劉松平，劉菲菲，李治應(yīng)，楊玉森，章清樂，李樂剛，史俊偉

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

復(fù)合材料具有輕質(zhì)、抗腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造過程中，材料的利用率非常高，加工工序非常少，已經(jīng)在航空航天、能源、交通等眾多領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用，許多重要和復(fù)雜的壁板、梁、肋、框、葉片等都采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[1-2]。利用復(fù)合材料及其成型工藝制造各種關(guān)鍵零部件，已成為近年復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要發(fā)展方向。例如，飛機(jī)機(jī)身壁板、機(jī)翼壁板采用碳纖維復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)長度達(dá)到30 m；風(fēng)能葉片采用復(fù)合材料制造，其長度超過90 m；軌道交通車輛中的超長梁采用了碳纖維復(fù)合材料制造，其制造長度可達(dá)100 m。用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的成型工藝方法包括熱壓罐工藝方法、液體成型工藝方法、拉擠工藝方法、纏繞工藝方法、鋪放/鋪貼工藝方法等。不同復(fù)合材料及其成型工藝可能帶來的缺陷特征及缺陷行為會(huì)明顯不同。不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制品幾何特征和加工行為不同，對缺陷的檢出行為和檢出要求會(huì)明顯不同。在復(fù)合材料成型或加工、使用過程中可能會(huì)引入缺陷/損傷。為了保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制品質(zhì)量和裝備的使用安全，通常需要對其進(jìn)行100%無損檢測。為此，首先需要研究和建立反映復(fù)合材料成型工藝特點(diǎn)的缺陷表征與評價(jià)方法；然后，按照復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、制品或裝備質(zhì)量控制要求、應(yīng)用場景和檢測場景，研究和建立滿足缺陷和損傷檢出準(zhǔn)確性要求的檢測方法、檢測手段、檢測標(biāo)準(zhǔn)。因此，無損檢測與評估在復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈和專業(yè)鏈中有著非常重要的作用。

目前超聲[3-9]、X射線[10-12]、紅外[13]、激光電子散斑 （ESPI）[14]、脈沖渦流[15-16]、太赫茲 （THz）[17]等方法已不同程度用于復(fù)合材料無損檢測方法研究。其中，紅外、ESPI檢測方法對復(fù)合材料近表面缺陷有一定的檢出效果，通過成像可以實(shí)現(xiàn)檢出結(jié)果的可視化，但需要對被檢測復(fù)合材料對象進(jìn)行熱、力加載，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料缺陷的定性定量可視化表征與準(zhǔn)確評估，目前在復(fù)合材料制造場景鮮有應(yīng)用；脈沖渦流方法是近年推出的一種檢測方法，對較薄的碳纖維復(fù)合材料有一定的檢測效果，檢測結(jié)果可以C掃描方式實(shí)現(xiàn)可視化，目前主要處于試驗(yàn)室和小樣品的檢測方法研發(fā)階段；微波方法包括THz方法，對部分高衰減低密度復(fù)合材料中連接界面有一定的檢測效果，通過微波掃描，檢測結(jié)果也可以實(shí)現(xiàn)可視化，但不適合形狀各異的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測和碳纖維復(fù)合材料的無損檢測。用于復(fù)合材料的X射線檢測方法目前包括DR方法和CT方法，是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料可視化檢測與缺陷準(zhǔn)確表征與評估的重要方法，其中DR方法是復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)、機(jī)織結(jié)構(gòu)和高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可視化檢測的有效方法。不過，對于復(fù)合材料中的分層或者界面型缺陷不敏感，而且需要專門的輻射防護(hù)，不適合大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測，但DR方法對復(fù)合材料中具有體積分布特征或者密度有顯著差別的缺陷檢出能力較強(qiáng)。CT方法是一種非常直觀的復(fù)合材料可視化檢測方法，主要適合中小尺寸類高附加值復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件的無損檢測，檢測成本高、檢測效率低、需要專門的輻射防護(hù)。

