空气耦合超声检测技术基础研究及其实践

admin · 发表于 2024-2-6 10:01:40

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为克服常规超声检测过程中耦合条件的限制，实现航空航天常用树脂基复合材料非接触超声检测，构建了复合材料空气耦合超声检测系统，研究了空气耦合超声检测的主要关键技术。首先，针对超声声场特性及衰减特性分析的需求，建立了二阶时间精度、四阶空间精度的二维声场计算模型，应用完全匹配层方法解决了模型的边界吸收题目；通过理论模型仿真及试验验证，研究了空气耦合超声换能器的声场分布特性，分析了穿透试样及多层结构、斜入射等条件下的声场分布情况和超声传播特性；分析了空气耦合超声的衰减因素，综合仿真和试验结果确定了超声在空气中的距离衰减关系，为后续检测方案的设计和信号分析奠定了基础。然后，针对空气耦合超声换能器的特点，研究了不同激励信号参数与回波信号幅值之间的关系，得到了空气耦合超声换能器在不同激励方式下的输出特性；结合脉冲串激励方式的特点及换能器回波信号的特性，应用相敏检波技术和脉冲压缩技术，有效提高了接收信号的信噪比；提出了改进的非线性调频脉冲压缩方法，进一步提高了脉冲压缩性能并简化了参数选择过程，为检测系统的实现提供了技术保证。在此基础上，改造了现有超声C扫描检测系统，设计了换能器专用夹持装置，建立了复合材料空气耦合超声检测系统。该系统除了可完成常规信号方式C扫描检测外，还可实现相敏检波C扫描和脉冲压缩Ｃ扫描检测，为后续超声成像技术研究提供了实验平台。最后，根据空气耦合超声检测的特点，分析了不同成像方式的实现原理；针对成像研究中图像质量评价和缺陷分析的需要，研究了图像信噪比计算方法和缺陷尺寸判定方法；通过异侧检测方式下碳纤维、玻璃纤维等复合材料板的检测，对比了各种换能器激励接收方法在实际检测中的应用效果；分析了同侧斜入射检测方式的检测原理，并进行了碳纤维、玻璃纤维等复合材料板的成像试验。研究工作表明，采用合适的检测方案和激励接收方法，空气耦合超声检测可应用于树脂基复合材料的非接触超声检测中；异侧检测方式对树脂基复合材料板试样内缺陷的位置、尺寸可较为准确地进行判定，同侧检测方式可实现复合材料板主要缺陷的有效检出，在超声原位检测中极具应用前景。

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