复合材料超声波无损检测
超声检测技术超声波检测( Ultrasonics Testing) 是利用材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定影响的物理现象，从而通过对超声波受影响程度和状况的分析来了解材料性能和结构变化的技术。通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。
( 1) 传统的超声波检测方法超声探头接收到的脉冲回波有多种图像显示方式，常见的有 A 型显示、B 型显示和 C 型显示，所谓 的 A 扫描、B 扫描或 C 扫描就是具有相应显示功能的探伤方法。
在这些显示方式中，A 型显示是基础， 其横坐标表示时间，纵坐标表示振幅。其他两种显示方式是由 A 型显示的数据重建得到。
其中，B型显示给出沿超声波指向上的横截面视图，该方法能够测得缺陷在截面视图上的深度位置和截面上的特征尺寸，但是不能给出其相对于扫描 平面的位置。
C型显示是一种在一定深度探测的显示方式，图像上的纵、横坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、 横坐标，所以 C 型显示的结果是与扫描平面平行的一幅截面图像，可以给出缺陷关于扫描平面的位置， 但是不能给出缺陷距离扫描平面的深度。
超声 C 扫描由于显示直观，检测速度快，已成为大型复合材料构件普遍采用的探伤技术，能够清晰地检出复合材料结构中体积分布类的缺陷。
由于超声在交界面上会发生反射，为保证超声能有效地输入被测物体内部，除要求安放探头的平面比较平整外，一般还会在探头与被测物之间使用耦合剂。
工业上，则采用水浸法或喷水法提高超声能量的利用率。
一般情况下，对小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的复合材料构件，多采用水浸式反射板 法； 对于小而稍厚的复杂结构件，无法采用水浸式反 射板法时，可采用喷水脉冲反射法或接触带延迟块脉冲发射法； 对于大型复合材料结构宜采用水喷穿透法或水喷脉冲反射法。
复合材料的多层结构 使得声波在材料中的衰减较大，而航空航天领域多采用薄板结构，由此所引起的噪声和缺陷反射信号的信噪比较低，不易分辨，对检测人员的工作经验有 较高要求。
( 2) 超声导波检测方法超声导波检测方法( Ultrasonic Guided Wave Testing) 是近年来新的研究热点。导波是指由于介质边界的存在而产生的波，在介质尺寸与声波波长可比的情况下，介质中的波以反射或折射的形式与边界发生作用并多次来回反射，发生纵波与横波间的模态转换，形成复杂的干涉，呈现出了多种传播形式，形成各种类型的导波。
导波本质上是由纵波、横波等基本类型的超声波以各种方式组成的。导波的主要特性包括频散现象、多模式和传播距离远。
超声导波检测是一种快速大范围的初步检测方法，一般只能对缺陷定性，而定量是近似的，对可疑部位仍需要采用其他检测方法才能作出终的评估。该方法主要用在各种管道的无损检测之中。
( 3) 空气耦合超声检测技术传统超声无损检测方法由于需要使用耦合剂，无法适用于某些航空航天用复合材料构件的检测，主要原因是耦合剂会使试样受潮或变污，且有可能渗入损伤处，这会严重影响构件的力学强度和稳定性。
非接触空气耦合超声检测技术( Air-coupled Ultrasonic Nondestructive Testing Technology) 是解决这个问题的可行途径之一。
空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非接触超声检测方法，它可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进行快速扫描。
另外，空气耦合超声检测容易实现纵波到横波、板波和瑞利波等的模式转换，而研究结果表明，在复合材料检测中，横波、板波和瑞利波比纵波的灵敏度高，空气耦合超声检测的这一优点有利于实现复合材料的检测和材料特性的表征。
目前，国外已开始将空气耦合超声检测技术用于某些复合材料板的检测，可以检测出脱粘、脱层、气孔、夹杂和纤维断裂等缺陷，可以解决传统液体耦合超声检测方法不能解决的问题。
但是，空气耦合超声检测的信号衰减很大，声阻抗较高的材料很难实现在线检测，必须采用特殊机制来改进，而且采用脉冲回波法进行检测的难度较大，多数采用穿透法检测和 斜入射检测。
( 4) 激光超声检测技术激光超声(Laser Ultrasound testing technology) 是目前国内外研究活跃的非接触超声检测方法之一。