相比而言，超聲是一種具有普遍應(yīng)用價(jià)值的復(fù)合材料可視化檢測方法，因?yàn)閺?fù)合材料超聲評估與超聲波在其內(nèi)部的傳播行為密切相關(guān)[18]，據(jù)此，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和缺陷的精細(xì)量化評估[19-21]，可以用于復(fù)合材料缺陷定性定量表征與評估以及檢測結(jié)果的可視化，也非常環(huán)保和高效，但需要液體耦合，需要針對被檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的超聲檢測系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)可視化檢測。通常需要針對被檢測復(fù)合材料及其成型工藝特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)特征，研究和建立相應(yīng)的缺陷表征與超聲可視化評估方法。根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件特點(diǎn)不同，有些結(jié)構(gòu)不適用超聲穿透法，而采用超聲反射法可以實(shí)現(xiàn)絕大部分復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可視化檢測與評估。不過，超聲反射法對檢測分辨率和表面檢測盲區(qū)要求高，因此，超聲反射法檢測分辨率和表面缺陷檢出能力一直是復(fù)合材料檢測領(lǐng)域非常關(guān)注的技術(shù)問題[22-23]。對于工程應(yīng)用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件，理想的表面檢測盲區(qū)和縱向分辨率是達(dá)到單個(gè)復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層厚度 （約0.125 mm），至少不允許超過2個(gè)復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層厚度。因此，提高超聲檢測分辨率、減少表面檢測盲區(qū)、實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果的高質(zhì)可視化與準(zhǔn)確數(shù)字化評估已成為復(fù)合材料超聲檢測的重要發(fā)展方向。

本文針對復(fù)合材料數(shù)字化檢測與評估，提出了一種基于單脈沖周期的超聲檢測方法，簡稱“單脈沖超聲方法”，其突出的優(yōu)點(diǎn)是超聲檢測信號呈現(xiàn)單周特性，檢測分辨率和靈敏度高，表面檢測盲區(qū)非常小，信噪比和成像質(zhì)量非常高，信號顯示規(guī)律非常清晰，可以更利于進(jìn)行復(fù)合材料檢出缺陷的準(zhǔn)確量化評估和確定缺陷的類型，適合層壓、鋪絲鋪帶、纏繞等復(fù)合材料的無損檢測。針對復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)，利用構(gòu)建的單脈沖超聲可視化檢測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了能夠反映復(fù)合材料缺陷檢出要求和特點(diǎn)的試樣，分析了單脈沖超聲可視化方法的缺陷檢出能力，建立了復(fù)合材料內(nèi)部缺陷數(shù)字化表征模型和檢測方法，開展了單脈沖超聲可視化檢測試驗(yàn)分析和檢出缺陷的定量評估，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用單脈沖超聲可視化檢測技術(shù)，可以顯著提高超聲成像質(zhì)量和清晰度，表面檢測盲區(qū)和縱向分辨率達(dá)到單個(gè)復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層厚度（約0.125 mm），對于直徑6 mm的分層，檢出缺陷與設(shè)計(jì)尺寸最小偏差達(dá)0.1 mm，檢出缺陷與設(shè)計(jì)缺陷的形狀相似度接近1.0。

1 可視化方法與檢測系統(tǒng)

如圖1所示，通過換能器向被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)射周期性脈沖超聲波ui，通過耦合介質(zhì) （如水），ui在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成反射聲波uri為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部反射聲波，當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)、層間界面結(jié)合行為發(fā)生變化或者出現(xiàn)缺陷時(shí)，會(huì)使ui發(fā)生變化，當(dāng)這種變化足夠明顯時(shí)，就會(huì)引起顯著的聲波反射行為，形成可辨別的uri，uri經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的脈沖超聲回波信號當(dāng)vr中每個(gè)脈沖回波信號vri在時(shí)域上可分辨，就可確定產(chǎn)生聲波反射變化的區(qū)域和位置，進(jìn)而用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件可視化檢測與缺陷表征及定量評估。

