陳 堯，張柏源，吳 霞，陳 果，石文澤，盧 超,3

(1. 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063； 2. 中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190；3. 上饒師范學院，江西 上饒 334000)

0 引言

碳纖維復合材料以其優(yōu)異的性能被廣泛應用于航空、航天等重要工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。飛機服役期間，CFRP構(gòu)件常常會遭受冰雹、碎石、工具墜落等沖擊，進而造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，導致層板性能嚴重退化，對飛機安全運營構(gòu)成嚴重威脅。由于層板損傷大多形成于材料內(nèi)部，難以通過目視發(fā)現(xiàn)，因而CFRP層板沖擊損傷評估和內(nèi)部缺陷檢測成為當下的研究熱點[3-4]。CFRP內(nèi)部損傷的無損檢測技術(shù)主要有超聲檢測、射線檢測和紅外熱成像檢測等[4]。其中，超聲檢測技術(shù)是目前使用最廣泛的技術(shù)手段[5]。目前，主要利用水浸C掃描檢測對CFRP復合材料逐點進行掃描檢測，獲得內(nèi)部損傷的超聲圖像。然而，水浸C掃描檢測需要采用水浸和噴水耦合，對檢測裝置和材料是否能浸水有一定的要求和限制。不僅如此，C掃描檢測采用逐點掃描的方式對試樣進行檢測，難以實現(xiàn)大面積CFRP構(gòu)件的快速檢測[6]。

對此，國內(nèi)外有關(guān)研究學者提出了空氣耦合超聲C掃描檢測技術(shù)，該檢測方法克服了水浸C掃描的繁瑣性，提高了檢測效率，有效地改善了水浸C掃描檢測技術(shù)的不足。目前，國內(nèi)外的主要研究方向是對空氣耦合超聲C掃描檢測儀器的研發(fā)，并致力于把該項技術(shù)有效地應用在實際檢測中。如德國無損檢測技術(shù)研究所的HFUS2400 AIRTECH系列，日本JAPAN PROBE公司的NAUT21系統(tǒng)等[7-8]。而對于CFRP層板內(nèi)部缺陷檢測，空氣耦合C掃描檢測通常在待檢試件的兩側(cè)布置換能器，進行一發(fā)一收穿透式逐點檢測。這種探頭布局不僅檢測效率極低，而且當被檢對象為具有中空設(shè)計的復合層板構(gòu)成的機翼等部件時，超聲波不能穿透空隙很大的層板。上述問題導致該技術(shù)在大型板材構(gòu)件的檢測上受到限制。

相比于透射波檢測技術(shù)，蘭姆波檢測技術(shù)適合于板材的大面積快速檢測[9-10]?；诖?，研究者提出將傳感器放置于被測構(gòu)件同側(cè)，通過一發(fā)一收方式激勵和接收蘭姆波，解決空氣耦合檢測中無法將探頭置于被檢件同側(cè)的問題。同時，利用蘭姆波檢測效率高的優(yōu)點實現(xiàn)CFRP層板高速在線檢測。在此基礎(chǔ)上，研究者們借鑒結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的成像理論，建立CFRP層板缺陷蘭姆波損傷指數(shù)(Damage Index，DI)，通過對DI值的圖形化顯示實現(xiàn)了缺陷定位和定量表征[11-13]。然而，從信號處理方式上看，以時域、頻域、時頻域為基礎(chǔ)的DI建立算法均需要參照基準信號，即需要有無缺陷信號進行對比才能準確算得DI值[14]。實際在役檢測過程中，基準信號的選取和采集會嚴重影響檢測效率，增加作業(yè)時間和檢測人員工作強度，不利于CFRP層板的在役檢測。

針對上述問題，本研究在CFRP層板沖擊損傷空氣耦合超聲蘭姆波特征成像中，引入無需參照基準信號的時間反轉(zhuǎn)(Time Reversal，TR)算法構(gòu)建DI值。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合概率損傷算法，首先得到每條掃查路徑上的特征值，再對各個掃查路徑的特征值進行數(shù)據(jù)融合，以此作為成像的聲學參量，進而得到復合材料層板沖擊損傷的特征成像圖，從而對損傷缺陷的位置和形狀進行定量描述。最后，通過與超聲水浸C掃描圖像對比，考察時間反轉(zhuǎn)損傷指數(shù)所建特征圖像的成像效果和效率。

1 蘭姆波特征成像

1.1 基于時間反轉(zhuǎn)的損傷指數(shù)

時間反轉(zhuǎn)是指接收傳感器接收到聲源發(fā)出的信號后，將接收信號進行時間反轉(zhuǎn)，再把反轉(zhuǎn)后的波發(fā)射出去，即先到后發(fā)，后到先發(fā)，這也是超聲波傳播互異性原理的應用之一。對于發(fā)射換能器、接收換能器確定的結(jié)構(gòu)，發(fā)射換能器和接收換能器的位置可以互易，且兩者具有相同的頻率響應函數(shù)。由于蘭姆波具有頻散與多模態(tài)的特性，激發(fā)的蘭姆波在傳播過程中會因為群速度的改變而改變，波形發(fā)生異常，這對缺陷檢測的分辨率造成很大的影響，限制了蘭姆波在缺陷識別中應用。時間反轉(zhuǎn)可以對聲源信號進行重構(gòu)，當試件中存在缺陷時，波經(jīng)過缺陷時發(fā)生散射，此時的缺陷相當于一個虛擬的波源向外發(fā)射聲波，對接收到的信號進行重構(gòu)，重構(gòu)后的信號波形與原始信號波形會形成較大的區(qū)別，觀察這種區(qū)別可以進一步對缺陷進行識別。

