复合材料超声检测中的回波时延估计方法

复合材料结构中R区超声反射信号特征及其检测应用刘松平;刘菲菲;傅天航;周德武【摘要】R-zones are the important geometric transition and joint region of composite primary structures.The complexities of echo signals from R zones bodies have effects on the discrimination and evaluation of defects when ultrasonic reflection method is used.Therefore,a broad band short pulsed ultrasonic method was employed to obtain echo signals from series of R-zones in practical carbon fiber-reinforced composite structures by using a special ultrasonic system and transducer with water-film coupling.Timc-domain characterizations of the echo signals were analyzed.A series of destructive testing were implemented for validating the correction of the ultrasonic results.The testing results have shown that good ultrasonic coupling and high quality echo signals can be obtained by using the water-film transducer and the ultrasonic system;there are obvious time-domain differences of echo signals from delaminations and interlaminar ply interfaces as well as from resin interfaces in periodic property,amplitude and multiple reflection behavior.These differences in echo signals provide a very effective and easy way to discriminate and position defects in R-zone by using B-scan,which has been applied to practical nondestructive testing and evaluation of series of R-zones in composite structures.The delamination with 3 mm in diameter and single prepreg ply depth (approximately 0.13 mm)can be found out by the method.%R区是复合材料结构中的重要几何过渡区和连接区,利用超声反射法检测时,入射声波在R区形成的反射信号的复杂性明显影响了缺陷的判别和评定.为此,采用宽带窄脉冲超声检测方法,通过专门设计的超声检测系统及水膜耦合换能器,提取和分析来自实际复合材料结构R区的超声反射信号的时域特征,结合超声检出结果进行解剖验证分析.结果表明:采用水膜耦合可以获得较好的声学耦合效果和稳定的超声反射信号;来自R区分层等缺陷和R区层间界面及树脂界面的反射信号在其单周特性、幅值特性、多次反射行为等方面存在明显的时域差别,基于此特征,可有效地进行复合材料R区缺陷的判别和定位,并有效地检出R区近表面单个铺层深度(约0.13 mm)的分层;基于此信号特征的B扫描为复合材料结构中R区缺陷的检测与评估提供了一种非常直观的可视化方法.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2016(038)012【总页数】6页(P1-5,64)【关键词】超声检测;复合材料;R区;信号特征;缺陷识别【作者】刘松平;刘菲菲;傅天航;周德武【作者单位】中航复合材料有限责任公司/中航工业复合材料技术中心,北京101300;中航复合材料有限责任公司/中航工业复合材料技术中心,北京101300;中航复合材料有限责任公司/中航工业复合材料技术中心,北京101300;大连长丰实业总公司,大连116034【正文语种】中文【中图分类】TG115.28随着复合材料在先进飞机上的不断应用，特别是各种复合材料承力结构的不断推出，复合材料结构的无损检测越来越受到关注，通常要求对飞机复合材料结构进行100%检测。

复合材料的超声检测技术发布时间：2009-7-2 14:27:00随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。

迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30% 左右，新一代战斗机将达到40% ；直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～80% 左右，甚至出现全复合材料飞机。

复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了严峻的挑战。

经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟的复合材料无损检测方法之一。

由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。

1 超声检测在复合材料研究及其制造中的应用复合材料无损检测主要应用于以下3 个方面：材料无损检测；结构无损检测；服役无损检测。

材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究，其检测对象主要是试样、试片。

结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等，检测的对象是各种装机应用的工程结构件。

服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机后的各种服役结构件。

大量的研究和应用表明，超声检测是目前对于复合材料最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。

下表给出了几种常见复合材料超声检测技术的特点。

2 复合材料制品超声检测方法(1) 超声C 扫描检测技术超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、B 型显示和C 型显示。

