復(fù)合材料R區(qū)超聲相控陣檢測聲場仿真試驗(yàn)研究

王 松，王 錚，席 歡

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計、抗疲勞、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天、軌道交通等領(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)材料之一[1-3]。復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，材料的質(zhì)量可靠性要求不容忽視[4-5]。無損檢測是材料研制和生產(chǎn)過程中重要的質(zhì)量監(jiān)控手段，是開展高性能材料研制不可或缺的重要環(huán)節(jié)[6-8]。但是隨著復(fù)合材料在各種應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件不斷涌現(xiàn)，給無損檢測帶來了新的難題和挑戰(zhàn)。因此，隨著先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用，無損檢測技術(shù)的進(jìn)步成為一個永恒課題[9-12]。

R區(qū)結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料制件中常見結(jié)構(gòu)之一，容易產(chǎn)生架橋、褶皺、孔洞等缺陷。而且由于應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，其缺陷危害性更強(qiáng)。但是，R區(qū)結(jié)構(gòu)曲率大，聲入射耦合面小，聲波折射和散射現(xiàn)象復(fù)雜，導(dǎo)致常規(guī)超聲檢測靈敏度低、檢測盲區(qū)大、缺陷檢出率小，給復(fù)合材料制件的使用帶來較大隱患[13-14]。因此，國內(nèi)外學(xué)者紛紛針對這一問題開展無損檢測技術(shù)研究[15-18]。張冬梅等[17]對比了相控陣弧陣換能器和線陣換能器兩種檢測方式下的檢測能力，認(rèn)為這兩種形式陣列探頭檢測效果均優(yōu)于常規(guī)超聲單探頭，具有檢測效率高、覆蓋性好等優(yōu)勢。謝玲麗等[16]針對帶筋構(gòu)件R區(qū)多類型缺陷的快速檢測和精確識別等難題，提出基于分布式激光超聲的帶筋構(gòu)件R區(qū)缺陷檢測和分類識別方法，為帶筋構(gòu)件制造缺陷的快速檢測和分類識別提供了新思路。羅忠兵等[18]針對R區(qū)開展了彈性特性表征、有限元建模、聲場計算及試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為缺陷精準(zhǔn)辨識提供支持?，F(xiàn)有研究顯示，超聲相控陣技術(shù)是目前解決復(fù)合材料R區(qū)檢測難題的最佳手段[19-21]。

本文針對L型復(fù)合材料R區(qū)的超聲相控陣檢測，開展了不同聲束截面聲場分布規(guī)律研究，并對影響聲場分布的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 檢測原理

基于超聲相控陣的聲束聚焦和陣列掃查原理，采用曲面陣列探頭，晶片排列形式如圖1（a）所示。檢測時，使曲面陣列探頭的圓弧圓心與被檢測R區(qū)圓心重合，陣列探頭與R區(qū)相對位置如圖1（b）所示。1組晶片作為1個虛擬陣元發(fā)射聲波，利用陣列掃查依次激發(fā)所有晶片，實(shí)現(xiàn)R區(qū)全范圍聲束垂直入射檢測。

R區(qū)超聲相控陣檢測可以采用聚焦和非聚焦兩種方式，非聚焦檢測時，晶片組發(fā)射的聲束自然匯聚到曲面探頭與R區(qū)重合的圓心位置，然后再繼續(xù)向R區(qū)內(nèi)部傳播；聚焦檢測通常采用單點(diǎn)聚焦方式，即晶片組發(fā)射聲束依次聚焦在主聲束所在角度的某一深度位置，圖1（c）中的紅色曲線即為整個探頭的聚焦位置。

該方法在檢測時能夠同時進(jìn)行A掃描、B掃描和C掃描成像，并可直觀準(zhǔn)確地對缺陷尺寸進(jìn)行定量評價，消除了傳統(tǒng)超聲方法對R區(qū)檢測的弊端，如入射聲束不能完全與R區(qū)表面垂直 （圖2（a））、難以實(shí)現(xiàn)R區(qū)全覆蓋檢測 （圖2（b）），以及不能對缺陷準(zhǔn)確評定等。

