一种基于脉冲超声全息的复合材料缺陷判别方法技术

本发明专利技术属于无损检测技术领域，涉及一种基于脉冲超声全息的复合材料缺陷判别方法。本发明专利技术方法基于单周超声脉冲波信号与被检测复合材料相互作用，形成的反射单周超声脉冲波信号的幅值、相位及声程等全信息进行缺陷及其性质的判别，进行检出缺陷的定深，采用超声RF方式记录与显示检测信号，超声换能器与被检测复合材料之间采用软膜接触湿耦合，超声换能器的频率2‑10MHz之间，检测厚度范围为0.2～20mm。实际检测效果表明，显著减少了复合材料超声检测中的缺陷误判和漏判，大大提高复合材料超声检测的可靠性和缺陷判别的准确性。

A method of composite material defect identification based on pulse ultrasonic holography

The invention belongs to the technical field of nondestructive testing, and relates to a composite material defect discrimination method based on pulse ultrasonic holography. The method is based on one cycle of ultrasonic pulse wave signal and detected the interaction of composite materials, the formation of a single week reflected ultrasonic pulse discrimination information of defects and the nature of the full wave signal amplitude, phase and acoustic detection, defect depth, ultrasonic RF records and displays the detection signal, and the ultrasonic transducer by testing of composite materials with soft contact between the wet coupling between the ultrasonic transducer, the frequency of 2 10MHz, measuring the thickness range from 0.2 to 20mm. The actual test results show that the defects in the ultrasonic testing of composite materials are significantly reduced, and the reliability of ultrasonic testing and the accuracy of defect identification are greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于脉冲超声全息的复合材料缺陷判别方法
本专利技术属于无损检测
，涉及一种基于脉冲超声全息的复合材料缺陷判别方法。
技术介绍
目前在复合材料超声脉冲反射法检测时，主要基于接收到得脉冲回波信号进行无损检测，这里，Ar(ωrtr)表示回波信号的幅度，表示为回波信号的相位，ωr表示回波信号的角频率，tr为回波信号传播的时间。采用的缺陷判别方法主要是利用来自缺陷周围的回波信号的幅度Ar(ωrtr)的大小进行缺陷判别，检测信号采用视频(VF)或者射频(RF)显示或者C-扫描等图像形式显示。一方面，由于复合材料内部各向异性和微结构特点，即使其内部没有缺陷，也可能会产生“缺陷”信号显示，从而造成伪缺陷信号显示，导致误判；2)即使当检测信号中显示的“缺陷”信号幅度超过了预先设定的判别阈值，也不一定是缺陷；3)缺陷的类型(即性质)往往与回波信号的幅度关联性不明显。因此，根据检测信号的幅度属性进行复合材料缺陷检测与判别；另一方面，目前采用的常规脉冲超声检测仪器和换能器通常只能提供一个多周期的超声脉冲回波信号，对缺陷性质的变化引起的相位变化不明显，甚至难以检出，特别是针对层压复合材料结构，单个铺层厚度仅有0.13mm左右，对应超声波传播时间tr≈80ns，从而导致淹没在多周信号中，当超声频率f＝5MHz时，其脉冲周期tf＝200ns，当接收信号周期n＝3-5时，则其时域占宽T＝600-1000ns，此时，T＞＞tr，从而会使的变化完全淹没在其中，而无法检出的变化，理想的情况是使n→1。因此，其主要不足是：(1)仅根据检测信号的幅度及其大小难以确定缺陷的类型；(2)由于复合材料各向异性和多向组份物理复合的特点，容易造成误判。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对复合材料结构，提出一种不容易造成误判并能够确定缺陷类型的基于单周脉冲超声回波全息的复合材料缺陷判别方法。本专利技术的技术解决方案是，(一)检测与信号显示采用复合材料超声检测仪器对被检测复合材料进行接触反射法检测，检测信号通过复合材料超声检测仪器进行RF显示与记录，复合材料超声检测仪器包括，超声换能器、超声单元、RF信号显示单元，超声换能器通过高频连接电缆与超声单元连接，超声单元与RF信号显示单元相连，其中，超声换能器采用具有单周特性的超声换能器，超声单元采用具有单周脉冲方式激励和宽带RF信号处理功能的超声类的检测仪器或者超声单元，通过超声单元激励超声换能器，使超声换能器产生单周入射超声脉冲波信号再通过耦合介质与被检测复合材料相互作用，一部分周入射超声脉冲波信号在复合材料表面形成反射单周超声脉冲波信号另一部周入射超声脉冲波信号形成单周透射超声脉冲波信号继续在复合材料内部传播，在忽略声波在复合材料中的频散和衰减时，则有这里，AP(ωptp)、分别表示单周入射超声脉冲波信号的幅度和相位，Ak(ωktk)、分别表示单周透射超声脉冲波信号的幅度和相位，Af(ωftf)、分别表示反射单周超声脉冲波信号的幅度和相位，ωp≈ωk≈ωf＝ω，ω表示单周入射超声波信号的角频率，tp、tk、tf依次表示单周入射超声脉冲波信号、单周透射超声脉冲波信号和反射单周超声脉冲波信号的传播时间；ρ0、ν0分别表示耦合介质的密度和声速，ρ1、ν1分别表示被检测复合材料的密度和声速，(1)当复合材料内部没有缺陷时，单周透射超声脉冲波信号在复合材料底面形成单周反射超声脉冲波信号超声换能器接收到来自被检测复合材料的单周反射超声脉冲波信号(5)与反射单周超声脉冲波信号合成后的单周反射超声信号即这里，Af(ωftf)、分别表示在复合材料表面形成反射单周超声脉冲波信号的幅度和相位，Ab(ωbtb)、分别表示在复合材料底面形成反射单周超声脉冲波信号的幅度和相位，ωb≈ω表示单周超声脉冲波信号的角频率，tb表示单周反射超声脉冲波信号的传播时间；(2)当复合材料内部存在缺陷时，单周透射超声脉冲波信号在缺陷区形成单周反射超声脉冲波信号和超声换能器接收到来自被检测复合材料在缺陷区的单周反射超声脉冲波信号与缺陷区形成单周反射超声脉冲波信号(3和4)合成单周反射超声信号即其中，这里，Ad1(ωd1td1)、分别表示在缺陷区表面形成反射单周超声脉冲波信号的幅度和相位，在其他条件一定时，Ad1(ωd1td1)、与缺陷的性质有关，Ad2(ωd2td2)、分别表示在缺陷区底面形成单周反射超声脉冲波信号(4)的幅度和相位，在其他条件一定时，与缺陷的性质有关，ωd1≈ωd2≈ω表示单周反射超声脉冲波信号的角频率，td1、td2分别表示单周反射超声脉冲波信号的传播时间，此时缺陷区的单周透射超声脉冲波信号1’在缺陷区表面和底面形成的单周反射超声脉冲波信号和用(5)式和(6)式表示其中，这里，Rd1、Rd2分别表示单周透射超声脉冲波信号在缺陷区表面和底面的声压反射系数，ρ2、ν2分别表示缺陷区的密度和声速；缺陷距复合材料表面的距离，即深度用式(9)表示，(二)缺陷判别和缺陷类型确定根据RF信号显示单元显示的单周反射超声信号，利用式(2)～式(9)进行缺陷判别和缺陷类型判别：1)当ρ1＝ρ2、ν1＝ν2，由式(7)和(8)可知，Rd1＝0、Rd2＝0，则由式(5)和(6)可知，此时和则，根据式(2)，此时RF信号显示单元显示信号为：表明此时被检测复合材料内部没有缺陷；2)当ρ1＞ρ2、ν1＞ν2时，由式(7)和(8)可知，Rd1≠0、Rd2≠0，此时，RF信号显示单元显示信号表明此时被检测复合材料内部存在缺陷，根据式(7)和式(8)，相位相位出现双向翻转和双峰图形特征，表明此时被检测复合材料内部缺陷为富树脂区缺陷，其深度根据式(9)确定；3)当ρ1＜ρ2、ν1＜ν2，由式(7)和(8)可知，Rd1≠0、Rd2≠0，此时，RF信号显示单元显示信号表明此时被检测复合材料内部存在缺陷，根据式(7)和式(8)，相位相位出现与树脂区相反的双向翻转和双峰图形特征，表明此时被检测复合材料内部缺陷为高密度区夹杂，缺陷的深度根据式(9)确定；4)当ρ1＞＞ρ2、ν1＞＞ν2，由式(7)和(8)可知，Rd1→-1，此时，RF信号显示单元显示信号表明此时被检测复合材料内部存在缺陷，根据式(7)，相位相位呈现单向翻转和单峰图形特征，表明此时被检测复合材料内部缺陷为分层或者气孔，缺陷的深度根据式确定。超声换能器与被检测复合材料之间采用软膜接触湿耦合。超声换能器的脉冲频率2-10MHz之间。超声单元的增益可调、阻尼可调，带宽不小于40MHz。超声换能器和超声单元以及RF信号显示单元组合后的复合材料检测厚度范围为0.2～20mm。