，， ，,

(南昌航空大學(xué) 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063)

非線性超聲檢測是利用有限振幅聲波在材料中傳播時，與介質(zhì)或微小缺陷間相互作用而產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，來實現(xiàn)材料性能評估和微小缺陷檢測的[1]。分析超聲的非線性效應(yīng)能夠獲取材料的多種特性，如孔隙、疲勞、微裂紋、膠黏劑的黏接強(qiáng)度、涂層的質(zhì)量等，其靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超聲衰減和波速測試等傳統(tǒng)的線性方法[2]。

由于制作工藝的原因，RTM(樹脂傳遞模塑成型)纖維紡織復(fù)合材料容易出現(xiàn)孔隙、裂紋、分層等微缺陷，這些微缺陷的存在嚴(yán)重影響材料的使用壽命和力學(xué)性能，因此對復(fù)合材料進(jìn)行孔隙含量的無損評價具有重要意義。將超聲相對非線性系數(shù)作為評價復(fù)合材料微缺陷的參量，利用美國RITEC RAM-5000 SNAP非線性高能超聲測試系統(tǒng)提取RTM纖維紡織復(fù)合材料的相對非線性系數(shù)，制作了一種用于超聲非線性試驗的壓力檢測夾持裝置，解決了非線性系數(shù)提取過程中耦合條件難以控制的難題，為復(fù)合材料板材孔隙率的定量檢測提供了很大的幫助[3]。

1 超聲相對非線性系數(shù)

具有單一頻率的高功率超聲波進(jìn)入固體介質(zhì)中后，超聲波的傳播受介質(zhì)應(yīng)力-應(yīng)變非線性關(guān)系的影響增大，產(chǎn)生了明顯的非線性效應(yīng)，導(dǎo)致超聲波的“扭曲”和“畸變”，激發(fā)了高次諧波[4]。理想情況下，當(dāng)進(jìn)入各向同性固體介質(zhì)的超聲波為具有單一頻率w的正弦波時，利用近似迭代的方法得到固體介質(zhì)中超聲波傳播的二級近似解表達(dá)式為

u(x,t)=A1sin(kx-wt)-

A2xcos2(kx-wt)+…,

(1)

式中：k為波數(shù)；x為傳播距離；A1為頻域中基本頻率w的幅值；A2為頻域中非線性效應(yīng)引發(fā)的二次諧波的幅值[5]。

(2)

相對非線性系數(shù)與材料的三階彈性系數(shù)對材料內(nèi)的不均勻性,如孔隙、位錯及微裂紋等微缺陷較敏感，是超聲非線性評價的一個重要參數(shù)[6]。

2 超聲非線性測量系統(tǒng)

采用超聲穿透法獲取基波和二次諧波的幅值，計算復(fù)合材料非線性系數(shù)。根據(jù)RTM纖維紡織復(fù)合材料的高衰減特性和試驗所要求的靈敏度，理應(yīng)選擇2.5 MHz的發(fā)射探頭和5 MHz的接收探頭。因為商業(yè)化的探頭有頻帶寬、會引入非線性干擾的缺點，所以選用帶寬窄、頻率成分單一的PZT材料的壓電晶片作為激勵源。

圖1 超聲非線性測量系統(tǒng)框圖

超聲非線性測量系統(tǒng)框圖如圖1所示，利用RAM 5000 SNAP非線性高能超聲測試系統(tǒng)對復(fù)合材料進(jìn)行檢測，測試系統(tǒng)產(chǎn)生的高能輸出脈沖串經(jīng)阻抗匹配、衰減和低通濾波后，驅(qū)動發(fā)射晶片向試件中輸入大功率的連續(xù)超聲脈沖串[7]；脈沖串在試件內(nèi)傳播時，與材料內(nèi)部的孔隙作用產(chǎn)生非線性效應(yīng)，激發(fā)高頻成分的聲波，接收探頭接收畸變的聲波后對其進(jìn)行掃頻分析[8]。運行測試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，設(shè)置參數(shù)后讀取基波和二次諧波的幅值，由式(2)即可得到位于復(fù)合材料某檢測點的二階非線性系數(shù)[8]，實現(xiàn)了利用超聲非線性對復(fù)合材料孔隙率的檢測。