圖2 常規(guī)超聲單探頭檢測R區(qū)聲束傳播情況舉例Fig.2 Example of sound beam propagation in R-zone using conventional ultrasonic single probe

2 仿真試驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1 試驗(yàn)方法

本文仿真試驗(yàn)檢測對象為碳纖維復(fù)合材料L型R區(qū)結(jié)構(gòu)，材料聲速設(shè)為2600 m/s，聲衰減設(shè)為0.8 dB/mm。內(nèi)圓曲率半徑為5 mm，開口角度為90°，層板厚度為6 mm。相控陣探頭為32晶片線陣，晶片沿曲率半徑14 mm的圓弧排列，圓心角為119°。晶片寬度0.5 mm、長度6 mm、間距0.1 mm。

采用CIVA聲場仿真軟件，聲波激勵信號中心頻率5 MHz，帶寬2.5 MHz，忽略材料各向異性影響，對沿R區(qū)圓弧和長度兩個方向截面的聲場分布進(jìn)行仿真。耦合方式采用有機(jī)玻璃楔塊耦合。R區(qū)取向示意圖如圖3所示。

圖3 R區(qū)取向示意圖Fig.3 Schematic diagram of R-zone orientation

此外，針對受檢測參數(shù)影響較大的沿R區(qū)圓弧方向截面，開展虛擬陣元晶片數(shù)目和晶片聚焦方式對聲場分布的影響研究，以及不同角度的虛擬陣元產(chǎn)生聲場的對比研究。

2.2 聲場分布仿真結(jié)果

以6個晶片為1個虛擬陣元，1個晶片為激發(fā)間隔，依次激發(fā)相控陣探頭中所有晶片，仿真檢測采用非聚焦方式。在沿R區(qū)圓弧方向截面，1個虛擬陣元產(chǎn)生的聲場分布如圖4所示，6 dB聲束范圍 （寬×深）約2.7 mm×6.0 mm，在不移動相控陣探頭的前提下，進(jìn)行陣列掃查，合成聲場分布如圖5所示。

圖4 1個虛擬陣元沿R區(qū)圓弧方向仿真聲場Fig.4 A virtual probe simulation sound field along the arc direction of R-zone

圖5 沿R區(qū)長度方向合成仿真聲場Fig.5 Synthetic simulation sound field along the extended direction of R-zone

由上述仿真結(jié)果可以看到，在沿R區(qū)圓弧方向截面，1個虛擬陣元發(fā)射的聲波首先匯聚于探頭與R角圓心的交點(diǎn)，再以該點(diǎn)為虛擬發(fā)射源向被檢測R區(qū)傳播，并近似垂直入射至對應(yīng)角度R區(qū)表面。晶片組依次激發(fā)，最終可實(shí)現(xiàn)R區(qū)全范圍聲束覆蓋。

在沿R區(qū)長度方向截面，1個虛擬陣元產(chǎn)生的聲場分布如圖6所示。6 dB有效聲束范圍 （寬×深）約為14.1 mm×5.9 mm。

圖6 1個虛擬陣元沿R區(qū)長度方向聲場分布Fig.6 Sound field distribution of a virtual probe along the extended direction of R-zone

由仿真結(jié)果分析，圖1形式的相控陣探頭在R角圓弧和長度兩個相互垂直方向截面的聲場分布特點(diǎn)不同。兩個截面中的6 dB聲束范圍在深度方向上基本能夠覆蓋被檢R區(qū)6 mm要求，而在各自截面的寬度方向上相差較大。其中，沿R角圓弧方向有效聲束寬度較小，而沿R角長度方向有效聲束寬度較大，這種聲場分布特點(diǎn)與線聚焦探頭有相似之處。

