在役飞机机翼超声波检测的换能器设计

徐进军　江茫

摘 要：為保障飞行安全，必须对在役飞机机翼进行100%超声波检测。在使用超声波检测方法时，换能器的设计能够直接影响到仪器的探测灵敏度以及探测范围。所以，根据检测对象来设计换能器显得尤为重要。本文根据某型飞机机翼结构特点，对所使用的超声波水浸聚焦换能器参数进行了设计。

关键词：飞机机翼；超声波检测；水浸聚焦；换能器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.203

飞机机翼在服役过程中，损伤模式主要包括蒙皮基体损伤、蒙皮纤维断裂、分层损伤和蜂窝芯层脱粘等损伤[1.2]。而超声波检测能很准确的检测出复合材料基体与增强体的分层破坏、宏观裂纹、树脂固化不完全、气孔、胶接的脱胶、蜂窝夹层的脱胶等复合材料缺陷，因此成为复合材料构件无损探伤的重要方法[5]。

根据飞机机翼蒙皮的结构特点以及探伤要求，我们选用超声波手动扫查检测方法对飞机机翼进行探伤，操作人员根据仪器显示的超声信号进行缺陷类型判别和定位及区域标记。超声波换能器作为超声波探伤机中的重要组成部分，它的设计直接影响着仪器的探伤灵敏度以及探测范围等。因此，针对飞机机翼的材料组成以及形状，设计相应的水浸聚焦换能器显得尤为重要。

1 水浸聚焦换能器设计

1.1 水浸聚焦换能器

凡能将任何其他形式能量转换成超音频振动形式能量的器件均可用来发射超声波，具有可逆效应时又可以用来接收超声波，这类元件称为超声换能器，俗称探头。随着中国航空航天领域的高速发展，对缺陷定量的要求日益提高，而常规探头测定的缺陷面积或指示长度往往与缺陷实际尺寸相差较大。飞机机翼在服役过程中，非常容易产生分层、蜂窝芯层脱粘等平面面积型损伤。为满足探伤要求以及节约探伤成本，我们设计了一款专用的是纵波水浸聚焦直探头。水浸聚焦直探头能够根据检测对象参数进行超声波聚焦设置提高检测灵敏度，通过调节水层厚度来减小甚至去除超声波近场区长度的影响。实验证明，使用聚焦探头所测定的缺陷面积或指示长度结果要比常规探头更加精确。

1.2 探头参数设计与制造

当平面波入射到曲界面上时，其折射波将发生聚焦或者发散。此时折射波的聚焦或者发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质中的波速有关。对于凸透镜，当с1>с2时聚焦。为了节约探伤成本和方便手工扫查，我们在普通直探头（2.5PΦ14Z）的压电晶片前面加个声透镜来制作聚焦探头。声透镜靠晶片一面是平面，另一面是曲面。探头制作过程中，首先粘接阻尼块与晶片。粘接时，使用由环氧树脂与二乙烯三胺制成的粘接剂固定在探头壳中。声透镜的制作是采用浇注的方法，把环氧树脂与细钨粉按一定比例为1：0.5混合均匀，然后利用固化剂压混合物浇注在晶片表面上，再用球面压块压上。当钨粉、环氧树脂和固化剂压混合物固化成型后，去掉压块便可制得声透镜。

1.3 探头焦距与水层厚度的计算

在超声波检测中，水浸聚焦检测是将工件置于水中，以水中耦合介质，用聚焦探头进行探头与工件的非接触法探测来实现的。在水浸检测中，超声波是先进入水，再进入检测工件中的。当水层厚度较小时，近场区有可能会分布在水，工件这两种介质中。由于飞机机翼蒙皮的厚度较小（约为8mm），为了避免这种情况的发生，在设计水层厚度时，我们可以在超声波信号进入工件之前完成聚焦，从而减小检测盲区。

对于水浸聚焦直探头来说，其焦距是一个十分重要的参数。焦距F与声透镜的曲率半径γ之间的关系为：

（1）

式中：c1—声透镜声速（2696m/s）；c2—水中声速（1480m/s）。

从公式（1）中，可以看出，水浸聚焦直探头焦距的关键参数是声透镜的曲率半径和声透镜中的声速。通过计算可得：F≈2.2γ。

1.4 探头曲率半径设置

探头直径为14mm、频率为2.5MHz。经过计算可得水中近场区长度约为83mm（这是在理想声场下计算得出的水中近场区长度）。但是在实际检测环境中，实际声场是非均匀激发的脉冲波，持续时间很短，波源各点辐射的声波在声场中某点产生不完全干涉或不干涉。从而使实际声场近场区轴线上极值点减少，近场区长度变短。根据聚焦声场的特性我们可知，焦距应该小于近场区长度。结合上述理论与实际分析，我们把水层厚度设计为66mm、声透镜的曲率半径为30mm。

1.5 保护膜的厚度设置

鉴于所检测的工件表面粗超度的影响，我们选择由有机玻璃制成的硬保护膜。超声检测时，超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一平界面有所不同。实验中所用探头，超声波信号首先经过一定厚度的水层，再到达探头保护膜，最后经过耦合剂（水）进入工件。在均匀介质中（Z1=Z3≠Z2）保护膜的厚度，对超声波的声压反射率和透射率会产生影响。

当保护膜厚度为半波长的整数倍时，其声波发生率达到最大。即当保护膜两侧声阻抗相等，保护膜厚度为半波长的整数倍时，超声波几乎全透射，保护膜好像不存在一样。经过计算，我们所采用的保护膜厚度选择为2.36mm。

2 实验验证

通过上述分析，选用2.5PΦ14Z探头，其他参数设置分别为：水层厚度（焦距）66mm、声透镜的曲率半径30mm、保护膜的厚度2.36mm。我们使用该型参数设置探头与北京某研究所研制的复合材料超声检测仪配套使用，对多架飞机机翼进行了探伤并通过多种途径验证了探伤结果的可靠性。

参考文献：

[1]姚武文.新机复合材料构件损伤修理技术研究，第四界中国航空学会青年科技论坛文集[M].北京：航空工业出版社，2010.

[2]侯胜利，姚武文，董俊.飞机复合材料损伤无损检测方法及其选择[J].机电产品开发与创新，2013.

[3]石英.超声波换能器性能检测系统的设计与实现[D].大连理工大学，2008.

作者简介：徐进军（1986-），男，江西抚州人，硕士研究生，讲师，研究方向：机械设计与检测方面研究。