A型显示是基础，其他两种显示方式均由A 型显示的数据重建得到。

超声检测二级常用计算公式一、1、示波屏上的波高与声压成正比。

既：△=20lgP2/P1=20lgH2/H1（1NP=8.68dB 1dB=0。

115NP）2、声压反射率r和投射率t分别为：r=P r/ P O=Z2-Z1/Z2+Z1 t=P t/ P O =2Z2/Z2+Z13、声强反射率R和投射率T分别为：R=r2 =（Z2—Z1/Z2+Z1)2 T=4Z1Z/(Z2+Z1）2由以上几式得:t—r=1 T+R=14、声压往复透射率T往：探头接收到的回波声压P a与入射波声压P O之比。

既：T往=P a/P O=4Z1Z/(Z2+Z1）25、反射、折射定律：sinαL/C L1=sinα¹L/C L1= sinα¹S/C S1=sinβL/C L2=sinβS/C S26、第一临界角。

αⅠ=arcsinC L1/C L2第二临界角。

αⅡ=arcsinC L1/C S2第三临界角:αⅢ=arcsinC S1/C L17、(1）薄板工件的衰减系数测定：α=（20lgBm/Bn-δ)/2x(n—m)对于多次反射:α=[20lgBm/Bn-δ（n—m)]/2x （n-m)（2）厚板工件的衰减系数测定：α=(20lgB1/B2—6-δ）/2x对于2次波、3次波；α=(20lgB2/B3—3.5-δ)/2x。

对于1次波、3次波；α=(20lgB1/B3-9.5—δ)/4x。

二1、近场区长度:N=D2S/4λ= R2S/λ= F S/πλ= F Sƒ/Cλ2、圆盘源辐射的纵波声场的第一零值发散角；θ0=arcsin1。

22λ/Ds≈70λ/Ds3、波束未扩散区与扩散区：b=1。

64N4、矩形波源的近场区长度N=Fs/πλ，未扩散区b=1.64N,半扩散角θ0=arcsinλ/2a≈57λ/2a,5、近场区在两种介质中的分布;公式N=D2S/4λ只适用均匀介质。

在水、钢两种介质中，当水层厚度较小时，进场区就会分布在水、钢两种介质中，设水层厚度为L，则钢中剩余进场区长度N为:N=N2-LC1/C2= D2S/4λ- LC1/C2，6、横波近场区长度；方形 N=F S/πλs2*cosβ/cosα圆形N=D2/4λs2＊cosβ/cosα横波声场中，第二介质中的近场区长度:N`=N—L2= F S/πλs2＊cosβ/cosα-L1tgα/tgβF S-波源面积λs2—介质Ⅱ中横波波 L1—入射点至波源的距离 L2-入射点至假想波源的距离半扩散角；对于圆片形声源：Ø0=arcsin1.22λS2/D S=70λS2/D S对于矩形正方形声源:Ø0=arcsinλS2/2a=57λS2/2a三1、计算垂直线性误差D=(∣d1∣+∣d2∣）% 。