圖1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單脈沖超聲反射法可視化檢測原理及其系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.1 Principle of visual detection of composites by mono-pulse ultrasonic (MU) reflection method and the basic structure of MU system

影響vri時(shí)域可分辨行為的因素主要有：（1）vri的時(shí)域?qū)挾萾w； （2）構(gòu)成vri的單個(gè)脈沖回波信號的寬度T0；（3）構(gòu)成vri的脈沖個(gè)數(shù)N，即脈沖周期數(shù)。三者之間的關(guān)系為

在脈沖多周期超聲 （簡稱“脈沖超聲”）信號條件下，由于N＞1，在時(shí)域上出現(xiàn)缺陷信號與表面信號混疊，造成靠近材料表面或底面附近的缺陷不可分辨，容易引起漏檢或不可檢，見圖1中多脈沖超聲信號特征描述。理想的情況是使N=1，此時(shí)超聲信號達(dá)到單個(gè)脈沖周期 （簡稱“單脈沖超聲”[24-25]），在時(shí)域上不會(huì)出現(xiàn)缺陷信號與表面信號混疊，使得靠近材料表面或底面附近的缺陷變得可分辨，不會(huì)引起漏檢或不可檢，參見圖1中單脈沖超聲信號特征描述。對于垂直入射超聲縱波反射法可視化檢測，大量的研究和應(yīng)用結(jié)果表明，采用單脈沖超聲技術(shù) （包括換能器、超聲儀器及超聲系統(tǒng)）可以顯著改善超聲反射法表面檢測盲區(qū)和縱向分辨率[24-25]。

在單脈沖超聲條件下，當(dāng)缺陷面積小于換能器聲束面積時(shí)，來自復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件的超聲回波信號如圖1所示，此時(shí)vr可表示為

式中，vr1=vf，vr2=vd，vr3=vb。vf反映入射聲波在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件表面的耦合效果；vd與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件內(nèi)部缺陷有關(guān)；vb反映到達(dá)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件底面的超聲波大小，與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件內(nèi)部是否存在缺陷、缺陷類型、其內(nèi)部聲衰減特性等有關(guān)。

圖1中，ui代表入射聲波；uf、ub、ud分別表示來自復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面、底面和內(nèi)部反射聲波；vr表示來自復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲回波信號，vf、vb、vd分別來自uf、ub和ud；t為聲波在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中傳播的時(shí)間。

利用式 （1）中超聲信號之間的時(shí)域關(guān)系，可以確定檢出缺陷的深度位置和局部厚度分布。在單脈沖條件下，可以提取到來自不同復(fù)合材料層間界面可能存在缺陷的超聲反射信號[24-25]，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件缺陷超聲準(zhǔn)確表征和評估。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件的超聲可視化檢測，自主設(shè)計(jì)和研制了圖1所示專門的單脈沖超聲可視化檢測系統(tǒng)，它主要由單脈沖超聲換能器、單脈沖超聲電子單元、單脈沖超聲信號處理單元、多軸掃描機(jī)構(gòu)、多軸控制單元、位置數(shù)據(jù)輸出單元、計(jì)算機(jī)成像與顯示單元等構(gòu)成。采用自主研制的MUI系列 （線性坐標(biāo)、噴水耦合式）、CUS系列 （線性坐標(biāo)、水浸耦合式）、DUS系列 （向量坐標(biāo)、水浸/噴水耦合式）單脈沖超聲自動(dòng)掃描成像檢測系統(tǒng)和MUT-1復(fù)合材料檢測儀器以及FJ系列換能器，構(gòu)建復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單脈沖超聲可視化檢測系統(tǒng)，更好地用于復(fù)合材料中超聲行為研究、特征信號和成像分析與缺陷準(zhǔn)確數(shù)字化評估，從而實(shí)現(xiàn)不同場景復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或制件的超聲可視化檢測與缺陷準(zhǔn)確評估。當(dāng)單脈沖超聲電子單元在透射方式下工作時(shí)，與發(fā)射和接收探頭及掃描機(jī)構(gòu)配合，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的穿透法可視化檢測與缺陷數(shù)字化評估。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試樣設(shè)計(jì)與檢測結(jié)果

