声-超声检测技术

　　传统无损检测方法通过检测结构内宏观的不连续缺陷,以判断其是否满足使用条件。但在对纤维增强复合材料等进行无损检测时发现,有时结构中虽然存在纤维断裂、分层和局部孔隙等缺陷,但是材料整体仍可以满足使用;与此相对,有时虽然检测结果显示不存在宏观缺陷,但结构的强度和韧性等参数却发生了明显下降,表明结构内部必然存在微小的缺陷。上述现象表明,对复合材料结构等进行无损检测时,不仅需要检测问题缺陷的大小,还要对其力学性能的变化进行评估。引入声-超声(以下简称AU测量的总体目标是评估材料内应力波传播的相对效率,最基本也是最有效的测量方法就是测量应力波的能量损失。其基本假设是加载期间更有效的应变能传递和应变分布对应于更高的强度和断裂韧性。这个假设基于“应力波相互作用”原理,即作用于断裂处的自发应力波会促进裂纹快速扩展,直至能量以其它形式耗散(如塑性变形和微裂纹偏移)。对于复合材料而言,较低的衰减意味着更高的应力波能量传播效率,也就意味着更好的动态应变能量的传递和分布。

　　1　声-超声检测方法

　　AU技术检测原理如图1所示。检测时,利用压电换能器或激光照射的方法[4-5],在材料表面激发询问应力波。该应力波在复合材料内部与材料的微结构经过复杂的相互作用,到达置于材料的同一或另一表面的接收装置。通过分析接收到的AU信号,确定材料内部的力学性能的变化。检测的核心思想在于能够真实模拟自发应力波,即要排除由于模拟声发射而产生的虚假应力波,如耦合剂产生的震荡等。因此AU检测的关键在于保证信号的真实性和可重现性。影响检测可重现性的因素有很多,下面讨论接触式压电换能器作为激发和接收器件的情况。

　　1.1　测试设备的系统稳定性

　　测试设备的系统稳定性对检测结果的稳定具有重要的意义。NASA使用传统模拟探伤仪测试表明,在给设备进行预热的最初4 h内,应力波因子下降了10.3%,之后系统趋于稳定[6]。现在虚拟仪器技术的发展减小了系统稳定性造成的影响,测量硬件都采用板卡化设计,稳定性大大增强;后期处理全部通过软件实现,保证了结果的可靠性。然而,在进行测量时,对系统的稳定性进行检测仍然是十分必要的。

　　1.2　换能器

　　AU检测中选择发射探头的中心频率和接收探头的带宽至关重要。发射探头确定激发应力波的特性,为使激发应力波与接收应力波信号差异更加显著,在保证信号可检测的前提下,应适当提高发射探头工作的中心频率,使之对应的波长小于结构厚度,从而引起更大的高频成分衰减。有文献建议最佳条件是工件厚度为波长的整数倍,以产生共振[2]。但是随后的理论分析指出,共振属于结构的自然模态,与结构内部的微结构信息关系并不密切,由共振造成的峰值会掩盖相应频率处的结构信息,因此其具体影响还需进一步研究。接收探头应具有很大的带宽,可以覆盖结构中所有的频率成分。此外接收探头还要有较高的灵敏度,尤其对高频成分,因为高频成分往往包含更丰富的结构信息。