CN109507297B - 一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法 - Google Patents

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Abstract

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、建筑等领域中确定复合材料超声‑声发射检出缺陷深度的方法。本发明首先制备厚度标定试块，然后，获取试块厚度参考信号并校验缺陷深度，最后，确定检出缺陷的深度。本发明利用声波的传播行为与被检测材料或结构中的缺陷之间的时域联系，通过采用改进后的超声‑声发射信号的时域脉冲特性，提高超声‑声发射纵向分辨率，更加有利于准确地确定检出缺陷的深度；更加容易实现，非常快捷、易于操作和掌握，具有更好的工程检测应用适用性；更加有利于用于检测结果的质量控制，从而更加有利于超声‑声发射方法的推广应用和在工程上发挥作用。

Description

一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法
技术领域
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、建筑等领域中确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法。
背景技术
因超声-声发射信号源来自被检测零件或结构内部，对缺陷的取向性不敏感，具有更强的穿透能力，因而在航空航天、兵器、电子、船舶、冶金、石化石油、交通、建筑等领域得到了许多独特的应用，其中一个重要应用是用于复合材料和金属材料结构的缺陷检测。
目前采用的超声-声发射检测方法的显著不足是：利用换能器接收来自缺陷的声发射信号，可以大致确定检出缺陷距离接收换能器的水平距离，但难以确定检出缺陷的深度，而且由于传统超声-声发射检测信号的时域脉冲特性差，分辨率率，也难以用于准确地确定检出缺陷的深度，更不能确定检出缺陷，如分层缺陷，在复合材料结构的铺层深度位置，从而难以满足复合材料检测等领域对检出缺陷准确定深的要求，进而限制了超声-声发射方法的检测应用，而采用传统超声测厚原理进行检出缺陷深度确定，需要先利用已知厚度的试块进行声速测量，容易带入声速测量带来的偏差。作为一种改进方法，就是利用声波的传播行为与被检测材料或结构中的缺陷之间的时域联系，通过改进超声-声发射信号的时域脉冲特性，提高超声-声发射纵向分辨率，同时降低声速测量带来的偏差，进而实现对检出缺陷进行准确定深。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，利用高分辨率脉冲超声-声发射信号的在被检测材料或结构厚度方向的传播行为，构建一种快速确定超声-声发射检出缺陷深度的方法。
本发明的技术解决方案是，实现该方法的检测***主要由发射换能器、超声发射单元、接收换能器、声发射接收单元、信号处理单元、扫描单元、显示单元组成，其中：
发射换能器产生激励超声波P1，此激励超声波P1通过耦合介质传播到被检测复合材料结构中，在被检测复合材料结构内部形成声发射应力波，
接收换能器接收来自当被检测复合材料结构内部缺陷的发射声波E1，
超声发射单元产生超声激励信号，激励发射换能器产生激励超声波P1，
声发射接收单元对来自接收换能器的声发射信号进行预处理，
信号处理单元对经过声发射接收单元预处理后的接收换能器的声发射信号进行数字化处理，用于超声-声发射缺陷判别、定量定位分析以及检测结果的成像，
扫描单元用于控制发射换能器和接收换能器对被检测复合材料结构进行扫描，显示单元用于对每个扫描检测位置的声发射信号和位置信号进行重构，形成声发射显示信号和或者图像信号，并进行超声-声发射检测结果的显示、记录、存贮、分析，
1)厚度标定试块的制备
采用与被检测复合材料成型工艺、材料相同的复合材料，制备厚度为H的厚度标定试块，厚度标定试块为等厚平板外形，在厚度标定试块内部不同深度位置预制有4个大小相同的缺陷F1、F2、F3、F4，其大小根据被检测复合材料结构的检测要求选择，缺陷F1、F2、F3、F4的中心点在厚度标定试块平面方向彼此相距L1，缺陷F1、F2、F3、F4的中心点距厚度标定试块边缘近端的边缘的最小距离不小于L1，其中，
