[发明专利]具有至少一个声学各向异性材料区域的测试体的无损测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用超声波对具有至少一个声学各向异性材料区域的测试体进行无损测试的方法。

背景技术

已知有各种无损超声波测试方法对包含声学各向同性固体材料的测试体进行测试并用于缺陷检查，即，找出缺陷、材料不均匀性等。成功应用这种类型的测试方法要求耦合在特定测试体内的超声波尽可能均匀且线性地传播。为满足这一要求，特定测试体所包含的材料需要在整个待测试的体积内具有恒定的声音声学(sound acoustics)特性，例如，具有各向同性的密度分布和各向同性的弹性特性。如果这个要求得到满足，则这些测试方法可以实现可靠的缺陷检测、准确的空间缺陷定位并且最终实现缺陷成像，在此基础上使用适当的超声信号分析方法就能够识别缺陷的大小和形状。参考作为多个这种类型的超声测试系统的典型示例DE 3346534A1，其中公开了一种超声图像表示单元，其提供组辐射器(ground radiator)超声波测试头，该测试头包括超声波单独的换能器(transducer)元件的线性阵列，在处理期间这些元件以预定扫描频率沿着扫描方向被单独地激活或成组地激活。缺陷图像重构的质量，这也最终确定与缺陷类型、缺陷位置和缺陷大小有关的定量信息，是确定耦合到测试体中的超声波、超声波检测以及用于分析接收到的超声波信号的重构技术这多个参数的函数。

迄今为止的使用传播速度与传播方向无关的超声波的超声波测试技术所针对的材料称为超声波各向同性材料。然而，如果耦合到材料中的该超声波的声速与它们的特定传播方向相关，则将这些材料称为各向异性的。例如，一种已知的天然各向异性材料为木料，如果完全使用传统的超声波测试技术只能有局限地检查到其材料缺陷。进一步的，超声波材料例如以纤维复合物或涂层材料为代表，这些材料优选地用于现代轻型建筑设计。测试这种类型的各向异性材料不令人满意的原因在于以依赖于位置和材料密度的声速传播的超声波的结构依赖性。此外，在各向同性材料中，只会出现两种类型的体波的振荡模，即纵模和横模，而与各向同性材料相比，在各向异性材料中因为已经存在两种正交的横模，所以可出现三种传播模式。在各向同性材料中，纵模的振荡总是与传播方向平行，而横模的振荡总是与传播方向垂直。相对地，在各向异性材料中，存在所谓的半纵和半横波，其极化偏差即使在较低的声速差异情况下已经对缺陷图像重构产生重大影响。

然而，测试包含不同的声学各向同性材料的测试体，诸如层组装的测试体，不能使用当前已知的测试方法来确定测试体中缺陷的精确空间位置，因为超声波在相邻材料层的界面处沿着其传播方向折射。基本上，在浸没式技术(immersion technology)的超声波测试中将在例如水和钢之间的界面发生折射作用，这有时显著地限制了上述缺陷定位，因为即使是在两种各向同性的材料之间的界面处发生的折射或衍射也几乎不可能定位缺陷。其原因在于不能获知声程(sound path)，以及因此不能获知有效的声速，其中声程不能再被假定为线性的。使用有限数量的入射角的缺陷检测本身也存在缺陷，因为噪声由于衍射作用而不会到达缺陷位置。为此，使用尽可能大数量的入射角对有关安全性的结构材料进行测试，如前面所引用的DE33 46 534 A1中的所谓的组辐射器技术。

为了获得声学各向异性材料对实际的超声波传播比的影响的量化印象，参考图1a中所示的测试结果，该结果是根据图3中示出的测试情形，使用超声波组辐射器测试头US测试包含碳纤维复合物材料的测试体PK而获得的。使用超声波组辐射器测试头US所研究的测试体PK具有平坦的测试体表面PKO，并包含碳纤维复合物材料，纤维取向与测试体表面成15°。纤维取向上的声速大致比垂直于纤维取向的传播方向上的声速大三倍。此外，在测试体PK中引入了作为模型反射体(model reflector)的缺陷FS，其位于测试体表面PKO上的超声波组辐射器US的正下方。