它利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，在物体内部产生超声波。
按超声波的激发与检测方式不同，激光超声检测可分 3 种： 一种用激光在工件中产 生超声波，用常规超声探头接收检测； 另一种用常规超声波探头激励超声波，用激光干涉法检测工件中 的超声波； 还有一种用激光激励超声波，并用激光干涉法检测工件中的超声波，此法是纯粹意义上的激光超声检测技术。
纯粹的激光超声检测技术由于不使用常规超声探头，因此可以实现远距离非接触检 测，适用于常规压电检测技术难以检测的形状、结构较复杂或尺寸较小的复合材料以及材料的高温特性等研究，如飞机上各个部件的定位和成像等。
( 5) 相控阵超声检测技术相控阵超声检测技术是一种多声束扫描成像技术，它所采用的超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加，形成不同的声束。
各声束相位可控，可用软件控制聚焦焦点，不移动探头或尽量少移动探头就能扫查厚、大工件和形状复杂工件的各个区域。
在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。 在实际的检测应用和研究中，一些设计巧妙的探头已成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。
比如英国 R. J. Freemantle 等人把相控阵阵列安装在橡胶滚轮中，用于检测大面积航空复合材料构件，能有效检出航空复合材料构件中的裂纹及未贴合等缺陷。
Olympus 无损检测公司的 J. Habermehl 等人设计了专门检测碳纤维增强聚合物基复合材料弯管的弧形相控阵探头，为检测圆角联接的构件提供了快速可靠的方法。
超声检测技术不仅能有效检测出先进复合材料中的分层、脱粘、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷，而且在判断材料的疏密、密度、纤维取向、屈曲、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面也有一定的作用。
目前 超声检测技术的主要方向是进一步提高检测效率，发展功能更加强大的检测探头，缺点是对不同类型的缺陷要使用不同规格的探头，而且在检测过程中 需要使用耦合剂。
更多信息请关注复合材料信息网www.cnfrp.com
( 1) 传统的超声波检测方法超声探头接收到的脉冲回波有多种图像显示方式，常见的有 A 型显示、B 型显示和 C 型显示，所谓 的 A 扫描、B 扫描或 C 扫描就是具有相应显示功能的探伤方法。
在这些显示方式中，A 型显示是基础， 其横坐标表示时间，纵坐标表示振幅。其他两种显示方式是由 A 型显示的数据重建得到。
其中，B型显示给出沿超声波指向上的横截面视图，该方法能够测得缺陷在截面视图上的深度位置和截面上的特征尺寸，但是不能给出其相对于扫描 平面的位置。
C型显示是一种在一定深度探测的显示方式，图像上的纵、横坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、 横坐标，所以 C 型显示的结果是与扫描平面平行的一幅截面图像，可以给出缺陷关于扫描平面的位置， 但是不能给出缺陷距离扫描平面的深度。
超声 C 扫描由于显示直观，检测速度快，已成为大型复合材料构件普遍采用的探伤技术，能够清晰地检出复合材料结构中体积分布类的缺陷。
由于超声在交界面上会发生反射，为保证超声能有效地输入被测物体内部，除要求安放探头的平面比较平整外，一般还会在探头与被测物之间使用耦合剂。
工业上，则采用水浸法或喷水法提高超声能量的利用率。
一般情况下，对小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的复合材料构件，多采用水浸式反射板 法； 对于小而稍厚的复杂结构件，无法采用水浸式反 射板法时，可采用喷水脉冲反射法或接触带延迟块脉冲发射法； 对于大型复合材料结构宜采用水喷穿透法或水喷脉冲反射法。
复合材料的多层结构 使得声波在材料中的衰减较大，而航空航天领域多采用薄板结构，由此所引起的噪声和缺陷反射信号的信噪比较低，不易分辨，对检测人员的工作经验有 较高要求。
( 2) 超声导波检测方法超声导波检测方法( Ultrasonic Guided Wave Testing) 是近年来新的研究热点。导波是指由于介质边界的存在而产生的波，在介质尺寸与声波波长可比的情况下，介质中的波以反射或折射的形式与边界发生作用并多次来回反射，发生纵波与横波间的模态转换，形成复杂的干涉，呈现出了多种传播形式，形成各种类型的导波。