缺陷F1、F2距厚度标定试块表面的深度均为H1，
缺陷F3和F4在厚度标定试块的厚度方向的深度相距H1，其中，缺陷F3与缺陷F1、F2在厚度标定试块的厚度方向的深度相距H1，缺陷F4距厚度标定试块表面的深度为H1；
厚度标定试块的厚度H＝3H1；
2)厚度参考信号的获取
将发射换能器和接收换能器移至厚度标定试块中缺陷F3的上方，移动其位置，观察显示单元屏幕显示的声发射信号，使来自F3的声发射信号最大，记录和标记此时来自缺陷F3的声发射信号在显示单元中的显示屏幕的时间水平刻度T3，并记录和标记此时显示单元中的时间测量记录起点T0；
然后，将发射换能器和接收换能器移至厚度标定试块中缺陷F4的上方，移动其位置，观察显示单元屏幕显示的声发射信号，使来自缺陷F4的声发射信号最大，记录和标记此时来自F4的声发射信号在显示单元中的显示屏幕的时间水平刻度T4；
3)缺陷深度校验
分别移动发射换能器和接收换能器至厚度标定试块中缺陷F1和F2的上方，分别观察显示单元屏幕显示的声发射信号，使来自缺陷F1和F2的声发射信号最大，分别记录和标记此时来自缺陷F1和F2的声发射信号在显示单元中的显示屏幕的时间水平刻度T1和T2，将t＝T1和t＝T2分别代入式(1)计算得到缺陷F1的深度h1和缺陷F2的深度h2，其中，
缺陷F1的深度h1＝h(t＝T1)和缺陷F2的深度h2＝h(t＝T2)，
Figure BDA0001900844740000031
这里，t为来自缺陷的声发射信号所对应的时间水平刻度，对应显示单元中显示和记录的时间，
当h1和h2满足式(2)，缺陷深度校验满足要求，否则，重新移动发射换能器和接收换能器至厚度标定试块中缺陷F1和F2上方，利用显示单元屏幕显示的来自缺陷F1和F2的声发射信号，重新按照式(1)分别计算缺陷F1的深度h1和缺陷F2的深度h2，直到满足式(2)要求为止。
hi∈(H1-Δh,H1+Δh) (2)
这里，i＝1,2，Δh为设定的缺陷在厚度方向的深度定位偏差，由被检测复合材料结构和工艺以及检测要求确定。
4)确定检出缺陷的深度
移动发射换能器和接收换能器至被检测复合材料结构检出缺陷的上方，使来自检出缺陷的声发射信号最大，在显示单元屏幕获取对应此最大声发射信号的时间水平刻度t，按式(1)确定被检测复合材料结构检出缺陷深度h。
所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，在显示单元上的时间水平刻度为人工读取或自动读取。
所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，对于复合材料层压结构，Δh在0.12-0.60mm之间选择，用于不同被检测复合材料结构对检出缺陷深度定位要求。
所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，对于复合材料层压结构，厚度标定试块中的缺陷深度H1在
Figure BDA0001900844740000032
之间选择，且使缺陷距离厚度标定试块表面的深度距离不小于2个铺层数，且这里N为复合材料结构铺层数。
所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，厚度标定试块中的缺陷大小根据被检测复合材料结构的检测要求选择，在3mm-20mm之间选择，缺陷的形状为圆形或矩形。
所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，发射换能器和接收换能器选择分离式超声-声发射换能器和集成式超声-声发射换能器，选择接触或非接触耦合方式。
所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，适用于其它基于声波传播行为进行缺陷检测的超声方法中检出缺陷的深度确定。
本发明具有的优点和有益效果，
1)本发明具有的优点和有益效果是利用声波的传播行为与被检测材料或结构中的缺陷之间的时域联系，通过采用改进后的超声-声发射信号的时域脉冲特性，提高超声-声发射纵向分辨率，更加有利于准确地确定检出缺陷的深度；
