碳纤维复合材料凹槽缺陷空气耦合超声导波检测

邹 琪， 王明泉， 杨顺民， 张 曼

(中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051)

0 引 言

复合材料是运用先进的材料制备技术将两种或两种以上的材料组分优化组合而成的新材料. 它不仅可以保持各组分材料性能的优点， 而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能[1-2]. 因此， 复合材料代替了很多传统材料， 在很多领域发挥着重要作用， 对科技的发展也有着不可替代的作用. 但是， 在生产工艺和使用过程中， 难免会出现一些缺陷损伤， 这也成为复合材料在实际应用中面临的一大挑战. 为避免损伤所带来的不堪设想的后果， 及时检测获知健康状况信息就显得十分重要[3].

无损检测方法多种多样， 也各有利弊. 目前， 传统的空气耦合C扫描检测系统在国内外发展迅速. 空气耦合C扫描技术适用于穿透法检测， 将发射和接收探头分别置于被检试件两侧并进行逐点扫描， 扫查范围有限且耗时较长. 而本文采用空气耦合超声导波检测， 将探头置于被检材料同侧， 可扫查的范围广， 又在传统超声导波检测基础上， 无需使用耦合剂， 以空气作为耦合方式， 具有检测效率高、 检测速度快等特点， 更加便捷快速地定位缺陷[4-7].

1 空气耦合超声导波检测原理及方法

1.1 导波的基本技术

导波是声波在板、 棒、 管等结构中传播时， 不断地与介质的上下边界发生折射、 反射及纵波与横波之间的波形转换作用而产生的波. 导波技术适用于大面积快速检测， 导波在板状结构传播过程中， 产生的板波为Lamb波[8]， 遇到板中的缺陷、 划槽以及边界时， 导波信号会发生散射、 反射和透射现象， 正是基于这种现象， 反射回波中含有频散或转化的模态， 可以代表材料、 结构或者缺陷的信息[9-10]. 实现导波检测的关键问题是分析复合材料中导波的传播特性， 选择合适的模态和探头的频率， 通过对回波信号的分析， 快速准确地判断材料的健康状况.

1.2 频散曲线绘制和探头角度计算

导波在板中传播过程中会发生很严重的频散现象， 主要与频厚积有关[11]. 根据板中质点振动的相位关系把导波的模式分为对称模式和反对称模式， 对称模式分为S0，S1，S2，S3， …，Sn等多个模式， 反对称模式分为A0，A1，A2，A3， …，An等多个模式[12-13].

频散现象和多模态特性使得导波在传播中与缺陷的作用显得十分复杂， 增加了对缺陷定位分析的难度[14]. 因此， 对频散曲线的分析是研究导波频散特性， 选择合理的模态， 确定探头入射角度的基础和关键. 本文以厚度为2 mm的碳纤维复合材料为研究对象， 材料的性能参数分别为：ρ=1.56 g/cm3，E=13.260 3 GPa，ν=0.483 2， 使用有限元分析法， 采用ABAQUS软件对导波在复合板的传播特性进行分析， 绘制图 1 所示的频散曲线.

图 1 频散曲线Fig.1 Dispersion curve

分析图 1 的频散曲线可知， 每个模态都存在频散现象， 群速度和相速度都会随着频率的变化而变化， 不同模态的导波频散程度有很大差别， 而同一模态的导波在不同的频率范围内也会有不同的频散程度； 在同一频率下， 会产生2个或2个以上的导波模态， 每个模态都会有各自的群速度和相速度. 而频率越高， 激励的模态越多， 因此， 挑选合适的模态作为目标模态就尤为重要了. 通过分析频散曲线可知应选择较低的激发频率， 因为频率在0～0.4 MHz之间只存在一种A0模态， 低于其它模态的截止频率， 简化了板中声场情况， 一般情况下， 不会发生模态间的干扰和转化. 本文选取A0模态作为目标模态进行提取分析， 选取中心频率为0.2 MHz的空气耦合平探头进行综合分析. 分析相速度频散曲线中对应频率为0.2 MHz下的A0模态. 根据Snell[15]定理可得

(1)

式中：θ0为探头的入射角；θ1为入射声波传播进入板材后与法线的夹角；c0为超声波在空气中的传播速度，c0=340 m·s-1；c1为A0模态在 0.2 MHz 下在板中传播的相速度，c1=1 088 m·s-1. 代入相应数据即可求得θ0， 反射角等于入射角， 即探头的入射角θ0=18.208 6°.