航空器复合材料无损检测技术及评价航空器复合材料无损检测技术的目的是寻找和识别结构中存在的各种缺陷，如裂纹、气泡、疏松等。

在复合材料结构中，无损检测技术具有重要意义，因为缺陷的存在可以对结构的性能产生显著的影响。

因此，对于复合材料结构的修复和维护，无损检测技术可以确保复合材料结构的安全和可靠性。

目前，航空器复合材料无损检测技术主要包括：超声波、X射线、红外热成像、毫米波雷达、激光，以及电子束成像等。

这些技术各有特点，可以分别应用于不同的复合材料结构并对其缺陷进行检测。

超声波检测是一种基于声波传播原理进行的无损检测技术。

它可以检测出复合材料结构中的缺陷，并能够确定其尺寸和位置。

超声波检测可以分为脉冲回波技术和相控阵技术两种。

脉冲回波技术适用于小型复合材料结构缺陷的检测，而相控阵技术则适用于大型结构的检测。

X射线检测是一种利用X射线穿透物体并被捕获的无损检测技术。

它可以检测出复合材料结构中的缺陷，并能够确定其深度和位置。

X射线检测在航空器复合材料结构的检测中，具有较高的检测灵敏度和位移分辨率，因此常常用于检测小型和深度较深的缺陷。

红外热成像是一种利用红外辐射的无损检测技术。

它可以检测出复合材料结构表面的热量分布，并能够确定表面缺陷的位置和大小。

由于红外辐射的灵敏度及其受外界环境影响较大，其检测结果可能会受到一定的偏差，因此需要结合其他无损检测技术进行综合分析。

毫米波雷达是一种运用毫米波电磁波的无损检测技术。

它可以依据毫米波的传输波长探测复合材料结构中深度较浅的缺陷，并且在复杂环境下还可以较好地工作。

毫米波雷达在航空器结构中的应用使用较广，但是其检测速度较慢，且对外界环境的干扰较大。

激光技术是一种基于光的无损检测技术。

它主要用于检测复合材料结构中的裂纹和其他细小缺陷。

激光技术检测中需要光学和光学成像的基础知识，因此其检测过程较为复杂。

电子束成像是一种基于电子束成像原理的无损检测技术。

它能够检测复合材料结构中的细小缺陷，如微裂纹、孔洞等，但是其检测速度较慢，且对环境的要求较高。

复合材料构件的超声无损检测关键技术研究共3篇复合材料构件的超声无损检测关键技术研究1复合材料作为一种新型材料，具有轻质、高强、高硬度、低导电率、耐高温等优良性能，在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到了广泛应用。

然而在使用过程中，这些材料可能会受到各种因素的损伤和劣化，如应力、疲劳、水气、高温等，这些将导致材料性能下降，甚至失效，从而影响设备的运行安全。

因此，对于复合材料的检测和评价显得尤为重要。

目前，基于超声波技术的无损检测在复合材料中得到了广泛应用。

超声波无损检测可以在不破坏样品的情况下，通过检测材料中的声波反射、折射、散射等信息来检测材料的缺陷、腐蚀和微观结构。

随着材料科学和超声波技术的发展，超声波检测技术在复合材料上的应用和研究得到了更深入的发展。

本文将重点阐述复合材料构件的超声无损检测关键技术研究。

一、超声波检测原理超声波是指高于人类可听声音频率的机械波，其频率通常大于20kHz。

声波在材料内的传播受材料的密度、弹性模量、泊松比、拉伸强度等力学参数影响。

在无损检测中，通常采用一种声速较高、穿透性较好的波进行检测。

当声波碰到材料中的缺陷或界面时，它会从这些位置反射或散射，构成一个回声信号。

信号的强度、幅度、相位等参数可以反映出材料内的缺陷大小和位置、材料的结构、组成和工艺参数等信息。

二、超声波检测技术超声波检测技术主要包括单元和阵列探头的设计、信号处理、成像和判定等环节。

1、探头设计超声波探头是进行超声波检测的关键部件。

探头的结构形式主要有单元探头和阵列探头两种。

单元探头只能发射或接受直线声波，其角度和深度探测范围有限。

而阵列探头可以发射或接受多个声束，可以在多种角度和深度下同时检测，可实现立体成像。

2、信号处理声波的回声信号处理是超声波检测技术中的一个重要步骤。

信号处理需要对信号进行滤波和增益控制，以产生清晰的声波回波信号。

3、成像和判定成像和判定步骤主要利用计算机技术对信号进行处理，产生成像图像，通过对图像进行分析对材料内部的缺陷进行定位、分类和评估。

复合材料超声检测中的回波时延估计方法Echo Time Delay Estimation Met hod for t he Ult rasonicTesting of Co mpo site Material罗　婕,路宏年(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100083)L UO Jie,L U Hong2nian(School of Mechanical Engineering and Automation,Beijing U niversity of Aeronautics and Ast ronautics,Beijing100083,China)摘要:在用超声脉冲回波法检测金属2非金属粘接结构的质量以及测量非金属层厚度时,需要提取出各界面回波间的延迟时间作为特征值。