2)利用本发明，不需进行额外的声速测量，即可准确地确定检出缺陷的深度，克服了由于声速测量带来的测量偏差，进而准确地确定检出缺陷的深度，实现对超声-声发射检出缺陷的深度进行准确定位，显著提高了检出缺陷深度确定的准确性；
3)本发明构建的基于厚度参考试块的缺陷深度校验方法，更加容易实现，非常快捷、易于操作和掌握，具有更好的工程检测应用适用性；
4)本发明构建的基于厚度参考试块的缺陷深度校验方法，更加有利于所确定的检出缺陷深度数据的量值传递，更加有利于用于检测结果的质量控制，从而更加有利于超声-声发射方法的推广应用和在工程上发挥作用。
附图说明
图1本发明的检测***基本构成与原理示意图
图2本发明中的厚度参考试块及缺陷分布示意图
具体实施方式
实现该方法的检测***主要由发射换能器1、超声发射单元2、接收换能器3、声发射接收单元4、信号处理单元5、扫描单元6、显示单元7组成，参见图1所示，其中：
发射换能器1产生激励超声波P1，此激励超声波P1通过耦合介质传播到被检测复合材料结构8中，在被检测复合材料结构8内部形成声发射应力波，
接收换能器3接收来自当被检测复合材料结构8内部缺陷8A的发射声波E1，
超声发射单元2产生超声激励信号，激励发射换能器1产生激励超声波P1，
声发射接收单元4对来自接收换能器3的声发射信号进行预处理，
信号处理单元5对经过声发射接收单元4预处理后的接收换能器3的声发射信号进行数字化处理，用于超声-声发射缺陷判别、定量定位分析以及检测结果的成像，
扫描单元6用于控制发射换能器1和接收换能器3对被检测复合材料结构8进行扫描，显示单元7用于对每个扫描检测位置的声发射信号和位置信号进行重构，形成声发射显示信号和或者图像信号，并进行超声-声发射检测结果的显示、记录、存贮、分析，
1)厚度标定试块的制备
采用与被检测复合材料成型工艺、材料相同的复合材料，制备厚度为H的厚度标定试块，厚度标定试块为等厚平板外形，在厚度标定试块内部不同深度位置预制有4个大小相同的缺陷F1、F2、F3、F4，其大小根据被检测复合材料结构8的检测要求选择，缺陷F1、F2、F3、F4的中心点在厚度标定试块平面方向彼此相距L1，缺陷F1、F2、F3、F4的中心点距厚度标定试块边缘近端的边缘的最小距离不小于L1，参见图2所示，其中，
缺陷F1、F2距厚度标定试块表面的深度均为H1，参见图2所示，
缺陷F3和F4在厚度标定试块的厚度方向的深度相距H1，其中，缺陷F3与缺陷F1、F2在厚度标定试块的厚度方向的深度相距H1，缺陷F4距厚度标定试块表面的深度为H1，参见图2所示；
厚度标定试块的厚度H＝3H1；
2)厚度参考信号的获取
将发射换能器1和接收换能器3移至厚度标定试块中缺陷F3的上方，移动其位置，观察显示单元7屏幕显示的声发射信号，使来自F3的声发射信号最大，记录和标记此时来自缺陷F3的声发射信号在显示单元7中的显示屏幕的时间水平刻度T3，并记录和标记此时显示单元7中的时间测量记录起点T0；
然后，将发射换能器1和接收换能器3移至厚度标定试块中缺陷F4的上方，移动其位置，观察显示单元7屏幕显示的声发射信号，使来自缺陷F4的声发射信号最大，记录和标记此时来自F4的声发射信号在显示单元7中的显示屏幕的时间水平刻度T4；
3)缺陷深度校验
分别移动发射换能器1和接收换能器3至厚度标定试块中缺陷F1和F2的上方，分别观察显示单元7屏幕显示的声发射信号，使来自缺陷F1和F2的声发射信号最大，分别记录和标记此时来自缺陷F1和F2的声发射信号在显示单元7中的显示屏幕的时间水平刻度T1和T2，将t＝T1和t＝T2分别代入式(1)计算得到缺陷F1的深度h1和缺陷F2的深度h2，其中，
缺陷F1的深度h1＝h(t＝T1)和缺陷F2的深度h2＝h(t＝T2)，
Figure BDA0001900844740000051
这里，t为来自缺陷的声发射信号所对应的时间水平刻度，对应显示单元7中显示和记录的时间，
当h1和h2满足式(2)，缺陷深度校验满足要求，否则，重新移动发射换能器1和接收换能器3至厚度标定试块中缺陷F1和F2上方，利用显示单元7屏幕显示的来自缺陷F1和F2的声发射信号，重新按照式(1)分别计算缺陷F1的深度h1和缺陷F2的深度h2，直到满足式(2)要求为止。