2 实验结果分析

2.1 试件的准备

选取厚度为2 mm碳纤维复合材料板作为实验试件， 在其表面制作人工模拟划槽缺陷. 为研究在深度一定的情况下， 不同宽度对导波信号的影响状况， 制备了深度为0.5 mm， 宽度分别为 1 mm， 2 mm， 3 mm的3种人工模拟划槽.

2.2 实验结果及分析

如图 2 所示实验采用频率为0.2 MHz的平探头， 压电晶片大小为20 mm×14 mm， 将一发一收探头同侧对向放置， 发射探头和接收探头中心间距为18 mm， 根据前文中计算出的入射角度对两个探头进行角度调整. 首先将准备好的完好无缺陷的碳纤维复合板置于探头下侧， 探头与板间距调整5 mm， 得到如图 3 所示的接收信号； 第2步， 将制备好的深度为0.5 mm， 宽度为1 mm的人工模拟划槽缺陷置于两探头之间， 得到如图 4 所示的导波接收信号； 第3步， 分别将制备好的2 mm和 3 mm 人工模拟划槽缺陷置于探头之间， 得到图 6 和图 7 所示的接收信号. 为了减少测量误差， 使实验数据更具可靠性， 此次实验分别对4种状况下的碳纤维复合板采10组数据， 每组数据包含3 000个采样点， 采样点的横坐标代表采样时间， 采样频率为2 MHz； 纵坐标代表幅值， 在Matlab中绘制出波形信号进行对比分析. 表 1 对无缺陷、 1 mm划槽、 2 mm划槽和3 mm划槽情况下采集10组数据的幅值最大值进行统计， 并求取平均值， 目的是为了平均降噪.

图 2 同侧对向探头实验现场Fig.2 Same side opposite probe test site

图 3 无缺陷情况接收信号Fig.3 Receive signal without defect

图 4 划槽1 mm时接收信号Fig.4 Receive signal when slotted 1 mm

图 5 划槽2 mm时接收信号Fig.5 Receive signal when slotted 2 mm

图 6 划槽3 mm时接收信号Fig.6 Receive signal when slotted 3 mm

无缺陷1 mm2 mm3 mm10.876 60.642 60.494 80.420 820.889 00.644 40.493 20.423 230.921 00.595 60.496 30.455 040.956 70.596 60.498 40.450 150.907 00.628 30.504 60.415 460.905 80.626 20.509 10.416 470.894 40.598 30.506 90.423 380.894 90.600 90.510 60.432 490.882 00.634 10.525 80.427 5100.919 30.639 80.529 10.416 0平均值0.904 80.620 70.506 90.428 0

由表 1 可以看出： 当碳纤维复合板出现划槽缺陷时， 导波信号的最高幅值呈现衰减状态， 且随着划槽宽度的增加， 导波信号的最高幅值始终呈衰减趋势. 无缺陷的碳纤维复合板最高幅值的平均值是0.904 8； 表面有1 mm划槽时最高幅值平均值是0.620 7， 相比无缺陷的最高幅值衰减了0.284 1； 表面有2 mm划槽时最高幅值平均值是0.506 9， 相比表面有1 mm划槽时最高幅值衰减了0.113 8； 表面有3 mm划槽时最高幅值平均值是0.428 0， 相比表面有2 mm划槽时最高幅值衰减了0.078 9.

根据计算得出的4种情况下最高幅值平均值， 采用最小二乘法绘制导波信号最高幅值随划槽宽度变化的曲线如图 7 所示. 分析可知： 划槽缺陷深度一定时， 随着划槽宽度的增加， 导波信号最高幅值呈现衰减趋势， 且衰减的速度越来越慢. 可以初步推断， 当碳纤维复合板表面出现划槽时， 导波信号最高幅值会呈现衰减， 并且随着划槽宽度的增大， 最高幅值衰减趋于平缓， 呈现出一直趋于零但始终不为零的状态.

图 7 划槽宽度与幅值的关系曲线Fig.7 Shows the relationship between the groove width and the amplitude

3 结 论

传统的超声检测无法实现对有些不能使用耦合剂的特殊材料的检测， 而耦合剂的使用也使得检测环境受到限制， 这样降低了缺陷的检测精度和效率. 本文采用非接触式空气耦合超声检测， 无需使用耦合剂， 以碳纤维复合材料为实验研究试件， 使用0.2 MHz的平探头同侧对向放置法进行检测， 在深度一定情况下的3种不同宽度划槽均可被检出和区分， 检测方式便捷， 灵敏度好， 效率高， 为空气耦合超声导波对碳纤维复合材料的检测提供实验依据.