当非金属层较薄时,各回波信号间会产生严重混叠,难以准确获得时延估值。

提出了一种多界面粘接结构的高分辨率时延估计方法,综合利用了维纳滤波解卷积技术和最大熵谱估计方法,从混叠信号中得到精确的时延估值,很好地解决了特征值提取困难的问题,并用模拟信号和实验信号验证了该方法。

关键词:金属2非金属粘接结构;超声检测;时延估计;最大熵谱估计中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:100124381(2006)Suppl20389204Abstract:In t he ultraso nic testing of metal2nonmetal bonding st ruct ure quality using p ulse echo tech2 nique,we need to ext ract t he time delay eigenvalue between interface echoes to measure t he t hickness of nonmetal layers.When t he nonmetal layers are quite t hin,serious aliasing appears in t he ult rasonic echo signals,which makes time delay estimation value inaccurate.Aiming at t his problem,t his paper brings forward a time delay estimation met hod of high resolution basing on multi2interface bonding st ruct ure.The met hod utilizes bot h wiener filter deconvolution technique and maximum ent ropy spec2 t rum estimation to get accurate time delay value f rom aliasing signals,which resolves problems in t he eigenvalue ext raction very well.The estimation result s are validated by analog signals and experiment signals.K ey w ords:metal2nonmetal bo nding struct ure;ult rasonic testing;time delay estimation;maximum en2 t ropy spect rum estimation 由两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物体,以微观或宏观形式组成的材料统称复合材料[1]。

超声波检测中对反射回波的分析与判断在压力容器定期检验过程中，我们经常会使用超声波横波斜入射对焊接接头埋藏性缺陷进行一定比例的抽样检测。

由于超声波检测的自身特点，在检测中判断反射波是何种回波是有一定技术难度的，想要判断准确，就必须能够熟练应用超声波反射、折射定律及掌握材料、焊接等超声波检测相关知识和经验。

下面介绍我们在压力容器定期检验过程中对超声波反射波的分析与判断的一个实例。

一、受检设备基本情况压力容器名称：油水分离器容器类别：Ⅱ设计压力：2.4Mpa材质：16MnR 容器规格：φ1200×3400×16二、容器对接焊缝检测比例、检测部位、技术要求及其他1.检验比例：在容器检验方案中规定A、B类焊缝≥20%超声波抽查。

2.焊缝坡口型式：X+V（封头和筒体最后一道环焊缝）。

3.检测焊缝部位示意图如下：4.焊接方法：埋弧自动焊+焊条电弧焊+氩气保护焊（最后一道环焊缝打底焊）。

5.未开设人孔，从外部做超声波检测。

6.焊缝单面双侧锯齿形扫查，用一次波及二次波检测。

7.执行标准：JB/T4730.3-2005，合格级别：2级。

三、检测仪器装备准备情况1.超声波探伤仪：CTS-26一台2.探头：2.5P9×9K2 一个3.试块：CSK-ⅠA、CSK-ⅢA各一块4.耦合剂：机油一桶5.其他：不锈钢直尺一把、纱布若干四、其他检验情况该容器其他检验项目如资料审查、外观检验、壁厚测定、磁粉探伤均已完成，未发现严重超标缺陷。

实测最小壁厚为16.0mm，封头直边长度50mm。

五、仪器及探头调节及绘制距离波幅曲线1.用CSK-ⅠA试块测探头前沿和K值。

前沿l0=9mm,K=2.0。

2.用CSK-ⅠA和CSK-ⅢA试块调节扫描比例和绘制距离波幅曲线。

扫描比例：深度1：1各深度φ1×6的反射波高均达到基准波高（80%满屏）的dB值。

耦合补偿为4dB 。

六、检验检测过程以二次波最大声程处的评定线dB值作为扫查灵敏度即26.5dB，作锯齿形扫查。

一、复合材料的定义及分类复合材料是指用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或组元），通过人工复合、组成多相、且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料。

其基体材料名称与增强体材料并用，强调基体以及强调增强体时以基体材料的名称为主；复合材料的分类有（一）按基体材料分：聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥基复合材料，碳基复合材料；（二）按增强材料形态分为以下三类1、纤维增强复合材料：连续纤维复合材料，非连续纤维复合材料；2、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒；3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成；4、层叠复合材料。