2.3 虛擬陣元晶片數(shù)目對聲場的影響

虛擬陣元晶片數(shù)目N是超聲相控陣檢測的一項(xiàng)重要參數(shù)，分別設(shè)置N為5、6、7、8，對不同晶片數(shù)目虛擬陣元在沿R角圓弧方向截面產(chǎn)生的聲場進(jìn)行仿真，聚焦方式為非聚焦。不同數(shù)目晶片的虛擬陣元聲場分布仿真結(jié)果如圖7所示，依次激發(fā)所有陣元產(chǎn)生的合成聲場分布仿真結(jié)果如圖8所示。表1對比分析了不同數(shù)目晶片虛擬陣元聲場的最大強(qiáng)度和6 dB有效聲束范圍。

表1 不同數(shù)目晶片的虛擬陣元產(chǎn)生聲場對比Table 1 Comparison of sound field produced by virtual probe with different number of elements

圖7 不同數(shù)目晶片的單個虛擬陣元聲場分布仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of sound field distribution of single virtual probe with different number of elements

圖8 不同數(shù)目晶片的虛擬陣元合成聲場分布仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of virtual probe synthetic sound field distribution with different number of elements

由仿真結(jié)果可以看到，1個虛擬陣元包含的晶片數(shù)目越多，聲場分布強(qiáng)弱差異越大，最大聲場強(qiáng)度越強(qiáng)，且位置越靠近表面；同時，6 dB聲束寬度增大，沿R區(qū)弧度方向分辨力變差，但6 dB聲束長度基本均可覆蓋6 mm厚度層板。

通過上述仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，針對聲場強(qiáng)度和分布角度，同時激發(fā)6或7個晶片檢測時，聲場強(qiáng)度總體較高，且聲場分布相對均勻；針對檢測分辨力和小缺陷評定，激發(fā)晶片數(shù)目越少 （本仿真試驗(yàn)為5晶片），沿R區(qū)圓弧方向聲束寬度越小，越有利于該方向的缺陷識別和評定。實(shí)際檢測時，可依據(jù)上述仿真得到的虛擬陣元晶片數(shù)量與聲場、分辨力的關(guān)系，針對具體被檢測對象材料衰減、厚度、最小檢測缺陷等情況合理選擇虛擬陣元數(shù)目。

2.4 聚焦方式對檢測聲場影響

以6個晶片為1個虛擬陣元，開展聲束聚焦與非聚焦檢測方式下檢測效果對比研究。設(shè)置虛擬陣元聚焦方式分別為單點(diǎn)聚焦于R區(qū)內(nèi)圓弧表面下1 mm、2 mm、3 mm、4 mm深度位置，對其聲場分布進(jìn)行仿真。同時與不設(shè)置聚焦方式的檢測聲場分布情況進(jìn)行對比。

圖9和10分別給出1個虛擬陣元聲場及探頭合成聲場的仿真結(jié)果，表2對比分析了圖9虛擬陣元產(chǎn)生聲場的最大聲場強(qiáng)度和6 dB有效聲束范圍，圖11和12分別對比了圖9虛擬陣元聲場在水平和垂直兩個方向的聲場強(qiáng)度曲線。

表2 1個虛擬陣元產(chǎn)生的最大聲場強(qiáng)度和6 dB有效聲束范圍對比Table 2 Comparison of the maximum sound field intensity and 6 dB effective sound beam range generated by a virtual probe

圖9 1個虛擬陣元不同聚焦深度及非聚焦方式下聲場分布Fig.9 Sound field distribution of a virtual probe under different focusing depths and non focusing modes

圖10 不同聚焦深度及非聚焦方式下合成聲場分布Fig.10 Synthetic sound field distribution under different focusing depths and non focusing modes

圖11 1個虛擬陣元聲場在水平方向的聲場強(qiáng)度曲線對比Fig.11 Comparison of sound field intensity curves of a virtual probe in the horizontal direction