為了驗(yàn)證單脈沖超聲檢測效果，分析單脈沖在復(fù)合材料中的傳播行為和信號規(guī)律，采用主動(dòng)工藝控制方法，設(shè)計(jì)制備了典型的碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣，在試樣內(nèi)部預(yù)置有不同深度的分層缺陷，如圖2所示。復(fù)合材料試樣為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料多向?qū)訅航Y(jié)構(gòu)試樣，試樣中缺陷分布在其近表面1個(gè)鋪層深度的極限位置、近底表面1個(gè)鋪層深度的極限位置及試樣中間深度位置。試樣的厚度約為4.5 mm，由1st、2nd、…、35th、36th共36個(gè)預(yù)浸料鋪層組成，采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CCF300碳纖維預(yù)浸料，單個(gè)預(yù)浸料鋪層標(biāo)稱厚度約0.125 mm，采用±45°、0°、90°多向鋪層鋪貼和熱壓罐成型工藝。試樣中的缺陷為單層聚四氟乙烯薄膜模擬分層，試樣中共預(yù)置有3排4列共12個(gè)不同大小和深度的缺陷，其中缺陷F11、F12、F13、F14的設(shè)計(jì)大小分別為φ13 mm、φ9 mm、φ6 mm、φ3 mm，且均位于35th～36th鋪層界面 （近底面1個(gè)鋪層深度）；缺陷F21、F22、F23、F24的設(shè)計(jì)大小分別為φ13 mm、φ9 mm、φ6 mm、φ3 mm，均位于17th～18th鋪層界面 （試樣的1/2厚度的深度位置）；缺陷F31、F32、F33、F34的設(shè)計(jì)大小分別為φ13 mm、φ9 mm、φ6 mm、φ3 mm，均位于1st～ 2nd鋪層界面 （近表面1個(gè)鋪層深度），見表1的缺陷編號及其設(shè)計(jì)值。表1同時(shí)給出了試樣中各個(gè)預(yù)置缺陷的單脈沖超聲可視化檢出結(jié)果。這種缺陷模擬也是目前國際上常用的復(fù)合材料分層缺陷模擬方法，且能反映層壓復(fù)合材料中可能產(chǎn)生的實(shí)際工藝分層和缺陷檢出能力。

表1 復(fù)合材料試樣中缺陷設(shè)計(jì)大小和深度Table 1 Design size and depth of defects in the composite specimen

圖2 復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試件及其缺陷分布（mm）Fig.2 Illustration of composite laminated specimen and defect distribution in it (mm)

采用圖1中單脈沖超聲反射法可視化檢測及CUS-21J超聲系統(tǒng)，超聲電子單元為自主研制的UPower-1；單脈沖超聲換能器采用自主研制的FJ-1，頻率為5 MHz。圖3是利用所創(chuàng)建的單脈沖超聲檢測方法[24-25]和檢測系統(tǒng)對含有極端缺陷案例進(jìn)行實(shí)際可視化檢測的結(jié)果。

圖3 復(fù)合材料單脈沖超聲可視化成像檢測結(jié)果（mm）Fig.3 Results of mono-pulse ultrasonic visualization imaging of the composite specimen (mm)