根據(jù)時間反轉(zhuǎn)的基本原理，在頻域中，當發(fā)射傳感器在試件中輸入信號I(t)時，其頻域分布為A(w)，接收傳感器會收到試件在發(fā)射傳感器驅(qū)動下的響應信號，根據(jù)信號與系統(tǒng)的表達方式[15-16]，該響應信號為：

Sω=Aω·Hω

(1)

式中，A(w)為時域信號的頻域分布，H(w)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。利用信號在頻域上的復數(shù)共軛表達其在時域上的反轉(zhuǎn)，則表達式為：

Xω=S*ω=A*ω·H*ω

(2)

將經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)之后的響應信號再由接收傳感器再次激發(fā)，根據(jù)聲波的互易性原理，在式(2)兩端同時乘以傳輸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，此時在接收傳感器上接收到的所有路徑上的響應信號為：

(3)

式中：A*(w)為激勵信號的時間反轉(zhuǎn)信號，Hi(w)Hi*(w)為共軛復數(shù)相乘。在時間信息上，當作傅里葉逆變換時，由于所得結(jié)果為實數(shù)、偶數(shù)、正函數(shù)，因此最終獲得在同一方向上的疊加耦合，并且獲得最大峰值。將各通道的數(shù)值進行累加，進而得到該時刻顯著增強的信號峰值，最終形成聚焦。

根據(jù)復合材料層板中蘭姆波的特性，頻率響應傳遞函數(shù)在頻域上可寫為[17-18]：

(4)

式中：Ai和Si分別表示i階反對稱模式和對稱模式；aAi(ω),kAi,cAi,aSi(ω),kSi,cSi分別表示Ai和Si模式的信號幅值、波數(shù)和傳播速度。當僅存在A0、S0兩種模式單通道時，式(3)可以寫成：

Zω=A*(ω)[(aA0(ω)e-jkA0r+

aS0(ω)e-jkS0r)(aA0(ω)ejkA0r+aS0(ω)ejkS0r)]

(5)

對以上信號進行傅里葉逆變換，可得出：

(6)

在式(6)中，將接收信號進行逆傅里葉變換，就能得到接收信號的時域信號，即TR重建信號V(t)。將V(t)與激勵信號I(t)(A(w)的時域信號)代入式(7)，算得基于時間反轉(zhuǎn)的損傷指數(shù)DI(t)：

(7)

1.2 基于概率分布的損傷特征成像

將成像區(qū)域劃分為K1×K2個像素點，作為D掃描陣列信號損傷指數(shù)DI(t)的成像區(qū)域。圖中每個像素點的值視為成像特征值，其分布為I(x，y)，其中0

由于探頭排列方式為一發(fā)一收，因此將第i個掃描路徑上發(fā)射探頭T的坐標設(shè)置為(xi,0)。由于T、R兩探頭之間距離為90 mm，則接收探頭R的坐標為(xi,90)。根據(jù)橢圓定位原理和三角幾何關(guān)系[19]，A0模態(tài)蘭姆波從發(fā)射探頭處(xi, 0)發(fā)出經(jīng)由板中每個離散點(x,y)，到達接收探頭處(xi, 90)的時間為：

(8)

式中，Vg為A0模態(tài)蘭姆波群速度。

對板中每個離散點(x,y)處相應的損傷指數(shù)DI(t)進行延時疊加，得到損傷指數(shù)分布圖。

(9)

考慮到蘭姆波在傳播路徑上具有帶狀能量分布，當檢測到缺陷時，由探頭中心處檢測到缺陷的概率較大，越遠離探頭中心，檢測到缺陷的概率越低，因此利用概率分布函數(shù)定義缺陷存在概率呈正態(tài)分布，見式(10)。

(10)

式中，d為其他掃描路徑j(luò)到掃描路徑i的距離，取值范圍為-10≤d≤10。為保證蘭姆波聲束接近實際，σ的取值為3。

如圖1所示，在掃描路徑i上的蘭姆波聲能概率分布曲線中，標距越靠近探頭中心線，表明損傷概率越高，即圖像中像素點的幅值越高。

將概率分布曲線的最高值Pmax除以每個距離點d上的數(shù)值P(d)，得到概率比例指數(shù)P(d)，其表達式為：

(11)

將概率比例指數(shù)P(d)作為加權(quán)系數(shù)，乘以各像素點上的損傷指數(shù)DI(t)，則有

(12)