圖12 1個虛擬陣元聲場在垂直方向的聲場強(qiáng)度曲線對比Fig.12 Comparison of sound field intensity curves of a virtual probe in the vertical direction

由以上仿真結(jié)果可知，聚焦聲場的最大聲場強(qiáng)度普遍高于非聚焦聲場，6 dB聲束寬度小于非聚焦聲場。但所有聚焦與非聚焦檢測方式下最大聲強(qiáng)差異不大于3 dB；焦點(diǎn)位于3 mm和4 mm時的聲束寬度最小，其他情況聲束寬度略大。聚焦檢測方式下，最大聲場強(qiáng)度增強(qiáng)，聲束寬度減小，有利于提高檢測信噪比。

2.5 不同角度虛擬陣元檢測聲場分布比較

以6個晶片為1個虛擬陣元，采用非聚焦檢測模式，分別模擬1～6、8～13、14～19、20～25、27～32 5組虛擬陣元的聲場分布，分析不同角度虛擬陣元聲場分布差異。圖13為上述5組晶片組成虛擬陣元的聲場分布，表3為不同角度虛擬陣元產(chǎn)生的最大聲場強(qiáng)度的對比。

表3 5個不同角度虛擬陣元產(chǎn)生的最大聲場強(qiáng)度對比Table 3 Comparison of the maximum sound field intensity generated by five virtual array elements from different angles

圖13 5個不同角度虛擬陣元檢測聲場分布Fig.13 Sound field distribution of five virtual array elements with different angles

以上仿真結(jié)果分析表明，5種角度虛擬陣元產(chǎn)生的聲場分布相似，最大聲場強(qiáng)度略有差異，近似中心（14～19晶片）的虛擬陣元最大聲強(qiáng)最強(qiáng)，兩側(cè)虛擬陣元隨偏轉(zhuǎn)角度增加最大聲強(qiáng)依次降低，5種虛擬陣元聲場的最大強(qiáng)度差不大于1 dB。

3 檢測試驗(yàn)

3.1 虛擬陣元不同晶片數(shù)目檢測效果比較

本檢測試驗(yàn)采用廣州多浦樂公司的Novascan 32/128超聲相控陣檢測儀和5 MHz曲面線陣探頭 （5C32-0.5×10-X51），檢測采用水耦合方式。被檢測試樣為厚度6 mm、內(nèi)圓弧曲率半徑5 mm、開口角度90°的L型R區(qū)有機(jī)玻璃，其聲速和聲衰減與碳纖維材料相近。試樣采用平底孔模擬分層缺陷，平底孔孔徑為3 mm，平底孔軸線與R區(qū)側(cè)邊的角度呈45°，埋深 （即平底孔孔底距離內(nèi)圓弧表面的距離）分別為1.0 mm、2.5 mm和4.5 mm，平底孔位置如圖14所示。

圖14 平底孔位置示意圖Fig.14 Schematic diagram of flat bottom hole position

檢測采用非聚焦模式，激勵信號為100 V負(fù)方波，虛擬陣元晶片數(shù)目分別選擇為4、6、8。圖15為不同埋深平底孔B掃描圖。3種晶片數(shù)目虛擬陣元檢測的平底孔埋深與增益值曲線如圖16所示，其增益值為將平底孔反射信號幅度調(diào)至檢測儀滿刻度80%時的檢測儀增益值。

圖15 3種晶片數(shù)目虛擬陣元檢測B掃描圖Fig.15 B-scan image of virtual array element detection for three types of chip numbers

圖16 3種晶片數(shù)目虛擬陣元檢測靈敏度曲線Fig.16 Sensitivity curves of virtual array element detection for three types of chip numbers