2.2 鋪層方向表征與缺陷可視化判別

由圖3可知，單脈沖超聲可視化成像質(zhì)量非常高，從灰度分布特征可以清晰地看出復(fù)合材料試樣內(nèi)部±45°、0°、90°多向鋪層特征 （白色雙向箭頭指示的灰度分布），其中，對應(yīng)±45°方向的鋪層灰度分布特征最為明顯，對應(yīng)0°和90°方向的鋪層灰度分布特征有所弱化，這與鋪層的深度位置及來自不同鋪層深度界面的聲學(xué)信號有關(guān)。因此，這種可視化方法可以用于檢測和揭示復(fù)合材料內(nèi)部鋪層分布特征。

圖3中高質(zhì)量單脈沖超聲可視化成像結(jié)果非常有利于缺陷的準(zhǔn)確檢出和定量表征，不易出現(xiàn)漏檢和誤判，從成像灰度分布容易識別出復(fù)合材料試樣中預(yù)置的全部缺陷，對應(yīng)圖3中F11、F12、F13、F14、F21、F22、F23、F24、F31、F32、F33、F34的圓形灰度區(qū)，表明采用單脈沖超聲可視化檢測技術(shù)，能可靠地檢出復(fù)合材料試樣中近表面1個(gè)鋪層深度的缺陷 （缺陷F31、F32、F33、F34）、近底面1個(gè)鋪層深度的缺陷 （缺陷F11、F12、F13、F14）、中間鋪層深度的缺陷 （缺陷F21、F22、F23、F24）。因此，利用這種方法可以準(zhǔn)確地檢出復(fù)合材料內(nèi)部不同鋪層深度位置的缺陷，且近底面和近表面分辨率達(dá)到單個(gè)復(fù)合材料鋪層深度，即0.125 mm。

2.3 缺陷分布行為可視化評估

利用圖3中高質(zhì)量的單脈沖超聲可視化成像結(jié)果，可以準(zhǔn)確地評價(jià)試樣中實(shí)際缺陷分布與設(shè)計(jì)分布之間的映射關(guān)系及其偏離情況，即圖4中白色虛線所展示的試樣中設(shè)計(jì)缺陷分布與單脈沖可視化檢出結(jié)果的疊加結(jié)果?？梢苑浅Ｇ逦乜闯觯嚇又袑?shí)際預(yù)置的分層缺陷的位置分布與缺陷設(shè)計(jì)分布存在一定的差異，利用高質(zhì)量的可視化結(jié)果，可以準(zhǔn)確提出每個(gè)缺陷的分布位置偏差，如表2所示。可以看出，缺陷F14的分布位置負(fù)偏離最大 （約-4.3 mm），F(xiàn)31的分布正偏離最大 （約+ 3.9 mm），F(xiàn)11的分布位置幾乎與設(shè)計(jì)值一致，因此，這種超聲檢測方法可以用于檢測復(fù)合材料內(nèi)部缺陷預(yù)置位置分布，進(jìn)而可以用于檢測和評估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部目視可見的結(jié)構(gòu)變化分布特征。

表2 檢出缺陷分布位置與設(shè)計(jì)分布位置的偏離評估結(jié)果Table 2 Variation in distribution positions of detected and designed defects mm

2.4 缺陷數(shù)字化模型評估與結(jié)果分析

利用圖3中高質(zhì)量的單脈沖超聲可視化結(jié)果，可以進(jìn)行檢出缺陷的數(shù)字化評估，用于復(fù)合材料制件內(nèi)部質(zhì)量符合性準(zhǔn)確評定。目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要是采用取向長度和缺陷形狀兩方面信息對超聲檢出缺陷進(jìn)行評定/驗(yàn)收，通過高質(zhì)量的單脈沖超聲可視化成像結(jié)果可以獲取這方面的量化信息，而且超聲成像的質(zhì)量直接影響檢出缺陷取向長度和形狀信息的準(zhǔn)確提取。因此，提高超聲成像檢測的質(zhì)量就尤為重要。針對復(fù)合材料制件超聲可視化檢測，提出了缺陷大小、缺陷形狀相似度系數(shù)和缺陷大小逼近度相似度系數(shù)綜合表征方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件內(nèi)部質(zhì)量的綜合數(shù)字化表征和檢出缺陷的準(zhǔn)確定量評估，提高復(fù)合材料制件的數(shù)字化評估能力，對接未來復(fù)合材料制件數(shù)字化制造。