3 存在的問題及改進(jìn)方向

理想情況下，大功率超聲連續(xù)脈沖波與材料相互作用，引發(fā)的非線性現(xiàn)象都來源于材料自身和內(nèi)部微缺陷，例如孔隙、裂紋、脫黏等[9]。而實際上，換能器的頻率響應(yīng)、試件表面粗糙度、耦合條件、晶片貼合壓力等均會引入試驗系統(tǒng)的非線性，從而淹沒材料自身引起的非線性[10]。

穿透法中探頭和材料的位置關(guān)系示意如圖2所示，入射超聲波由PZT晶片發(fā)射，經(jīng)耦合劑進(jìn)入試件，與材料相互作用后，穿透波被另一側(cè)的探頭接收。由以往經(jīng)驗可知，隨著時間的推進(jìn)和高功率連續(xù)脈沖激勵波對晶片的振動，發(fā)射晶片與試件的耦合會漸漸松弛，與探頭的對準(zhǔn)軸線發(fā)生偏移甚至脫離試件表面。由于無法固定探頭與材料表面的位置關(guān)系，且在同一檢測點處，探頭與材料貼合壓力的不同會對試驗結(jié)果造成較大影響，這些因素都導(dǎo)致同一檢測點處的重復(fù)性、穩(wěn)定性差，對復(fù)合材料內(nèi)部孔隙量的評估構(gòu)成干擾。因此，盡可能減小外界引入的系統(tǒng)非線性一直是非線性測量試驗需要改進(jìn)的方向[11]。

圖2 穿透法中探頭和材料的位置關(guān)系示意

所以，設(shè)計一種可以固定晶片和探頭相對位置、保證晶片和試件貼合力度相同的輔助裝置來提高非線性測量的準(zhǔn)確性很有必要。當(dāng)同一點處非線性系數(shù)數(shù)值的浮動小到誤差精度允許的范圍內(nèi)時，就可認(rèn)為該點的非線性系數(shù)趨于穩(wěn)定，進(jìn)而比較不同點處的非線性系數(shù)，對材料整體的孔隙含量進(jìn)行評估。

4 壓力監(jiān)測夾持裝置結(jié)構(gòu)與使用效果

筆者設(shè)計了一種用于超聲非線性試驗的壓力監(jiān)測夾持裝置，其外觀如圖3所示。該裝置通過機(jī)械滑軌、夾臂和晶片-探頭固定裝置來實現(xiàn)對樣品的夾持固定；通過壓力監(jiān)測系統(tǒng)保證檢測點兩側(cè)晶片和探頭的相對位置，并保證對樣品的壓力一致，實現(xiàn)單一變量法測量不同檢測點的非線性系數(shù)，提高檢測精度，保證數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。

圖3 壓力監(jiān)測夾持裝置外觀

4.1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)與應(yīng)用

該裝置的壓力監(jiān)測系統(tǒng)外觀如圖4所示，彈簧與壓力傳感器相接置于夾臂間，顯示器連接有LED數(shù)碼管，通過旋轉(zhuǎn)吊環(huán)螺栓改變夾臂距離，實時讀取夾臂間壓力，將該壓力稱為參考壓力。夾臂尖端處晶片-材料-探頭的壓力隨參考壓力的固定而穩(wěn)定，從而保證了測量壓力的一致。

圖4 壓力監(jiān)測系統(tǒng)外觀

最優(yōu)壓力的尋找也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，壓力過小時，晶片-探頭與材料貼合不緊密而混入空氣，使超聲波傳輸效率大大降低；壓力過大時，耦合劑被擠出接觸面，同樣達(dá)不到較好的傳輸效率。因此，在試驗初始階段，使晶片-探頭與材料的貼合處于剛好壓住的狀態(tài)，以一定的間隔增加壓力，同時讀取RAM 5000系統(tǒng)上位機(jī)軟件的通道能量預(yù)測值，選擇能量峰值時的壓力作為最優(yōu)壓力，并在同一材料所有檢測點處保持壓力的一致。