hi∈(H1-Δh,H1+Δh) (2)
这里，i＝1,2，Δh为设定的缺陷在厚度方向的深度定位偏差，由被检测复合材料结构和工艺以及检测要求确定。
4)确定检出缺陷的深度
移动发射换能器1和接收换能器3至被检测复合材料结构8检出缺陷的上方，使来自检出缺陷的声发射信号最大，在显示单元7屏幕获取对应此最大声发射信号的时间水平刻度t，按式(1)确定被检测复合材料结构8检出缺陷深度h。
在显示单元7上的时间水平刻度为人工读取或自动读取。
对于复合材料层压结构，Δh在0.12-0.60mm之间选择，用于不同被检测复合材料结构对检出缺陷深度定位要求。
对于复合材料层压结构，厚度标定试块中的缺陷深度H1在
Figure BDA0001900844740000061
之间选择，且使缺陷距离厚度标定试块表面的深度距离不小于2个铺层数，且这里N为复合材料结构铺层数。
厚度标定试块中的缺陷大小根据被检测复合材料结构8的检测要求选择，在3mm-20mm之间选择，缺陷的形状为圆形或矩形。
发射换能器1和接收换能器3选择分离式超声-声发射换能器和集成式超声-声发射换能器，选择接触或非接触耦合方式。
适用于其它基于声波传播行为进行缺陷检测的超声方法中检出缺陷的深度确定。
实施例
采用本发明中的确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，选择中航复合材料有限责任公司生产的高分辨率A-U超声-声发射换能器，利用中航复合材料有限责任公司生产的MUT-1、CUS-21J作为超声-声发射检测仪器单元，以碳纤维复合材料层压结构，分别制备了两种厚度参考试块，缺陷F1、F2、F3、F4直径分别选择3mm、9mm两种不同规格，
H＝3mm，对应铺层数分别为24，单个铺层的标称厚度约0.125mm，H1＝6个铺层厚度，
H＝20mm，对应铺层数分别为160，单个铺层的标称厚度约0.125mm，H1＝40个铺层厚度，
按照本发明的检出缺陷校验方法和步骤，对5mm、10mm、40mm和50mm碳纤维复合材料结构进行了系列的实际检测应用，对检出的缺陷进行了深度确定，实际检测应用效果表明，可以非常方便快速地确定检出缺陷的深度。

Claims (7)

1.一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，实现该方法的检测***主要由发射换能器(1)、超声发射单元(2)、接收换能器(3)、声发射接收单元(4)、信号处理单元(5)、扫描单元(6)、显示单元(7)组成，其中：
发射换能器(1)产生激励超声波(P1)，此激励超声波(P1)通过耦合介质传播到被检测复合材料结构(8)中，在被检测复合材料结构(8)内部形成声发射应力波，
接收换能器(3)接收来自当被检测复合材料结构(8)内部缺陷(8A)的发射声波(E1)，
超声发射单元(2)产生超声激励信号，激励发射换能器(1)产生激励超声波(P1)，
声发射接收单元(4)对来自接收换能器(3)的声发射信号进行预处理，
信号处理单元(5)对经过声发射接收单元(4)预处理后的接收换能器(3)的声发射信号进行数字化处理，用于超声-声发射缺陷判别、定量定位分析以及检测结果的成像，
扫描单元(6)用于控制发射换能器(1)和接收换能器(3)对被检测复合材料结构(8)进行扫描，显示单元(7)用于对每个扫描检测位置的声发射信号和位置信号进行重构，形成声发射显示信号和图像信号，并进行超声-声发射检测结果的显示、记录、存贮、分析，其特征是，
1)厚度标定试块的制备
采用与被检测复合材料成型工艺、材料相同的复合材料，制备厚度为H的厚度标定试块，厚度标定试块为等厚平板外形，在厚度标定试块内部不同深度位置预制有4个大小相同的缺陷F1、F2、F3、F4，其大小根据被检测复合材料结构(8)的检测要求选择，缺陷F1、F2、F3、F4的中心点在厚度标定试块平面方向彼此相距L1，缺陷F1、F2、F3、F4的中心点距厚度标定试块边缘近端的边缘的最小距离不小于L1，其中，
缺陷F1、F2距厚度标定试块表面的深度均为H1，
缺陷F3和F4在厚度标定试块的厚度方向的深度相距H1，其中，缺陷F3与缺陷F1、F2在厚度标定试块的厚度方向的深度相距H1，缺陷F4距厚度标定试块表面的深度为H1；