上述檢測試驗(yàn)中，晶片數(shù)量分別為4、6和8的虛擬陣元，均可實(shí)現(xiàn)R角中3種埋深φ3 mm平底孔檢測，檢測信噪比及分辨力均較佳。其中，晶片數(shù)目為4的虛擬陣元檢測，所用增益值相對較大，說明聲場能量偏弱；晶片數(shù)目為6的虛擬陣元檢測，3個平底孔所用增益值相對均較小，說明聲場能量整體較強(qiáng)；晶片數(shù)目為8的虛擬陣元，埋深較小的平底孔增益值居中，埋深較大的平底孔增益值較大，說明聲場能量較6晶片虛擬陣元弱，且能量分布沿厚度方向變化較大。

本試驗(yàn)驗(yàn)證的不同晶片虛擬陣元檢測聲場強(qiáng)度和均勻性分布規(guī)律，與2.3節(jié)仿真結(jié)果一致。

3.2 不同角度檢測效果比較

本試驗(yàn)采用法國M2M公司的Multi2000超聲相控陣檢測儀，配備廣州多浦樂公司的5 MHz曲面線陣探頭 （5C32-0.5×10-X51），檢測采用水耦合方式。

對厚度6 mm、曲率半徑5 mm、開口角度90°的L型碳纖維復(fù)合材料R區(qū)試樣進(jìn)行檢測，試樣中采用平底孔模擬分層缺陷，平底孔孔徑為3 mm，埋深約4 mm，平底孔軸線與R區(qū)一側(cè)直角邊的夾角分別為45°、60°、75°和90°。R區(qū)試樣中平底孔分布如圖17所示。

圖17 R區(qū)試樣中平底孔與直角邊對應(yīng)關(guān)系示意圖Fig.17 Schematic diagram of relationship between the flat bottom hole and the right angle edge in R-zone specimens

選擇6個晶片為一個虛擬陣元，以非聚焦檢測方式對R區(qū)試樣進(jìn)行陣列掃查檢測。R區(qū)試樣中不同角度平底孔超聲相控陣檢測的A掃描波形、B掃描圖像和扇形掃查圖像，如圖18所示。

圖18 R區(qū)試樣中不同角度平底孔檢測結(jié)果顯示Fig.18 Display of testing results for flat bottom holes at different angles in R-zone specimens

由檢測波形和圖像可知，4種角度平底孔均能有效檢出。45°、60°、75°、90°這4個角度平底孔反射波幅度達(dá)到顯示屏滿刻度80%時的增益值分別為47.5 dB、46.8 dB、58.1 dB和48.3 dB，除75°平底孔檢測增益值偏大外（反射幅度偏低），其他3個平底孔增益值相差不大，最大差值為1.5 dB。觀察75°平底孔扇形掃查圖像，在平底孔顯示上方的材料內(nèi)部有雜亂信號顯示，表明該處材料內(nèi)部可能存在彌散性缺陷，導(dǎo)致聲波發(fā)生衰減，從而造成該平底孔增益值偏高。

該試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了2.4節(jié)“不同角度虛擬陣元聲場分布相似”結(jié)論的合理性。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

（1）圓弧陣列探頭檢測R區(qū)時，在沿R區(qū)圓弧方向和長度方向聲場分布規(guī)律不同，必要時建議分別測量兩個方向的聲束寬度。

（2）虛擬陣元晶片數(shù)目會影響聲場分布，晶片數(shù)目越多，聲場分布強(qiáng)弱差異越大，最大聲場強(qiáng)度越強(qiáng)，且位置越靠近表面，6 dB聲束寬度越大。

（3）聚焦檢測方式下，最大聲場強(qiáng)度普遍高于非聚焦檢測方式，6 dB聲束寬度小于非聚焦聲場。

（4）弧形陣列探頭不同角度虛擬探頭產(chǎn)生聲場分布基本一致，中心組晶片的最大聲場強(qiáng)度最大。

（5）經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用超聲相控陣方法，利用圓弧陣列探頭，合理設(shè)置檢測參數(shù)，可以有效檢出R區(qū)不同角度、不同埋深、孔徑約3 mm的平底孔人工缺陷。