（1）檢出缺陷大小準(zhǔn)確度表征。

通常比較檢出缺陷大小是評價(jià)超聲檢測效果和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)驗(yàn)收的經(jīng)典方法，從工程應(yīng)用角度，對超聲檢出缺陷大小準(zhǔn)確度評定的基本要求必須滿足式（1）。

式中，ΔΦ表示檢出缺陷大小偏差，Φi、Φi+1分別表示相鄰兩個(gè)級差的缺陷大小，i=1，2，3，…，與缺陷的級差數(shù)對應(yīng)。

從表3中的缺陷檢出結(jié)果可以看出，采用單脈沖超聲可視化檢測方法，最小的檢出缺陷與設(shè)計(jì)值偏差ΔΦ為0.1 mm，最大的ΔΦ為0.4 mm。根據(jù)式 （1），ΔΦ遠(yuǎn)小于試樣中相鄰兩個(gè)缺陷的級差 （1.5 mm和2 mm），可見，采用單脈沖超聲可視化成像檢測方法，其成像質(zhì)量得到了顯著改善，明顯有助于提高檢出缺陷大小評定的準(zhǔn)確性。

表3 檢出缺陷值與設(shè)計(jì)值比對Table 3 Comparison of detected and designed sizes of defects mm

（2）檢出缺陷形狀相似度表征。

這里用式（2）形狀相似度系數(shù)表示檢出缺陷與預(yù)置缺陷的形狀特征吻合度。

式中，xs、ys分別表示設(shè)計(jì)缺陷在x、y兩個(gè)相互垂直方向的取向長度；xu、yu分別表示檢出缺陷在x、y兩個(gè)相互垂直方向的取向長度。

k值越小于1或越大于1均表示檢出缺陷與設(shè)計(jì)缺陷的形狀差異越大；k=1 表示檢出缺陷與設(shè)計(jì)缺陷形狀相似度最好，即此時(shí)認(rèn)為檢出缺陷與設(shè)計(jì)缺陷的形狀一致，通常k=1±0.100時(shí)，表明檢出缺陷形狀相似度很高。從圖3中的單脈沖超聲可視化成像檢測結(jié)果可以非常清晰地看出，超聲圖像質(zhì)量非常高，非常有利于對檢出缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定量評估。從檢出結(jié)果可以非常清晰地得到預(yù)置缺陷的圓形幾何特征，與預(yù)置的圓形缺陷特征完全一致。利用式 （2），在表4中給出各個(gè)檢出缺陷的形狀相似度系數(shù)k，可見各個(gè)檢出缺陷形狀相似系數(shù)k分布在1±0.100內(nèi)，表明檢出缺陷與預(yù)置缺陷具有很好的形狀特征吻合度，這也驗(yàn)證了圖3中檢出缺陷形狀所呈現(xiàn)出來的圓形分布特征。

表4 檢出缺陷形狀相似度系數(shù)Table 4 Similarity coefficient of detected defect

（3）檢出缺陷取向尺寸逼近度系數(shù)表征。

這里用逼近系數(shù)δx表示檢出缺陷與預(yù)置缺陷在x方向的取向尺寸（缺陷最大長度）接近程度，如式（5）所示；用逼近系數(shù)δy表示檢出缺陷與預(yù)置缺陷在y方向的取向尺寸（垂直x方向的最大寬度）接近程度，如式 （6）所示。