厚度标定试块的厚度H＝3H1；
2)厚度参考信号的获取
将发射换能器(1)和接收换能器(3)移至厚度标定试块中缺陷F3的上方，移动其位置，观察显示单元(7)屏幕显示的声发射信号，使来自F3的声发射信号最大，记录和标记此时来自缺陷F3的声发射信号在显示单元(7)中的显示屏幕的时间水平刻度T3，并记录和标记此时显示单元(7)中的时间测量记录起点T0；
然后，将发射换能器(1)和接收换能器(3)移至厚度标定试块中缺陷F4的上方，移动其位置，观察显示单元(7)屏幕显示的声发射信号，使来自缺陷F4的声发射信号最大，记录和标记此时来自F4的声发射信号在显示单元(7)中的显示屏幕的时间水平刻度T4；
3)缺陷深度校验
分别移动发射换能器(1)和接收换能器(3)至厚度标定试块中缺陷F1和F2的上方，分别观察显示单元(7)屏幕显示的声发射信号，使来自缺陷F1和F2的声发射信号最大，分别记录和标记此时来自缺陷F1和F2的声发射信号在显示单元(7)中的显示屏幕的时间水平刻度T1和T2，将t＝T1和t＝T2分别代入式(1)计算得到缺陷F1的深度h1和缺陷F2的深度h2，其中，
缺陷F1的深度h1＝h(t＝T1)和缺陷F2的深度h2＝h(t＝T2)，
Figure FDA0002914993420000021
这里，t为来自缺陷的声发射信号所对应的时间水平刻度，对应显示单元(7)中显示和记录的时间，
当h1和h2满足式(2)，缺陷深度校验满足要求，否则，重新移动发射换能器(1)和接收换能器(3)至厚度标定试块中缺陷F1和F2上方，利用显示单元(7)屏幕显示的来自缺陷F1和F2的声发射信号，重新按照式(1)分别计算缺陷F1的深度h1和缺陷F2的深度h2，直到满足(2)要求为止；
hi∈(H1-Δh,H1+Δh) (2)
这里，i＝1,2，Δh为设定的缺陷在厚度方向的深度定位偏差，由被检测复合材料结构和工艺以及检测要求确定；
4)确定检出缺陷的深度
移动发射换能器(1)和接收换能器(3)至被检测复合材料结构(8)检出缺陷的上方，使来自检出缺陷的声发射信号最大，在显示单元(7)屏幕获取对应此最大声发射信号的时间水平刻度t，按式(1)确定被检测复合材料结构(8)检出缺陷深度h。
2.根据权利要求1所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，其特征是，在显示单元(7)上的时间水平刻度为人工读取或自动读取。
3.根据权利要求1所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，其特征是，对于复合材料层压结构，Δh在0.12-0.60mm之间选择，用于不同被检测复合材料结构对检出缺陷深度定位要求。
4.根据权利要求1所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，其特征是，对于复合材料层压结构，厚度标定试块中的缺陷深度H1在
Figure FDA0002914993420000031
之间选择，且使缺陷距离厚度标定试块表面的深度距离不小于2个铺层数，且这里N为复合材料结构铺层数。
5.根据权利要求1所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，其特征是，厚度标定试块中的缺陷大小根据被检测复合材料结构(8)的检测要求选择，在3mm-20mm之间选择，缺陷的形状为圆形或矩形。
6.根据权利要求1所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，其特征是，采用两个分离式超声-声发射换能器分别实现发射换能器(1)和接收换能器(3)的功能，或者，采用一个集成式超声-声发射换能器同时实现发射换能器(1)和接收换能器(3)的功能，选择接触或非接触耦合方式。
7.根据权利要求1所述的一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法，其特征是，适用于基于声波传播行为进行缺陷检测的超声方法中检出缺陷的深度确定。
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