[发明专利]纤维缠绕复合材料液浸超声检测探头位置的优化方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种液浸超声检测复合材料时聚焦超声换能器位置的优化方法，属于无损检测领域。

二、背景技术

复合材料由于具有耐高温、高比强度、比刚度、抗氧化和抗疲劳性能好等优异性能，已发展成为民用和军用领域不可或缺的材料之一，目前不仅应用于导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，同时在汽车、医疗、机械、电子、桥梁等多个行业中得到应用。由于复合材料独特的制作工艺，导致其缺陷类型与传统材料有所不同，主要有分层、疏松、孔隙、夹杂和树脂固化不良等。这些缺陷的存在会导致复合材料性能的显著下降，必须进行无损检测，而超声检测是复合材料无损检测最常用的方法。

目前常用的复合材料超声检测技术主要包含超声C扫描检测、超声导波检测、空气耦合超声检测、相控阵超声检、激光超声检测等，超声C扫描由于显示直观，检测速度快，是大型复合材料构件普遍采用的技术，目前在超声C扫描检测复合材料技术中，为避免超声波束在水中的扩散，通常采用聚焦超声换能器使超声波束进行会聚，进入工件后形成二次聚焦焦点，来提高缺陷的检测精度和灵敏度，尤其对于复杂曲面或表面粗糙不平整的工件，其检测效果更加明显。

复合材料超声C扫描检测中，根据超声换能器接收信号的方式，一般可分为超声反射法和透射法检测，反射法只使用一个换能器实现超声信号的发射和接收，检测灵敏度较透射法高，但主要适合工件近表面缺陷的检测；透射法需要使用两个超声换能器，采取一发一收的方式，通过对透射超声信号的能量衰减来识别缺陷，信号识别比较简单，适合整个工件厚度各位置缺陷的检测，比反射法应用广泛。无论反射还是透射法检测都存在聚焦探头最佳位置的放置问题；对于反射法检测，聚焦探头的放置相对简单，因为超声波束由水进入工件内形成二次聚焦，在遇到缺陷后，回波信号会按照原路线从工件返回到水中(对平底孔缺陷效果最明显)，所以只需调整一个探头的位置；而透射法检测时需要同时调整两个探头的位置，且要考虑两个探头的频率、晶片直径、标称焦距各不相同等因素，所以比较难实现，但只要找出两个聚焦探头在工件内的聚焦规律，完全可以利用其聚焦特性达到精确检测的目的。

三、发明内容

本发明的目的是通过对聚焦超声换能器在水和纤维缠绕复合材料两种不同介质中传播时聚焦特性的研究，给出检测时聚焦探头放置的最佳检测位置，以提高缺陷检测精度和灵敏度。

本发明提出的复合材料检测时聚焦探头位置的优化方法，其原理在于：

根据几何超声学原理，如附图1中所示，超声球面聚焦换能器在水中焦距的公式：

其中F为探头在水中的焦距；R为声透镜曲率半径；C_水和C_透镜分别为超声波在水和透镜中的声速。

焦区直径计算公式：φ≈λ·FD---(2)]]>

焦区长度计算公式：L=4λ·(FD)2---(3)]]>

其中φ为焦区直径，L为焦区长度，λ为声波波长，F为探头在水中的焦距，D为晶片直径。根据焦区直径和焦区长度的概念，聚焦换能器在焦点附近形成一个圆柱形的区域，在这个区域内声压没有突变现象，因此实际检测时应使被检测的缺陷处于焦区圆柱内。