δx、δy值越接近1，表示檢出缺陷與設(shè)計(jì)缺陷的取向尺寸差異越?。沪膞=1或δy=1表示檢出缺陷與設(shè)計(jì)缺陷取向尺寸逼近度最好，即此時(shí)認(rèn)為檢出缺陷與設(shè)計(jì)缺陷的取向尺寸一致。根據(jù)式 （5）和 （6），表5中給出各個(gè)檢出缺陷的取向尺寸逼近度系數(shù)δx和δy，可見，各個(gè)檢出缺陷的δx和δy分布在 1～1.067 內(nèi)，表明在單脈沖超聲可視化檢測條件下，基于所得到的高清晰度成像結(jié)果，檢出缺陷與預(yù)置缺陷具有很好的取向尺寸逼近度，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了圖3和4中檢出缺陷形狀所呈現(xiàn)出來的圓形分布特征。

表5 檢出缺陷取向尺寸逼近度系數(shù)Table 5 Approximation coefficient of detected defects

（4）缺陷檢出重復(fù)性評價(jià)。

這里用缺陷檢出重復(fù)性系數(shù)∈表示考慮了缺陷大小和深度檢出的檢測重復(fù)性，如式（7）所示。

式中，M為預(yù)置缺陷數(shù)；N為實(shí)際檢出缺陷數(shù)；γ為缺陷檢出系數(shù)，γ=0表示缺陷大小和深度均不能有效檢出，γ=1表示缺陷大小和深度均能有效檢出，γ=0.5表示缺陷大小或深度均不能有效檢出；∈值越接近100%，表示缺陷的檢出重復(fù)率越高。

從圖3和4中的單脈沖超聲檢測結(jié)果可知，試樣預(yù)置的不同大小和不同深度的缺陷均能可靠地檢出。利用式 （7）即可從檢出缺陷大小和深度兩個(gè)方面評價(jià)單脈沖超聲方法的檢測重復(fù)性系數(shù)，如表6所示，考慮了檢出缺陷大小和深度的單脈沖超聲方法的檢測重復(fù)性系數(shù)達(dá)到100%，表明單脈沖超聲方法具有很好的檢測重復(fù)性。

表6 考慮缺陷大小和深度檢出的檢測重復(fù)性評價(jià)Table 6 Repetition evaluation of detected defects

3 結(jié)論

（1） 復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量數(shù)字化檢測與評估是未來智能制造的重要技術(shù)發(fā)展方向，單脈沖超聲可視化成像檢測方法和檢測技術(shù)為復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量數(shù)字化檢測與評估提供了先進(jìn)的解決手段和工具。

（2） 采用單脈沖超聲可視化成像檢測技術(shù)，可以使超聲表面和底面檢測達(dá)到1個(gè)復(fù)合材料鋪層深度的極限情況，確?？煽康貦z出復(fù)合材料中每個(gè)鋪層界面可能存在的界面缺陷，也可以對檢出缺陷所在的鋪層界面位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，有助于復(fù)合材料及工藝優(yōu)化。

（3） 利用單脈沖超聲可視化成像檢測方法得到的成像結(jié)果，可以顯著改進(jìn)和提高檢出缺陷大小評定的準(zhǔn)確性，得到檢出缺陷的準(zhǔn)確形狀和取向尺寸，非常有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的準(zhǔn)確量化評估和確定復(fù)合材料制件制品的質(zhì)量驗(yàn)收符合性。

（4） 所建立的檢出缺陷大小準(zhǔn)確度、檢出缺陷形狀相似度、檢出缺陷取向尺寸逼近度系數(shù)和缺陷檢出重復(fù)性系數(shù)等數(shù)字化表征方法，不僅可以用于超聲可視化檢測結(jié)果的量化評估，還可以用于所采用的超聲方法、設(shè)備和檢測工藝的綜合評價(jià)，為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料數(shù)字化評估提供了有效的檢測方法。同時(shí)，為復(fù)合材料提供了有效的可視化檢測與評估方法、檢測技術(shù)、檢測儀器設(shè)備和檢測標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)取得了實(shí)際檢測應(yīng)用。