式(12)中的I(x,y)即為某一掃描方向上特定像素點的損傷特征值，若要得到包含缺陷位置的損傷特征圖像，需要將0°和90°鋪層2個相互垂直的掃描方向上的損傷指數(shù)進行融合，其示意圖如圖2所示。損傷指數(shù)圖像融合表達為：

IDIx,y=I0x,yI90x,yT

(13)

2 實驗

選取厚度為4.1 mm的2塊CFRP層板試件作為研究對象。采用壓縮空氣氣槍在層板上預制沖擊損傷。圓形沖頭直徑為16 mm，沖擊能量分別為15、20 J。對2試件分別進行水浸C掃描成像檢測，點聚焦水浸探頭中心頻率為10 MHz，步進長度為0.2 mm，探頭移動速率為2 mm/s，成像區(qū)域為50 mm×50 mm。

如圖3所示，將中心頻率為0.4 MHz的空氣耦合超聲探頭置于試件同側(cè)，以一發(fā)一收斜入射方式激勵和接收A0模態(tài)蘭姆波。

調(diào)節(jié)圖3裝置中探頭的傾角θ，調(diào)整范圍為0°～22°，每調(diào)整一次就記錄下接收信號的波峰幅值，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，當傾角θ為14°時，A0模態(tài)蘭姆波波包幅值最高，因此，研究選取14°作為發(fā)射探頭T和接收探頭R的傾斜角度。將T、R兩探頭之間的距離調(diào)整為90 mm，使兩探頭同時以掃查線的垂直方向移動，分別對CFRP試件0°和90°鋪層方向進行D掃描，掃描區(qū)域為90 mm×90 mm。掃描步進長度為1 mm，掃描步進數(shù)為90，探頭移動速率為5 mm/s，即每個鋪層方向采集90個蘭姆波信號。

3 結(jié)果與分析

3.1 成像結(jié)果對比

圖5為不同能量沖擊下CFRP層板的沖擊損傷C掃描圖像。由圖5a可知，在15 J能量沖擊下的層板試件上，90°鋪層方向上沖擊波擴散的能量更多，導致沖擊損傷缺陷大致呈橢圓形。以-6dB回波作為缺陷形貌測量標準，0°鋪層方向上缺陷寬度為12.2 mm，90°鋪層方向上缺陷寬度為21.4 mm。由圖5b可知，在20 J能量沖擊下，層板試件沖擊損傷缺陷大致為圓形。0°和90°鋪層方向上缺陷的寬度分別為22.1、23.3 mm。

圖6為不同能量沖擊下CFRP層板的沖擊損蘭姆波特征圖像。由圖6a可知，15 J能量沖擊特征圖像中的損傷缺陷也呈現(xiàn)出橢圓形狀，0°鋪層方向上缺陷寬度為9.8 mm，90°鋪層方向上缺陷寬度為16.4 mm。由圖6b可知，20 J能量沖擊下特征圖像中的損傷缺陷也呈現(xiàn)出圓形形狀，0°鋪層方向上缺陷寬度為16.9 mm，90°鋪層方向上缺陷寬度為17.4 mm。對比圖4可知，特征圖像能夠?qū)_擊損傷進行定量描述。不僅如此，特征圖像還能夠通過蘭姆波到達時間對缺陷進行定位。

3.2 缺陷成像效率對比

表1為C掃描和特征成像檢測參數(shù)對比。由表1可算得，50 mm×50 mm檢測區(qū)域下，C掃描檢測需要消耗50×50/1=2 500 s。90 mm×90 mm檢測區(qū)域下，特征成像掃描所需的時間為(90+90)/5=36 s，考慮到成像過程中需要調(diào)整試件方向消耗30～40 s，成像過程中涉及的信號及圖像處理消耗10～20 s，則獲得蘭姆波沖擊損傷特征圖像不超過100 s。若采用C掃描檢測90 mm×90 mm區(qū)域，則需要消耗90×90/2=8 100 s。因此，相比于C掃描，特征成像方法更有利于CFRP層板的沖擊損傷的快速檢測。

表1 C掃描和特征成像檢測參數(shù)Table 1 C-scan and feature imaging test parameters

4 結(jié) 論

1)研究所采用的空氣耦合超聲蘭姆波特征成像方法，可將空氣耦合傳感器置于CFRP層板同側(cè)，激發(fā)A0模態(tài)蘭姆波對沖擊損傷進行特征掃描，實現(xiàn)了缺陷的定位和定量。相比于無法將探頭置于被檢試件同側(cè)的傳統(tǒng)層板空氣耦合檢測，該方法更加適用于實現(xiàn)層板的在役檢查。

2)雖然空氣耦合超聲蘭姆波特征成像的精度略低于C掃描檢測，但該方法能夠通過減少掃描步進數(shù)節(jié)省大量的掃查時間，提高檢測效率，實現(xiàn)CFRP層板的沖擊損傷缺陷的快速定量和定位。

3)相比于時域、頻域、時頻域等算法，時間反轉(zhuǎn)算法在CFRP層板DI值計算過程中避免了基準信號的選取和采集，更有利于CFRP層板沖擊損傷的在役檢測。