复合材料深度方向超声C扫描检测技术.pdf
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1、复合材料深度方向超声C扫描检测技术 刘松平,郭恩明,张谦琳 1) , Vadi m M Levin 2) ,张路根 3) ,姚文增 4) (北京航空工艺研究所 复合材料NDT中心,北京 100024) 摘 要:介绍一种基于超声传播时域特性的深度方向超声C扫描成象检测技术,一次扫描可以 同时获取被测材料结构内部若干层的扫描检测图象。 关键词:复合材料;超声检验;成象 中图分类号: TG115. 28+5 文献标识码:A 文章编号: 100026656(2001)0120013203 EVALUATI ON OF COM POSITEMATERIALS BY ULTRASONIC C-SCAN I
2、N DEPTHS L IU Song-ping, GUO En-m ing, ZHANG Qian-lin 1) , Vadi m M Levin 2) , ZHANGLu-gen 3) , YAO W en-zeng 4) (Beijing A eronauticalM anufacturing Technology Research Institute 100024, China) Abstract: A n evaluation technique, based on ultrasonic characteristics in ti me domain, by which several
3、 C2 scan i mages in depths of a material tested can be obtained by once2through scanning, has been presented. Keywords: Composite; U ltrasonic testing; I maging 复合材料等一些新材料结构,因其组分的多样 性和各向异性等因素影响,较易产生体积分布类缺 陷。对在树脂基复合材料研制和应用初期产生的一 些大面积的分层缺陷,一方面已有了较为成熟的检 测技术1 6, 同时由于材料工艺水平的提高、 认识的 深入、 设备的不断改进和精确控制,通常也能较
4、容易 控制,即使产生了,采用目前较为成熟的C扫描检 测技术,也能十分清楚地检出3 6。要降低复合材料 制造成本,就要充分利用损伤容限设计技术,从设计 上充分利用其在使用寿命内的承受能力,延长其使 用寿命。因此要求有更精确的复合材料定量检测技 术,特别是新型复合材料,如缝编结构及陶瓷基复合 材料等,由于其成形工艺特点,通常最容易产生直接 影响损伤容限设计和延寿定寿的呈体积分布的微小 缺陷,要了解和掌握这类缺陷在材料内部的分布情 况和含量,常规的超声C扫描技术只能提供深度方 向的一个平面投影检测结果。因此,深度方向C扫 收稿日期: 2000201226 基金项目:国家自然科学基金支助项目(5987
5、1048),国家 “九五” 预研资助项目。 1) 中国科技大学研究生院(北京)电子学部。 2) Center of Acoustic M icroscopy,Institute of Biochem ical Physics,Russian Academy of Sciences。 3) 江西省锅检所。 4) 沈阳飞机制造公司。 描检测技术(也称超声仿真CT或超声层析)近年来 迅速发展起来7 8, 而且也有了较好的应用,一些发 达国家已开始生产这类新仪器设备。本文介绍基于 射频超声原理,采用脉冲扫描技术,通过硬软件相结 合的方法,一次扫描即可实时快速获得若干层C扫 描检测结果图象的深度方向超声
6、扫描成象技术。 1 深度方向超声C扫描检测 1. 1 深度方向C扫描基本原理(图 1) 图1 深度方向C扫描原理 31 第23卷第1期 2 0 0 1年1月 无损检测 NDT Vol . 23 No. 1 Jan. 2 0 0 1 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 超声波通过传感器入射到被测材料内部,若以 被测材料入射界面为零界面,在材料中沿传播方向 上任意一点的声波,根据波动方程可表示为 Pi(x,t ) = P i0e j(t-kx) (1) 式中 Pi0声波幅度 k波数 k= c
7、 角频率 c声速 表示P i由多次谐波组成,在被测材料入射 界面,x= 0,则 Pi(x,t)x= 0= P i0e jt 其界面反射波Prf为 Prf(x,t)x= 0= P rf0e jt 同理,在材料底面x=xT处反射波Prb为 Prb(x,t ) = P rb0e j(t+kx) x=xT 如果在材料内部任意一点xi处存在缺陷,则该 点的入射声波为Pi(xi,t ), 由于缺陷阻抗与材料声 阻抗的差异,会产生反射声波Pr(xi,t ), 由式(1)可 得缺陷反射声波Prd为 Prd(x,t ) = P rd0e j(t+kx) x=xi(2) 对垂直入射,且入射声波波长大于缺陷间隙,缺
8、 陷处入射声压与反射声压的关系可用下式近似描述 R= Zd-Zc Zd+Zc 式中 Zd缺陷阻抗 Zc材料阻抗 由式(1)和(2)可知,缺陷反射声波Prd(x,t)比 Prf(x,t)滞后xi?c,而比Prb(x,t)超前(xT-xi)?c。 对应时域,将在0tT间产生回波Fi,如以t=ti或x =xi为切面,且传感器在YOZ平面作覆盖扫查,则 材料内部沿声波传播方向任意一点的入射声波为 Pi(x,y,z,t ) = P i0e j(t-kx) x=xi 如果在x=xi的切面存在缺陷,则入射声波将 在缺陷界面产生缺陷反射声波 Prd(x,y,z,t ) = P rd0e j(t+kx) x=x
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