王 松，王 錚，席 歡

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、抗疲勞、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天、軌道交通等領(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)材料之一[1-3]。復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，材料的質(zhì)量可靠性要求不容忽視[4-5]。無(wú)損檢測(cè)是材料研制和生產(chǎn)過程中重要的質(zhì)量監(jiān)控手段，是開展高性能材料研制不可或缺的重要環(huán)節(jié)[6-8]。但是隨著復(fù)合材料在各種應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件不斷涌現(xiàn)，給無(wú)損檢測(cè)帶來(lái)了新的難題和挑戰(zhàn)。因此，隨著先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步成為一個(gè)永恒課題[9-12]。

R區(qū)結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料制件中常見結(jié)構(gòu)之一，容易產(chǎn)生架橋、褶皺、孔洞等缺陷。而且由于應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，其缺陷危害性更強(qiáng)。但是，R區(qū)結(jié)構(gòu)曲率大，聲入射耦合面小，聲波折射和散射現(xiàn)象復(fù)雜，導(dǎo)致常規(guī)超聲檢測(cè)靈敏度低、檢測(cè)盲區(qū)大、缺陷檢出率小，給復(fù)合材料制件的使用帶來(lái)較大隱患[13-14]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛針對(duì)這一問題開展無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究[15-18]。張冬梅等[17]對(duì)比了相控陣弧陣換能器和線陣換能器兩種檢測(cè)方式下的檢測(cè)能力，認(rèn)為這兩種形式陣列探頭檢測(cè)效果均優(yōu)于常規(guī)超聲單探頭，具有檢測(cè)效率高、覆蓋性好等優(yōu)勢(shì)。謝玲麗等[16]針對(duì)帶筋構(gòu)件R區(qū)多類型缺陷的快速檢測(cè)和精確識(shí)別等難題，提出基于分布式激光超聲的帶筋構(gòu)件R區(qū)缺陷檢測(cè)和分類識(shí)別方法，為帶筋構(gòu)件制造缺陷的快速檢測(cè)和分類識(shí)別提供了新思路。羅忠兵等[18]針對(duì)R區(qū)開展了彈性特性表征、有限元建模、聲場(chǎng)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為缺陷精準(zhǔn)辨識(shí)提供支持。現(xiàn)有研究顯示，超聲相控陣技術(shù)是目前解決復(fù)合材料R區(qū)檢測(cè)難題的最佳手段[19-21]。

本文針對(duì)L型復(fù)合材料R區(qū)的超聲相控陣檢測(cè)，開展了不同聲束截面聲場(chǎng)分布規(guī)律研究，并對(duì)影響聲場(chǎng)分布的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 檢測(cè)原理

基于超聲相控陣的聲束聚焦和陣列掃查原理，采用曲面陣列探頭，晶片排列形式如圖1（a）所示。檢測(cè)時(shí)，使曲面陣列探頭的圓弧圓心與被檢測(cè)R區(qū)圓心重合，陣列探頭與R區(qū)相對(duì)位置如圖1（b）所示。1組晶片作為1個(gè)虛擬陣元發(fā)射聲波，利用陣列掃查依次激發(fā)所有晶片，實(shí)現(xiàn)R區(qū)全范圍聲束垂直入射檢測(cè)。

R區(qū)超聲相控陣檢測(cè)可以采用聚焦和非聚焦兩種方式，非聚焦檢測(cè)時(shí)，晶片組發(fā)射的聲束自然匯聚到曲面探頭與R區(qū)重合的圓心位置，然后再繼續(xù)向R區(qū)內(nèi)部傳播；聚焦檢測(cè)通常采用單點(diǎn)聚焦方式，即晶片組發(fā)射聲束依次聚焦在主聲束所在角度的某一深度位置，圖1（c）中的紅色曲線即為整個(gè)探頭的聚焦位置。

該方法在檢測(cè)時(shí)能夠同時(shí)進(jìn)行A掃描、B掃描和C掃描成像，并可直觀準(zhǔn)確地對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，消除了傳統(tǒng)超聲方法對(duì)R區(qū)檢測(cè)的弊端，如入射聲束不能完全與R區(qū)表面垂直 （圖2（a））、難以實(shí)現(xiàn)R區(qū)全覆蓋檢測(cè) （圖2（b）），以及不能對(duì)缺陷準(zhǔn)確評(píng)定等。