圖5 晶片與探頭的固定系統(tǒng)示意

4.2 晶片-探頭的固定系統(tǒng)與應(yīng)用

晶片-探頭的固定系統(tǒng)示意如圖5所示，下夾臂外側(cè)的圓孔中安裝有可拆卸的晶片卡槽，另一面由螺帽固定。晶片卡槽內(nèi)凹一圓柱體，其深度小于晶片厚度，面積略大于晶片面積，用來放置晶片并保證晶片正面高于卡槽；內(nèi)凹圓柱底部邊沿有兩個凹槽，通過孔洞連接至圓周表面，用于放置晶片背面的焊錫堆和外接引線，使晶片正面保持水平。上夾臂外側(cè)的圓孔中安裝有探頭固定卡槽，將探頭包裹防滑膠帶旋入孔中，使探頭正面略高于卡槽端面。由此保證晶片與探頭的中心軸線重合和固定。

當(dāng)試驗材料邊長小于30 cm時，可利用夾臂夾持試件，當(dāng)試件邊長大于30 cm時，其質(zhì)量對夾臂造成的長時間壓力會導(dǎo)致夾臂發(fā)生永久性的彎曲，因此可使用試件架使試件四周固定，中間懸空，改變夾臂圓孔的水平位置和相對距離，實現(xiàn)不同點處非線性系數(shù)的測量。當(dāng)試件長度超過夾臂時，安裝可拆卸的延長夾臂來擴(kuò)大測量范圍。

4.3 壓力監(jiān)測夾持裝置工作原理

以哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)制作的RTM碳纖維環(huán)氧樹脂板狀復(fù)合材料非線性系數(shù)的測量為例，介紹該裝置與RAM 5000 SNAP非線性高能超聲測試系統(tǒng)結(jié)合表征孔隙率的測試原理。

首先做裝置的準(zhǔn)備工作，將焊接正負(fù)引線的PZT晶片放入晶片卡槽，確認(rèn)晶片正面水平且連接良好后，將其安裝于下夾臂圓孔，將接收探頭旋入探頭卡槽，并將其安裝于上夾臂圓孔。試件為尺寸100 mm×100 mm×5 mm(長×寬×高)的板狀復(fù)合材料，其尺寸小、質(zhì)量輕，僅用夾臂的夾力夾持試件，將耦合劑均勻涂抹在復(fù)合材料樣品上下兩面。將要測量的檢測點放置于晶片和探頭中心，調(diào)整夾臂距離，打開并運行5000系統(tǒng)，采用尋找最優(yōu)壓力的方法分析該材料的壓力并以此為標(biāo)準(zhǔn)壓力。

保持標(biāo)準(zhǔn)壓力，采集不同檢測點處的回波，利用系統(tǒng)的掃頻功能觀察頻域波形，讀取基頻幅值和二倍頻幅值，便可計算出該檢測點處的超聲相對非線性系數(shù)，以此作為表征材料內(nèi)部孔隙率的參量。

4.4 裝置使用效果

取5 mm的高孔隙率RTM碳纖維復(fù)合板材中的一點，分別在使用和未使用夾持裝置的情況下，利用晶片-探頭超聲穿透法測量該點的超聲非線性系數(shù)。結(jié)果表明，在保證貼合壓力相同的條件下，使用夾持裝置時，基波與二次諧波的頻率幅值分別是無夾持裝置時的1.06倍和1.36倍，非線性系數(shù)是無夾持裝置時的1.19倍，非線性諧波更明顯，有更強(qiáng)的聲波能量透過率。證明了設(shè)計的用于超聲非線性的壓力監(jiān)測夾持裝置是一種有效實用的非線性系數(shù)測量輔助裝置。

5 結(jié)語

介紹了一種用于超聲非線性試驗的壓力監(jiān)測夾持裝置，是RAM 5000 SNAP非線性高能超聲測試系統(tǒng)的輔助裝置。該裝置可實時監(jiān)控?fù)Q能器與材料的貼合力度，保證換能器的相對位置位于同一軸線；可多方向移動并快速改變檢測點，從而提高檢測效率，減小耦合條件、應(yīng)力大小對試驗的干擾。經(jīng)過對比可知，該裝置可大大提高超聲波對微缺陷的靈敏度，增強(qiáng)超聲波的穿透率和孔隙檢測的精度。