导波本质上是由纵波、横波等基本类型的超声波以各种方式组成的。导波的主要特性包括频散现象、多模式和传播距离远。
超声导波检测是一种快速大范围的初步检测方法，一般只能对缺陷定性，而定量是近似的，对可疑部位仍需要采用其他检测方法才能作出终的评估。该方法主要用在各种管道的无损检测之中。
( 3) 空气耦合超声检测技术传统超声无损检测方法由于需要使用耦合剂，无法适用于某些航空航天用复合材料构件的检测，主要原因是耦合剂会使试样受潮或变污，且有可能渗入损伤处，这会严重影响构件的力学强度和稳定性。
非接触空气耦合超声检测技术( Air-coupled Ultrasonic Nondestructive Testing Technology) 是解决这个问题的可行途径之一。
空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非接触超声检测方法，它可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进行快速扫描。
另外，空气耦合超声检测容易实现纵波到横波、板波和瑞利波等的模式转换，而研究结果表明，在复合材料检测中，横波、板波和瑞利波比纵波的灵敏度高，空气耦合超声检测的这一优点有利于实现复合材料的检测和材料特性的表征。
目前，国外已开始将空气耦合超声检测技术用于某些复合材料板的检测，可以检测出脱粘、脱层、气孔、夹杂和纤维断裂等缺陷，可以解决传统液体耦合超声检测方法不能解决的问题。
但是，空气耦合超声检测的信号衰减很大，声阻抗较高的材料很难实现在线检测，必须采用特殊机制来改进，而且采用脉冲回波法进行检测的难度较大，多数采用穿透法检测和 斜入射检测。
( 4) 激光超声检测技术激光超声(Laser Ultrasound testing technology) 是目前国内外研究活跃的非接触超声检测方法之一。
它利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，在物体内部产生超声波。
按超声波的激发与检测方式不同，激光超声检测可分 3 种： 一种用激光在工件中产 生超声波，用常规超声探头接收检测； 另一种用常规超声波探头激励超声波，用激光干涉法检测工件中 的超声波； 还有一种用激光激励超声波，并用激光干涉法检测工件中的超声波，此法是纯粹意义上的激光超声检测技术。
纯粹的激光超声检测技术由于不使用常规超声探头，因此可以实现远距离非接触检 测，适用于常规压电检测技术难以检测的形状、结构较复杂或尺寸较小的复合材料以及材料的高温特性等研究，如飞机上各个部件的定位和成像等。
( 5) 相控阵超声检测技术相控阵超声检测技术是一种多声束扫描成像技术，它所采用的超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加，形成不同的声束。
各声束相位可控，可用软件控制聚焦焦点，不移动探头或尽量少移动探头就能扫查厚、大工件和形状复杂工件的各个区域。
在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。 在实际的检测应用和研究中，一些设计巧妙的探头已成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。
比如英国 R. J. Freemantle 等人把相控阵阵列安装在橡胶滚轮中，用于检测大面积航空复合材料构件，能有效检出航空复合材料构件中的裂纹及未贴合等缺陷。
Olympus 无损检测公司的 J. Habermehl 等人设计了专门检测碳纤维增强聚合物基复合材料弯管的弧形相控阵探头，为检测圆角联接的构件提供了快速可靠的方法。
超声检测技术不仅能有效检测出先进复合材料中的分层、脱粘、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷，而且在判断材料的疏密、密度、纤维取向、屈曲、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面也有一定的作用。
目前 超声检测技术的主要方向是进一步提高检测效率，发展功能更加强大的检测探头，缺点是对不同类型的缺陷要使用不同规格的探头，而且在检测过程中 需要使用耦合剂。
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