰 减系数ai(f)，其结果如图7所示。
[0104] 其中计算超声波在空气中衰减系数m(f)的公式如下所示：
[0106] 步骤三:如图2所示，将接收到的超声波保存为Ur，并对其进行FFT变换；
[0107] 步骤四：如图3和4所示，在两探头之间不放入材料和放入材料时，探头所接收到的 超声波分别记为波形Ua和UB，然后对波形Ua和U B进行FFT变换，得到波形Ua和UB的频谱，其结 果如图6所示。
[0108]步骤五:最后将上面得到的结果，带到下面的计算公式中，分别求出超声波在材料 中的衰减系数(a(f))、相速度(V)和损耗角正切值(tanS);其中计算公式如下所示：
[0112] 得到的超声波在材料中的衰减系数a(f)、相速度和损耗角正切值tanS的结果如图 7和8所示。
[0113] 步骤六:最后对损耗角正切值(tanS)进行分析，根据分析结果来评价复合材料的 动态粘弹性能。
【主权项】
1. 一种对复合材料的动态粘弹性进行评价的超声波评价方法，其步骤为： 步骤一:将一发一收两空气禪合平板探头相对放置，并且记录此时两探头之间的间距化 和将此时接收到的超声波化记录下来； 步骤二：然后改变两空气禪合平板探头之间的间距，并记录两空气禪合平板探头之间 的间距出和保存此时接收到的超声波化； 步骤然后对波形化和波形化进行FFT变换，得到的波形化和波形化的频谱，然后通过 计算公式计算超声波在空气中的衰减系数ai(f); 步骤四：再将空气禪合平板发射，探头垂直的放在复合材料的上方，检测模式设为Echo 模式，并且此时空气禪合平板激发探头与复合材料上表面的距离为出/2,并记录空气禪合 平板激发探头所接收到的复合材料的表面反射波Ur; 步骤五:将一发一收两空气禪合平板探头相对放置，记录此时所接收到的超声波Ua,然 后将复合材料放在一发一收两空气禪合平板探头之间，并且一发一收两空气禪合平板探头 与复合材料表面想垂直，记录此时所接收到的超声波化； 步骤六:然后对波形Ua和波形Ub进行FFT变换，得到的波形Ua和波形Ub的频谱，最后通过 计算公式分别求出超声波在复合材料中的衰减系数a(f)、相速度V和损耗角正切值tanS; 步骤屯:最后对损耗角正切值tanS进行分析，根据分析结果来评价复合材料的动态粘 弹性能。2. 根据权利要求1所述的一种对复合材料的动态粘弹性进行评价的超声波评价方法， 其特征在于：步骤=中计算超声波在空气中的衰减系数ai(f)的计算公式如下所示：其中:Ui(f)-一对接收到的超声波化进行FFT变换后的计算结果； U2(f)一一对接收到的超声波化进行FFT变换后的计算结果； 化一一探头接收超声波化时，两探头之间的间距； 出一一探头接收超声波化时，两探头之间的间距。3. 根据权利要求1所述的一种对复合材料的动态粘弹性进行评价的超声波评价方法， 其特征在于:所述步骤六中计算公式如下所示：其牛一对接收到的超声波Ur进行FFT变换后的计算结果； Ui(f)--对接收到的超声波化进行FFT变换后的计算结果； A(f)一一对超声波Ua进行FFT变换后的计算结果； B(f)--对協亩妮Ur讲斤FFT巧梅后的计當结罢， 其中Im[(A(f))]-信号Ua频谱的虚部； Re[(A(f))]-信号Ua频谱的实部； Im[(B(f))] 一一信号化频谱的虚部； Re[(B(f))]-信号Ub频谱的实部； T--波形UA和UB在FFT变换时，取出波形的开始时间差，T = tB-tA; h-一复合材料的厚度； O--角频率（O =2灶）； Va--空气中的波速； P-一材料的密度； E'一储能模量； E"-一损耗模量； Vp(f)-相速度； Va--空气中的声速。
【文档编号】G01N29/11GK105911148SQ201610224731
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】常俊杰, 魏强
【申请人】南昌航空大学