（三）按材料作用分两类1、功能复合材料：使用的是材料的光、电、磁、热、声等非力学性能；2、结构复合材料：应用的材料的力学性能。

二、复合材料的检测难点复合材料因能有效提高飞机性能，减重效果显著，在军民机的研制中应用越来越广，随着科学技术的发展，各类新型复合材料被有效利用。

在某型飞机的研制中，设计人员为保证零件的外形和减重等，采用了一种新型的复合材料结构，即以碳纤维环氧预浸料为面层以聚甲基丙烯it胺泡沫塑料为夹芯的夹层结构。

泡沫夹芯材料为多孔疏松材料，其特殊性能不仅给制造工艺带来很大的难度，而且也为检测其内部粘接质量造成了极大的困难。

其检测的主要难点有：（一）泡沫夹芯的不致密性带来了很大的超声波衰减，对于碳纤绚泡沫夹芯结构难于得到来自泡沫夹芯的反射回波，这给检测胶膜和泡沫夹芯间的缺陷造成了较大的难度。

（二）某型机使用碳纤细泡沫夹芯结构制造的零组件外形结构复杂,结构过渡区多，因此易产生的缺陷部位多，产生缺陷的类型多，需对缺陷进行准确的定量、定性。

（三）设计人员对这种结构制造的零组件的验收标准很严，要求能够检测出的最小缺陷仅为中31un o国外对类似材料结构普遍采用激光散斑技术进行检测，但可检测出的缺陷尺寸至少为中25.4mi刀。

基于改进的DE算法的超声回波参数估计张樯;周西峰;郭前岗【摘要】利用最小二乘法将超声回波参数估计问题转化为优化问题,采用改进的差分进化算法(DE算法)对待优化函数进行优化处理.仿真研究说明,该方法在噪声环境下依然有效,并且不依赖于初始值选择,不需计算梯度,可以在全局范围内搜索.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2016(035)004【总页数】3页(P88-90)【关键词】DE算法;高斯牛顿法;超声回波信号;信号处理【作者】张樯;周西峰;郭前岗【作者单位】南京邮电大学自动化学院,江苏南京210046;南京邮电大学自动化学院,江苏南京210046;南京邮电大学自动化学院,江苏南京210046【正文语种】中文【中图分类】TN911.6超声无损检测一直是无损检测的研究热点，超声信号波形中包含有被检测物体的几何形状、大小、缺陷故障等一系列有价值的信息。

模型化的超声信号分析方法能有效提取信号中有用信息，其中每个回波模型都是一个非线性函数包含有一系列的参数：回波带宽、中心频率、相位、幅度、超声回波的渡越时间。

这些参数实时反映超声信号的波形，并且与反射器的物理特性以及传播路径的频率特性密切相关[1]。

1981年，SANIIE J[2]提出了利用高斯回波模型模拟超声信号的方法； 2001年，DEMIRLI R[3]利用高斯牛顿算法迭代出了高斯回波模型的参数，具有十分高的精度。

但是高斯牛顿法过度依赖于初值点的选取，若初值点选取偏差较大将会影响算法整体的收敛性，而且该算法从理论上来说获取的是局部最优解，并非全局最优解，所以这种方法在实际应用中具有很大局限性。

针对以上问题，本文基于超声回波信号的高斯模型，提出改进的差分进化算法对超声信号的参数进行估计。

差分进化算法是基于群体智能理论的优化算法[4- 6]。

按照算法分析指标对DE算法分析如下：(1)在编码标准方面，DE算法与粒子群优化算法类似，都是采用实数编码；(2)在参数设置问题上，研究表明DE算法的参数设置较少，对结果影响不是很明显，优于遗传算法和粒子群优化算法；(3)在高维问题中，DE算法和粒子群优化算法能够很好地解决问题，而且DE算法收敛快且精确；(4)收敛性能上，粒子群优化算法容易陷入局部最优解并且不稳定，DE算法不存在这样的问题。