复合材料手动扫描超声特征成像检测

　　随着新材料特别是先进的纤维增强复合材料在航空、航天等领域的广泛应用,对它们的定量检测成为必要,由于超声C扫描技术只能提供深度方向的一个平面投影检测结果,不利于检测新型复合材料中最容易产生的呈体积分布的微小缺陷,因此提出了特征扫描(F扫描)技术[1],它采取特征扫描的方法,利用计算机采集全波列检测信号,提取和储存超声波形的各种特征——包括上升时间、下降时间、脉冲周期和频谱特性等,经信号处理后,按多种特征进行成像显示。F扫描能提供比C扫描丰富得多的信息,具有高分辨力和小缺陷检测能力。

　　但是,目前使用的超声扫描装置一般体积较大,多为固定式,不适合在现场及场地条件差的情况下使用。为了解决这个问题,研制了复合材料用便携式手动扫描超声成像系统。成功地将手动检测的方便灵活、适用性强与特征扫描成像的优点集于一体,并在实际工作得到了有效的应用。

　　1　特征扫描基本原理

　　超声波是机械波,受到材料调制的超声波能直接反映材料的内部结构和力学性能,对于有缺陷或受损的复合材料,超声波受到缺陷和损伤的散射和调制,即携带有材料内部缺陷的信息,提取出这些信息可反映出缺陷的状态。

　　复合材料中的缺陷类型主要是分层、气孔、夹渣、疏松、疲劳裂纹、粘接不良等。特征扫描处理使用时空域的分析技术、谱分析技术来认识缺陷类型和测量缺陷,评估材料受损程度。例如,对分层夹杂和气孔进行分类时,可由回波幅度、波形起跳时间,脉冲持续时间,上升及下降的反转率来进行分析;测定复合材料孔隙率时,要分析速度、回波幅度比、主频偏移量等特征参数;判别夹杂物时,要分析缺陷位形,回波幅度、频移等特征参量。

　　用于缺陷分类的超声信号的特征通常是波形的实体特征,但也常使用统计特征。实体特征包括反射波的上升时间,脉冲持续时间和波形的下降时间。通常,裂纹类缺陷的反射比起体积型缺陷的显示,其上升时间、下降时间和脉冲持续时间都较短[2]。缺陷的特征也可从反射波的频域中提取,可以是某一频率段,曲线的面积与全部频率面积之比等。为了更好地对缺陷分类,必须把提取的特征进行优化,并设立适当的门槛值和变化范围。从统计的观点来,可提取的特征有波形曲线的尖锐度、倾斜度等。总之,可用于缺陷分类的特征数以百计,必须仔细选择。

　　对于缺陷反射体而言,特征应包括如下几个方面:

　　(1)反射波的幅值;

　　(2)反射波的相位;

　　(3)反射体的几何形状;

　　(4)反射体的空间当量分布;