本专利技术具有的优点和有益效果，本专利技术方法基于单周超声脉冲波信号与被检测复合材料相互作用，形成的反射单周超声脉冲波信号的幅值、相位及声程等全信息进行缺陷及其性质的判别，进行检出缺陷的定深，采用超声RF方式记录与显示检测信号，超声换能器与被检测复合材料之间采用软膜接触湿耦合，超声换能器的频率2-10MHz之间，检测厚度范围为0.2～20mm。实际检测效果表明，显著减少了复合材料超声检测中的缺陷误判和漏判，大大提高复合材料超声检测的可靠性和缺陷判别的准确性。本专利技术利用高分辨率超声换能器和超声信号仪器发射/接收具有严格单周特性的超声全息信号，进而提取缺陷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脉冲超声全息的复合材料缺陷判别方法，其特征是，(一)检测与信号显示采用复合材料超声检测仪器对被检测复合材料(10)进行接触反射法检测，检测信号通过复合材料超声检测仪器进行RF显示与记录，复合材料超声检测仪器包括，超声换能器(11)、超声单元(8)、RF信号显示单元(9)，超声换能器(11)通过高频连接电缆与超声单元连接，超声单元(8)与RF信号显示单元(9)相连，其中，超声换能器(11)采用具有单周特性的超声换能器，超声单元(8)采用具有单周脉冲方式激励和宽带RF信号处理功能的超声类的检测仪器或者超声单元，通过超声单元(8)激励超声换能器(11)，使超声换能器(11)产生单周入射超声脉冲波信号(1)

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲超声全息的复合材料缺陷判别方法，其特征是，(一)检测与信号显示采用复合材料超声检测仪器对被检测复合材料(10)进行接触反射法检测，检测信号通过复合材料超声检测仪器进行RF显示与记录，复合材料超声检测仪器包括，超声换能器(11)、超声单元(8)、RF信号显示单元(9)，超声换能器(11)通过高频连接电缆与超声单元连接，超声单元(8)与RF信号显示单元(9)相连，其中，超声换能器(11)采用具有单周特性的超声换能器，超声单元(8)采用具有单周脉冲方式激励和宽带RF信号处理功能的超声类的检测仪器或者超声单元，通过超声单元(8)激励超声换能器(11)，使超声换能器(11)产生单周入射超声脉冲波信号(1)再通过耦合介质与被检测复合材料相互作用，一部分周入射超声脉冲波信号(1)在复合材料表面形成反射单周超声脉冲波信号(2)另一部周入射超声脉冲波信号(1)形成单周透射超声脉冲波信号(1’)继续在复合材料内部传播，在忽略声波在复合材料中的频散和衰减时，则有这里，AP(ωptp)、分别表示单周入射超声脉冲波信号(1)的幅度和相位，Ak(ωktk)、分别表示单周透射超声脉冲波信号(1’)的幅度和相位，Af(ωftf)、分别表示反射单周超声脉冲波信号(2)的幅度和相位，ωp≈ωk≈ωf＝ω，ω表示单周入射超声波信号(1)的角频率，tp、tk、tf依次表示单周入射超声脉冲波信号(1)、单周透射超声脉冲波信号(1’)和反射单周超声脉冲波信号(2)的传播时间；ρ0、ν0分别表示耦合介质的密度和声速，ρ1、ν1分别表示被检测复合材料(10)的密度和声速，(1)当复合材料内部没有缺陷时，单周透射超声脉冲波信号(1’)在复合材料底面形成单周反射超声脉冲波信号(5)超声换能器接收到来自被检测复合材料的单周反射超声脉冲波信号(5)与反射单周超声脉冲波信号(2)合成后的单周反射超声信号(7)即这里，Af(ωftf)、分别表示在复合材料表面形成反射单周超声脉冲波信号(2)的幅度和相位，Ab(ωbtb)、分别表示在复合材料底面形成反射单周超声脉冲波信号(2)的幅度和相位，ωb≈ω表示单周超声脉冲波信号(5)的角频率，tb表示单周反射超声脉冲波信号(5)的传播时间；(2)当复合材料内部存在缺陷时，单周透射超声脉冲波信号(1’)在缺陷区形成单周反射超声脉冲波信号(3和4)和超声换能器接收到来自被检测复合材料在缺陷区的单周反射超声脉冲波信号(2)与缺陷区形成单周反射超声脉冲波信号(3和4)合成单周反射超声信号(6)即其中，这里，Ad1(ωd1td1)、分别表示在缺陷区表面形成反射单周超声脉冲波信号(3)的幅度和相位，在其他条件一定时，Ad1(ωd1td1)、与缺陷的性质有关，Ad2(ωd2td2)、分别表示在缺陷区底面形成单周反射超声脉冲波信号(4)的幅度和相位，在其他条件一定时，与缺陷的性质有关，ωd1≈ωd2≈ω表示单周反射超声脉冲波信号(3和4)的角频率，td1、td2分别表示单周反射超...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘菲菲，刘松平，傅天航，
申请(专利权)人：中航复合材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11