某型飞机复合材料结构超声检测探头的设计

谢小荣，杨小林，李邦治

（1.空军第一航空学院，河南信阳464000；2.九三一二三部队，辽宁辽阳111000）

某型飞机复合材料结构超声检测探头的设计

谢小荣1，杨小林1，李邦治2

（1.空军第一航空学院，河南信阳464000；2.九三一二三部队，辽宁辽阳111000）

针对某型飞机复合材料结构检测，设计了一种超声波延迟块探头。主要分析计算了延迟块探头的各项技术参数。通过试验应用，验证了对某型飞机复合材料结构检测的可靠性。

超声波检测；探头；延迟块

0 引言

某型飞机复合材料结构存在层间强度低、抗压能力弱等缺点，当其受外来物体冲击后，如：冰雹、碎石、工具跌落、踩踏、维护或操作不当等原因都可能导致复合材料结构出现分层、脱粘、基体开裂、界面脱落和纤维断裂等各种损伤，这些损伤若不及时发现，将导致结构的承力强度下降或失效，严重威胁飞机飞行安全。目前针对该型飞机复合材料结构的损伤主要采用超声波检测，但需要设计专门的超声检测探头。超声检测探头的设计主要从探头结构、晶片工作频率、晶片的尺寸和延迟块尺寸等方面考虑。

1 检测原理

如图1所示，超声探头产生脉冲超声波透射入被检测试件。在试件内传播的超声波遇到分层、脱粘等缺陷时即被反射，反射回波由超声探头接收转变成电脉冲信号输入检测仪，经过信号处理后最终在显示屏上显示出检测波形。根据荧光屏上表面回波S和底面回波B之间是否出现缺陷波F，可以判断试件内部是否存在损伤。

图1　检测原理示意图Fig.1 Testing principle

2 结构设计

根据某型飞机复合材料结构损伤一般平行检测面的特点，探头型式确定为直探头，如图2所示。探头由压电晶片、阻尼吸收块、延迟块、导线、外壳和电缆接头等组成。探头的核心部件是压电晶片，用来产生和接收超声波。晶片的背部是阻尼吸收块，吸收块的采用是由于加于晶片的电脉冲停止后，压电晶片会因惯性而继续振动，加上吸收块后，电脉冲停止后，晶片很快停止振动。另外，吸收块还以吸收晶片背部超声波，避免超声波多次来回背反射，对晶片发射和接收超声波造成干扰。由于晶片上各点产生的超声波会发生干涉现象，探头产生的超声波声场并不是连续规则分布，在晶片附近存在盲区，盲区范围一般有5～ 10mm。某型飞机复合材料结构厚度一般不超过15mm，甚至只有2～3mm，因此，超声波检测时应尽量消除该盲区影响，本设计采用晶片前端加延迟块的方法。

图2　探头结构Fig.2 The structure of probe

3 参数确定

3.1工作频率

一般选择频率时应考虑以下因素［1］：

（1）由于波的绕射，使超声波检测灵敏度约为λ/2，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。

（2）频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。

（3）θ=arcsin1.22λ/D可知，频率高，波长λ短，则半扩散角θ小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。

（4）频率高，波长λ短，盲区长度大，对检测不利。

（5）频率增加，衰减急剧增加。

对于某型飞机复合材料结构，由于结构厚度小，衰减因素可不考虑，主要考虑检测灵敏度、分辨力和定位精度，频率高对检测有利。但频率太高，晶片越薄，磨制难度大，晶片易碎。如复合材料检测要求分辨间隔0.3mm损伤，频率f根据声速c和间隔h计算为：

f=c/h=2800/0.3=9.3MHz

考虑探头制作频率一般取2.5M、5M、10M，频率越高，分辨力越好，因此，工作频率可确定为10MHz，可以满足复合材料检测要求。

3.2晶片尺寸

确定晶片尺寸要考虑工作频率和检测效率两个因素。探头工作频率确定后，需要通过磨制一定厚度晶片实现。晶片越薄，发射频率越高，且晶片厚度t与频率f、频率常数N关系为：

t=N/2f

如采用PZT压电陶瓷制作晶片，磨制10MHz频率晶片厚度为：

t=N/f=2.0/10=0.2mm

晶片直径的确定要考虑盲区、指向角、检测效率和磨制难度等因素。直径越大，指向性越好，能力集中，检测效率越高，但盲区大，晶片磨制困难。综合考虑，检查复合材料结构件探头晶片直径以φ8～φ15mm为佳。

3.3延迟块尺寸

延迟块的直径与探头晶片直径相同，一般设计为10mm。其厚度由三方面因素决定：

（1）厚度应大于超声波在延迟块中的盲区长度。

（2）超声波在延迟块中传播时间应大于在被检复合材料结构件最厚处时间。

（3）厚度最好为1/2的整数倍，这时声波穿透率最大。

JB/T 10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》规定：A型脉冲反射式超声探伤仪直探头盲区应小于15mm。由此，延迟块厚度应设计大于15mm就能满足要求。

某型飞机复合材料结构最厚处为10.8mm，超声波传播时间为：

t=s/c=10.8×10-3/2800=3.86μs

则延迟块最小厚度为：

T=2640×3.86×10-3=10.2mm

超声波在延迟块材料的中半波长λ/2为：

λ/2=c/2f=2640/2×10×106=0.132mm

超声波在延迟块材料的中半波长λ/2的125倍为16.5mm。综合以上条件，延迟块厚度可设计为16.5mm。

4 试验应用

4.1试验环境

探伤方法为接触法，耦合剂为水，仪器采用A/TFSY-01型复合材料智能超声检测仪。

4.2试验结果

采用本文设计的探头对某型飞机复合材料结构损伤件进行超声检测，可以有效检测出复合材料损伤件中的分层和脱粘。图3为超声检测系统检测出分层缺陷的波形示意图。由实验结果可知，设计制作的延迟块探头试验效果较好，检测灵敏度较高，可以满足某型飞机复合材料结构检测的需要。

图3　检测试验波形Fig.3 The experiment pulses

5 结束语

本文通过理论分析和试验应用设计了延迟块探头的各个参数，详述了延迟块探头各个参数确定的方法，并应用该探头对某型飞机复合材料结构损伤件进行检测，实际应用结果表明检测灵敏度较高，可以满足检测的需要。

［1］孙金立.无损检测及在航空维修中的应用［M］.国防工业出版社，2004.

［2］中国机械工程学会无损检测分会.超声波探伤［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［3］李家伟，陈积懋.无损检测手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

Design of Ultrasound Probe for Aircraft Composite Material Structure Inspection

XIE Xiao-Rong1，YANG Xiao-Lin1，LI Bang-Zhi2
（1.The First Aeronautical University of Air Force，Xinyang Henan 464000，China；2.Unit 93123，Liaoyang Liaoning 111000，China）

A type of ultrasound delay probe was designed for aircraft composite material structure inspection.Some technical data of delay probe were analyzed and calculated.Experiments were held to prove the reliability of in situ testing.

ultrasound detection；probe；delay

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.002

1002-6673（2015）02-005-02

2015-01-07

谢小荣（1973-），男，副教授。研究方向：无损检测技术；李邦治（1978-），男，工程师。研究方向：飞机附件检修与无损检测。