圖2 常規(guī)超聲單探頭檢測(cè)R區(qū)聲束傳播情況舉例Fig.2 Example of sound beam propagation in R-zone using conventional ultrasonic single probe

2 仿真試驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1 試驗(yàn)方法

本文仿真試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象為碳纖維復(fù)合材料L型R區(qū)結(jié)構(gòu)，材料聲速設(shè)為2600 m/s，聲衰減設(shè)為0.8 dB/mm。內(nèi)圓曲率半徑為5 mm，開口角度為90°，層板厚度為6 mm。相控陣探頭為32晶片線陣，晶片沿曲率半徑14 mm的圓弧排列，圓心角為119°。晶片寬度0.5 mm、長(zhǎng)度6 mm、間距0.1 mm。

采用CIVA聲場(chǎng)仿真軟件，聲波激勵(lì)信號(hào)中心頻率5 MHz，帶寬2.5 MHz，忽略材料各向異性影響，對(duì)沿R區(qū)圓弧和長(zhǎng)度兩個(gè)方向截面的聲場(chǎng)分布進(jìn)行仿真。耦合方式采用有機(jī)玻璃楔塊耦合。R區(qū)取向示意圖如圖3所示。

圖3 R區(qū)取向示意圖Fig.3 Schematic diagram of R-zone orientation

此外，針對(duì)受檢測(cè)參數(shù)影響較大的沿R區(qū)圓弧方向截面，開展虛擬陣元晶片數(shù)目和晶片聚焦方式對(duì)聲場(chǎng)分布的影響研究，以及不同角度的虛擬陣元產(chǎn)生聲場(chǎng)的對(duì)比研究。

2.2 聲場(chǎng)分布仿真結(jié)果

以6個(gè)晶片為1個(gè)虛擬陣元，1個(gè)晶片為激發(fā)間隔，依次激發(fā)相控陣探頭中所有晶片，仿真檢測(cè)采用非聚焦方式。在沿R區(qū)圓弧方向截面，1個(gè)虛擬陣元產(chǎn)生的聲場(chǎng)分布如圖4所示，6 dB聲束范圍 （寬×深）約2.7 mm×6.0 mm，在不移動(dòng)相控陣探頭的前提下，進(jìn)行陣列掃查，合成聲場(chǎng)分布如圖5所示。

圖4 1個(gè)虛擬陣元沿R區(qū)圓弧方向仿真聲場(chǎng)Fig.4 A virtual probe simulation sound field along the arc direction of R-zone

圖5 沿R區(qū)長(zhǎng)度方向合成仿真聲場(chǎng)Fig.5 Synthetic simulation sound field along the extended direction of R-zone

由上述仿真結(jié)果可以看到，在沿R區(qū)圓弧方向截面，1個(gè)虛擬陣元發(fā)射的聲波首先匯聚于探頭與R角圓心的交點(diǎn)，再以該點(diǎn)為虛擬發(fā)射源向被檢測(cè)R區(qū)傳播，并近似垂直入射至對(duì)應(yīng)角度R區(qū)表面。晶片組依次激發(fā)，最終可實(shí)現(xiàn)R區(qū)全范圍聲束覆蓋。

在沿R區(qū)長(zhǎng)度方向截面，1個(gè)虛擬陣元產(chǎn)生的聲場(chǎng)分布如圖6所示。6 dB有效聲束范圍 （寬×深）約為14.1 mm×5.9 mm。

圖6 1個(gè)虛擬陣元沿R區(qū)長(zhǎng)度方向聲場(chǎng)分布Fig.6 Sound field distribution of a virtual probe along the extended direction of R-zone

由仿真結(jié)果分析，圖1形式的相控陣探頭在R角圓弧和長(zhǎng)度兩個(gè)相互垂直方向截面的聲場(chǎng)分布特點(diǎn)不同。兩個(gè)截面中的6 dB聲束范圍在深度方向上基本能夠覆蓋被檢R區(qū)6 mm要求，而在各自截面的寬度方向上相差較大。其中，沿R角圓弧方向有效聲束寬度較小，而沿R角長(zhǎng)度方向有效聲束寬度較大，這種聲場(chǎng)分布特點(diǎn)與線聚焦探頭有相似之處。

2.3 虛擬陣元晶片數(shù)目對(duì)聲場(chǎng)的影響

虛擬陣元晶片數(shù)目N是超聲相控陣檢測(cè)的一項(xiàng)重要參數(shù)，分別設(shè)置N為5、6、7、8，對(duì)不同晶片數(shù)目虛擬陣元在沿R角圓弧方向截面產(chǎn)生的聲場(chǎng)進(jìn)行仿真，聚焦方式為非聚焦。不同數(shù)目晶片的虛擬陣元聲場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖7所示，依次激發(fā)所有陣元產(chǎn)生的合成聲場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖8所示。表1對(duì)比分析了不同數(shù)目晶片虛擬陣元聲場(chǎng)的最大強(qiáng)度和6 dB有效聲束范圍。

表1 不同數(shù)目晶片的虛擬陣元產(chǎn)生聲場(chǎng)對(duì)比Table 1 Comparison of sound field produced by virtual probe with different number of elements

圖7 不同數(shù)目晶片的單個(gè)虛擬陣元聲場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of sound field distribution of single virtual probe with different number of elements

圖8 不同數(shù)目晶片的虛擬陣元合成聲場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of virtual probe synthetic sound field distribution with different number of elements

由仿真結(jié)果可以看到，1個(gè)虛擬陣元包含的晶片數(shù)目越多，聲場(chǎng)分布強(qiáng)弱差異越大，最大聲場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，且位置越靠近表面；同時(shí)，6 dB聲束寬度增大，沿R區(qū)弧度方向分辨力變差，但6 dB聲束長(zhǎng)度基本均可覆蓋6 mm厚度層板。

通過上述仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)聲場(chǎng)強(qiáng)度和分布角度，同時(shí)激發(fā)6或7個(gè)晶片檢測(cè)時(shí)，聲場(chǎng)強(qiáng)度總體較高，且聲場(chǎng)分布相對(duì)均勻；針對(duì)檢測(cè)分辨力和小缺陷評(píng)定，激發(fā)晶片數(shù)目越少 （本仿真試驗(yàn)為5晶片），沿R區(qū)圓弧方向聲束寬度越小，越有利于該方向的缺陷識(shí)別和評(píng)定。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，可依據(jù)上述仿真得到的虛擬陣元晶片數(shù)量與聲場(chǎng)、分辨力的關(guān)系，針對(duì)具體被檢測(cè)對(duì)象材料衰減、厚度、最小檢測(cè)缺陷等情況合理選擇虛擬陣元數(shù)目。

2.4 聚焦方式對(duì)檢測(cè)聲場(chǎng)影響

以6個(gè)晶片為1個(gè)虛擬陣元，開展聲束聚焦與非聚焦檢測(cè)方式下檢測(cè)效果對(duì)比研究。設(shè)置虛擬陣元聚焦方式分別為單點(diǎn)聚焦于R區(qū)內(nèi)圓弧表面下1 mm、2 mm、3 mm、4 mm深度位置，對(duì)其聲場(chǎng)分布進(jìn)行仿真。同時(shí)與不設(shè)置聚焦方式的檢測(cè)聲場(chǎng)分布情況進(jìn)行對(duì)比。

圖9和10分別給出1個(gè)虛擬陣元聲場(chǎng)及探頭合成聲場(chǎng)的仿真結(jié)果，表2對(duì)比分析了圖9虛擬陣元產(chǎn)生聲場(chǎng)的最大聲場(chǎng)強(qiáng)度和6 dB有效聲束范圍，圖11和12分別對(duì)比了圖9虛擬陣元聲場(chǎng)在水平和垂直兩個(gè)方向的聲場(chǎng)強(qiáng)度曲線。

表2 1個(gè)虛擬陣元產(chǎn)生的最大聲場(chǎng)強(qiáng)度和6 dB有效聲束范圍對(duì)比Table 2 Comparison of the maximum sound field intensity and 6 dB effective sound beam range generated by a virtual probe

圖9 1個(gè)虛擬陣元不同聚焦深度及非聚焦方式下聲場(chǎng)分布Fig.9 Sound field distribution of a virtual probe under different focusing depths and non focusing modes

圖10 不同聚焦深度及非聚焦方式下合成聲場(chǎng)分布Fig.10 Synthetic sound field distribution under different focusing depths and non focusing modes

圖11 1個(gè)虛擬陣元聲場(chǎng)在水平方向的聲場(chǎng)強(qiáng)度曲線對(duì)比Fig.11 Comparison of sound field intensity curves of a virtual probe in the horizontal direction

圖12 1個(gè)虛擬陣元聲場(chǎng)在垂直方向的聲場(chǎng)強(qiáng)度曲線對(duì)比Fig.12 Comparison of sound field intensity curves of a virtual probe in the vertical direction

由以上仿真結(jié)果可知，聚焦聲場(chǎng)的最大聲場(chǎng)強(qiáng)度普遍高于非聚焦聲場(chǎng)，6 dB聲束寬度小于非聚焦聲場(chǎng)。但所有聚焦與非聚焦檢測(cè)方式下最大聲強(qiáng)差異不大于3 dB；焦點(diǎn)位于3 mm和4 mm時(shí)的聲束寬度最小，其他情況聲束寬度略大。聚焦檢測(cè)方式下，最大聲場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，聲束寬度減小，有利于提高檢測(cè)信噪比。

2.5 不同角度虛擬陣元檢測(cè)聲場(chǎng)分布比較

以6個(gè)晶片為1個(gè)虛擬陣元，采用非聚焦檢測(cè)模式，分別模擬1～6、8～13、14～19、20～25、27～32 5組虛擬陣元的聲場(chǎng)分布，分析不同角度虛擬陣元聲場(chǎng)分布差異。圖13為上述5組晶片組成虛擬陣元的聲場(chǎng)分布，表3為不同角度虛擬陣元產(chǎn)生的最大聲場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)比。

表3 5個(gè)不同角度虛擬陣元產(chǎn)生的最大聲場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比Table 3 Comparison of the maximum sound field intensity generated by five virtual array elements from different angles

圖13 5個(gè)不同角度虛擬陣元檢測(cè)聲場(chǎng)分布Fig.13 Sound field distribution of five virtual array elements with different angles

以上仿真結(jié)果分析表明，5種角度虛擬陣元產(chǎn)生的聲場(chǎng)分布相似，最大聲場(chǎng)強(qiáng)度略有差異，近似中心（14～19晶片）的虛擬陣元最大聲強(qiáng)最強(qiáng)，兩側(cè)虛擬陣元隨偏轉(zhuǎn)角度增加最大聲強(qiáng)依次降低，5種虛擬陣元聲場(chǎng)的最大強(qiáng)度差不大于1 dB。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 虛擬陣元不同晶片數(shù)目檢測(cè)效果比較

本檢測(cè)試驗(yàn)采用廣州多浦樂公司的Novascan 32/128超聲相控陣檢測(cè)儀和5 MHz曲面線陣探頭 （5C32-0.5×10-X51），檢測(cè)采用水耦合方式。被檢測(cè)試樣為厚度6 mm、內(nèi)圓弧曲率半徑5 mm、開口角度90°的L型R區(qū)有機(jī)玻璃，其聲速和聲衰減與碳纖維材料相近。試樣采用平底孔模擬分層缺陷，平底孔孔徑為3 mm，平底孔軸線與R區(qū)側(cè)邊的角度呈45°，埋深 （即平底孔孔底距離內(nèi)圓弧表面的距離）分別為1.0 mm、2.5 mm和4.5 mm，平底孔位置如圖14所示。

圖14 平底孔位置示意圖Fig.14 Schematic diagram of flat bottom hole position

檢測(cè)采用非聚焦模式，激勵(lì)信號(hào)為100 V負(fù)方波，虛擬陣元晶片數(shù)目分別選擇為4、6、8。圖15為不同埋深平底孔B掃描圖。3種晶片數(shù)目虛擬陣元檢測(cè)的平底孔埋深與增益值曲線如圖16所示，其增益值為將平底孔反射信號(hào)幅度調(diào)至檢測(cè)儀滿刻度80%時(shí)的檢測(cè)儀增益值。

圖15 3種晶片數(shù)目虛擬陣元檢測(cè)B掃描圖Fig.15 B-scan image of virtual array element detection for three types of chip numbers

圖16 3種晶片數(shù)目虛擬陣元檢測(cè)靈敏度曲線Fig.16 Sensitivity curves of virtual array element detection for three types of chip numbers

上述檢測(cè)試驗(yàn)中，晶片數(shù)量分別為4、6和8的虛擬陣元，均可實(shí)現(xiàn)R角中3種埋深φ3 mm平底孔檢測(cè)，檢測(cè)信噪比及分辨力均較佳。其中，晶片數(shù)目為4的虛擬陣元檢測(cè)，所用增益值相對(duì)較大，說(shuō)明聲場(chǎng)能量偏弱；晶片數(shù)目為6的虛擬陣元檢測(cè)，3個(gè)平底孔所用增益值相對(duì)均較小，說(shuō)明聲場(chǎng)能量整體較強(qiáng)；晶片數(shù)目為8的虛擬陣元，埋深較小的平底孔增益值居中，埋深較大的平底孔增益值較大，說(shuō)明聲場(chǎng)能量較6晶片虛擬陣元弱，且能量分布沿厚度方向變化較大。

本試驗(yàn)驗(yàn)證的不同晶片虛擬陣元檢測(cè)聲場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性分布規(guī)律，與2.3節(jié)仿真結(jié)果一致。

3.2 不同角度檢測(cè)效果比較

本試驗(yàn)采用法國(guó)M2M公司的Multi2000超聲相控陣檢測(cè)儀，配備廣州多浦樂公司的5 MHz曲面線陣探頭 （5C32-0.5×10-X51），檢測(cè)采用水耦合方式。

對(duì)厚度6 mm、曲率半徑5 mm、開口角度90°的L型碳纖維復(fù)合材料R區(qū)試樣進(jìn)行檢測(cè)，試樣中采用平底孔模擬分層缺陷，平底孔孔徑為3 mm，埋深約4 mm，平底孔軸線與R區(qū)一側(cè)直角邊的夾角分別為45°、60°、75°和90°。R區(qū)試樣中平底孔分布如圖17所示。

圖17 R區(qū)試樣中平底孔與直角邊對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖Fig.17 Schematic diagram of relationship between the flat bottom hole and the right angle edge in R-zone specimens

選擇6個(gè)晶片為一個(gè)虛擬陣元，以非聚焦檢測(cè)方式對(duì)R區(qū)試樣進(jìn)行陣列掃查檢測(cè)。R區(qū)試樣中不同角度平底孔超聲相控陣檢測(cè)的A掃描波形、B掃描圖像和扇形掃查圖像，如圖18所示。

圖18 R區(qū)試樣中不同角度平底孔檢測(cè)結(jié)果顯示Fig.18 Display of testing results for flat bottom holes at different angles in R-zone specimens

由檢測(cè)波形和圖像可知，4種角度平底孔均能有效檢出。45°、60°、75°、90°這4個(gè)角度平底孔反射波幅度達(dá)到顯示屏滿刻度80%時(shí)的增益值分別為47.5 dB、46.8 dB、58.1 dB和48.3 dB，除75°平底孔檢測(cè)增益值偏大外（反射幅度偏低），其他3個(gè)平底孔增益值相差不大，最大差值為1.5 dB。觀察75°平底孔扇形掃查圖像，在平底孔顯示上方的材料內(nèi)部有雜亂信號(hào)顯示，表明該處材料內(nèi)部可能存在彌散性缺陷，導(dǎo)致聲波發(fā)生衰減，從而造成該平底孔增益值偏高。

該試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了2.4節(jié)“不同角度虛擬陣元聲場(chǎng)分布相似”結(jié)論的合理性。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

（1）圓弧陣列探頭檢測(cè)R區(qū)時(shí)，在沿R區(qū)圓弧方向和長(zhǎng)度方向聲場(chǎng)分布規(guī)律不同，必要時(shí)建議分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的聲束寬度。

（2）虛擬陣元晶片數(shù)目會(huì)影響聲場(chǎng)分布，晶片數(shù)目越多，聲場(chǎng)分布強(qiáng)弱差異越大，最大聲場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，且位置越靠近表面，6 dB聲束寬度越大。

（3）聚焦檢測(cè)方式下，最大聲場(chǎng)強(qiáng)度普遍高于非聚焦檢測(cè)方式，6 dB聲束寬度小于非聚焦聲場(chǎng)。

（4）弧形陣列探頭不同角度虛擬探頭產(chǎn)生聲場(chǎng)分布基本一致，中心組晶片的最大聲場(chǎng)強(qiáng)度最大。

（5）經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用超聲相控陣方法，利用圓弧陣列探頭，合理設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，可以有效檢出R區(qū)不同角度、不同埋深、孔徑約3 mm的平底孔人工缺陷。