多层结构复合材料的超声检测系统设计

　　1　引　　言

　　近年来,随着现代科学技术的进步,特别是汽车工业、航空航天工业的飞速发展,新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。由于复合材料具有高强度、高模量重量比、耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及吸噪性好、抗氧化、抗蠕变等性能,所以在新材料技术领域占有重要的地位。它在汽车底盘、保险杠、飞机扰流板、整流罩、方向舵、水平安定面以及航天飞行器翼板等部件得到广泛的应用。多层结构复合材料是用数层基体不同(包括金属基、树脂基、陶瓷基)或结构不同的纤维及固体层粘结热压而成,其性能和品质与基体厚度、各纤维及固体层厚度有着密切的关系。

　　多层复合材料结构件在制造和使用过程中有可能产生各种缺陷,如脱层、脱粘、固体层裂纹、夹渣、纤维束交迭、过量气孔或孔洞以及层厚不均匀等,这些缺陷使得多层结构复合材料性能下降,甚至导致整个结构件报废,造成重大经济损失。因此,采用可靠检测方法对复合材料进行检测是保证其质量和性能的重要环节。

　　本文对超声波在多层结构复合材料中的传播特性进行了分析,设计了测量多层复合材料厚度及各种缺陷的超声检测系统,并针对多层结构复合材料进行了计算机仿真实验测试。

　　2　超声波在多层结构复合材料中的传播

　　在多层复合材料的超声检测系统中,主要采用纵波进行垂直入射获取其回波信号。当超声波垂直入射时,只存在同一类型的反射和透射。这里以超声波在三层结构复合材料中的传播为例对纵波垂直入射到多层界面的传播进行分析。设三层结构复合材料每层媒质的声特性阻抗分别为:Z1=ρ1c1、Z2=ρ2c2、Z3=ρ3c3,pi为入射波,pr为反射波,pt为折射波。当超声波从媒质Ⅰ垂直入射到媒质Ⅱ时,由于两媒质声阻抗不同,在其界面入射波一部分按原途径反射形成反射波,方向与入射波相反,声速不变。入射波另一部分透过界面进入媒质Ⅱ形成透射波,方向与入射波相同,波型不变,但声速随着媒质Ⅱ性质的不同发生变化。其声压反射系数和声压透射系数分别为:

　　当超声波由声阻抗为Z1=ρ1c1的介质穿过声阻抗为Z2=ρ2c2的介质,达到声阻抗为Z3=ρ3c3的介质时,通过了两个界面,超声波必须在第一和第二两个界面上都满足位移和应力连续的条件,声压和振幅在两个边界上必须是连续的。由此,对垂直入射的超声波可以写出四个边界条件方程,以此来求得介质中的入射波、反射波和折射波的能量分配。根据边界条件方程,可得到在垂直入射情况下投入第三介质中的超声波声压振幅与第一介质入射波的声压振幅比: