一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法。

背景技术：

各种复合材料加强筋条是复合材料承力结构的重要组成部分，其在复合材料结构中起到载荷传递和承力作用，这种复合材料结构形式目前已在航空航天、交通等工业领域应用广泛。通常需要对复合材料筋条结构部位进行可靠地无损检测。目前是基于超声方法进行复合材料筋条结构部位的无损检测：一种是采用手工超声扫描方法，利用超声A-显示信号进行缺陷判别，其主要不足是，(1)点扫描，检测效率低、易漏检；(2)检测结果不能可视化成像，容易引起缺陷误判；(3)难以实时进行被检测筋条区全局显示；(4)缺陷判别易受检测人员主观因素影响。为了改善其不足，另一种检测方法是，通过设计一些专门的超声自动扫描检测系统，实现复合材料筋条结构部位的扫描成像检测，其主要不足是，(1)成本非常高、技术难度大，需要根据不同的复合材料筋条结构部位的几何特点，设计不同的扫描检测系统；(2)因自动扫描机构复杂和场地环境条件的限制，实现起来较困难；(3)对检测场地要求高，需要占用较大的专用检测场地；(4)检测结果的核实实时性不好。

技术实现要素：

本发明的目的是针对复合材料筋条区结构部位，提出一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，实现复合材料筋条区结构部位的超声可视化检测，提高超声对复合材料筋条区结构部位检测的可视化程度和实时性与检测效率，进而提高缺陷的检出能力和检测的可靠性，改进复合材料筋条区结构部位的可检性。本发明的技术解决方案是，

一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，由用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器、超声阵列单元、信号处理单元和成像单元组成，在超声阵列单元激励超声阵列换能器发射超声波信号，此超声波信号经过通过耦合介质传播到被检测复合材料结构筋条区内部，并在被检测复合材料结构筋条区内部形成反射超声波信号，此超声波信号被超声阵列换能器接收，并经超声阵列单元预处理后，由信号处理单元进行数字化，再由成像单元按照所建立的显示模型进行成像，

(1)检测部位

将被检测复合材料结构筋条区分为以下几个检测部位：

4)筋条区的右侧底边部位；

5)筋条区的左侧底边部位；

6)筋条区的立边部位；

(2)入射方向选择

选择从筋条区的右侧底边和左侧底边及立边方向作为入射方向进行超声可视化成像检测：

d)入射方向①：适用于筋条区的右侧底边部位及对应的蒙皮区部位的超声可视化成像检测；

e)入射方向②：适用于筋条区的左侧底边部及对应的蒙皮区部位的超声可视化成像检测；

f)入射方向③：适用于筋条区的立边部位的超声可视化成像检测；

(3)超声阵列换能器的选择

1)类型选择

选择用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器，对被检测复合材料结构筋条区的左侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮区部位、筋条区的立边部位进行检测，

用于复合材料结构筋条区的超声阵列换能器主要包括超声反射镜、超声透射镜、压电晶元阵列、匹配层、阻尼块、外壳、连接座，其中，

外壳为一长方体，在此长方体内部为贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧有用于锁紧超声反射镜的小凸台及贯通孔，

压电晶元阵列由N个压电晶元组成，N为压电晶元阵列的压电晶元数，压电晶元阵列的大小与匹配层的大小匹配，匹配层和阻尼块的大小与外壳贯通内长方孔匹配，按照阻尼块+压电晶元阵列+匹配层的组合关系封装在外壳的内部，

超声透射镜为一矩形45°透声斜契，相对于45°斜切面的一端平面与匹配层保持声学耦合，利用螺母穿过外壳中的固定用的贯通孔与超声透射镜中两个配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，相对于超声透射镜中的45°斜切面的另一端平面，即入射面与被检测复合材料结构筋条区中的右侧底边部位或左侧底边部位或立边部位表面保持接触或非接触声学耦合，

超声反射镜为一矩形45°反声斜契，此矩形45°反声斜契中的45°斜切面与超声透射镜中45°的斜切面方向、大小位置比配，并彼此保持声学耦合，利用螺母穿过超声透射镜中的固定用的贯通孔与超声反射镜中配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，

2)阵列声源的构成

根据被检测复合材料结构筋条区检测部位的几何特征，选择超声阵列换能器，构成阵列声源这里，i＝1,2,...,N，S_i为第i个晶元w_i对应的声束作用面积，通过对筋条区的右侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的左侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的立边部位进行声波覆盖入射，从而在被检测复合材料结构筋条区内部形成入射超声波阵列声束，且N由式(1)确定和选择：

这里，w_i——为单个压电晶元的宽度，

对于筋条区的底边部位的超声检测，H_j取筋条的右侧底边部位的宽度H₁和筋条的左侧底边部位的宽度H₂的最大值，即

H_j＝max{H₁,H₂}，且不大于80mm，

对于筋条区的立边部位的检测，H_j取筋条区的立边部位的宽度H₃的高度最大值，且不大于80mm，

实际检测时，使每一个压电晶元对应一个声束进行扫描，或通过电子延时合成的方法，将N个压电晶元进行组合，合成阵列扫描声束，对复合材料结构筋条区的左侧底边部位、右侧底边部位和立边部位的覆盖扫查检测。

3)的频率选择

根据被检测复合材料筋条区的检测要求和材料工艺及其结构厚度，选择超声阵列换能器的频率f；

(4)扫查方法

选择与超声阵列换能器中的晶元的线性排列方向垂直的方向，即复合材料筋条区的长度方向，作为扫查方向，步进方向与扫查方向垂直，通过手动或者自动扫查机构移动超声阵列换能器对被检测复合材料结构筋条区的左侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的右侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条区的立边部位进行扫查检测，

(5)成像方法

通过信号处理单元将来自超声阵列换能器和超声单元的超声信号进行数字化处理，按照式(2)转换为数字成像信号P_i(x_i,y_i,c_i)，在显示单元(4)中进行成像显示，

这里，

u_i(A_i,t_i)与单值线性对应，为超声阵列换能器中第i个入射声束S_i传播路径上接收到的反射超声波信号，其幅值为A_i，传播时间为t_i，同时u_i(A_i,t_i)与被检测复合材料结构筋条区中的被检测部位的位置坐标Q_i(x_i,y_i)单值对应，

i对应S_i在被检测复合材料结构筋条区当前扫查区的位置点，

x_i表示S_i在被检测复合材料结构筋条区的x方向，即筋条底边部位和筋条立边部位宽度方向的位置坐标，检出缺陷的在筋条区中的宽度方向的位置w_i通过x_i由式(4)映射确定，

y_i表示S_i在筋条底边部位和筋条立边部位厚度方向传播时间t方向的坐标，检出缺陷的深度位置h_i通过y_i由式(5)映射确定，且，

υ——为复合材料结构筋条区中的声速，

c_i——为图像显示中(x_i,y_i)点所对应的颜色值，且其中K_c为颜色值或灰度转换系数，与显示单元对应的灰度或者彩色分辨率有关，u₀为对应显示单元的灰度或彩色级差的最大值，

x_i＝k_xw_i (4)

y_i＝k_yh_i (5)

这里，

k_x——为x方向的坐标转换系数，

k_y——为y方向的坐标转换系数，

将超声阵列换能器在每个扫描位置的检测信号按照式(2)进行映射和成像显示，实现对每个扫描位置的检测结果的超声可视化成像；

(6)缺陷判别

根据超声阵列换能器接收到的来自每个入射声束S_i传播路径上的反射超声波信号u_i(A_i,t_i)中的幅值A_i及其在显示单元中显示的对应的图像的颜色或灰度进行缺陷的判别，利用显示单元中的成像坐标确定检出缺陷的长度和深度，从而进行缺陷的定量分析。

所述的超声阵列换能器分为立式和横式两种布局，其中，

1)当超声阵列换能器采用立式布局时，超声透射镜的入射面与被检测复合材料结构筋条区的筋条立边部位表面之间采用水耦合剂保持接触或非接触声学耦合，用于筋条区的筋条立边部位的超声可视化成像检测；

2)当超声阵列换能器采用横式布局时，超声透射镜的入射面与被检测复合材料结构筋条区的筋条右侧底边部位和筋条左侧底边部位表面之间采用水耦合剂保持接触或非接触声学耦合，用于筋条区的筋条右侧底边部位及对应的蒙皮区部位、筋条左侧底边部位及对应的蒙皮区部位的超声可视化成像检测。

根据被检测复合材料结构筋条区不同位置和缺陷可能取向，选择相应布局的超声阵列换能器，分别从入射方向①、②、③进行线性扫描，对被检测复合材料结构筋条区的立边和底边部位进行快速超声可视化成像覆盖扫查检测，单次线性扫描超声可视化成像的宽度范围在20mm—80mm之间选择。

根据不同的被检测复合材料结构筋条区的特点，超声阵列换能器的频率选则范围为5MHz-10MHz。

所述的一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，通过选择配套的超声阵列换能器，用于碳纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等不同增强体制造而成的复合材料结构中筋条区的快速超声可视化成像检测。

本发明具有的优点和有益效果，本发明方法基于超声反射原理，通过选用超声反射镜阵列线性扫面阵列换能器构建了一种快速超声扫描可视化成像方法，实现了复合材料结构筋条区不同部位的快速超声扫描可视化成像检测，通过选择不同扫查方式和入射方向及阵列换能器，实现不同复合材料结构筋条区的超声可视化成像检测。实际检测效果表明，明显提高了超声对复合材料结构筋条区不同部位检测的可视化程度和缺陷检出率及检测效率，可检测出复合材料结构筋条区不同部位中Ф3mm的分层，可视化成像质量非常清晰，取得了很好的实际检测效果。本发明还具有如下的特点：

(1)本发明针对复合材料结构筋条区的几何特征和检测要求，通过设计和选择复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器，构成线阵列扫描声束，对筋条区的立边、底边部位进行线扫描覆盖，通过对阵列声束扫查位置信息和超声阵列声源信息重构，进行快速超声可视化成像，显著提高了超声对复合材料筋条区结构部位检测的可视化程度和实时性以及检出缺陷定量分析的准确性，检测效率显著提高；

(2)采用本发明，通过构建不同的超声透声镜和反射镜，显著改善了筋条根部位置的可达性和可检性，克服了超声检测在筋条根部位置存在的几何盲区，显著提高了复合材料筋条区结构部位的可检性；

(3)采用本发明，通过规划复合材料结构筋条区不同部位超声线性扫查方式和轨迹，实现了复合材料结构筋条区不同部位的快速超声可视化成像检测，明显提高了超声对复合材料结构筋条区不同部位检测的可视化程度和缺陷检出率，

(4)采用本发明，无需复杂的扫描机构，对检测场地要求无特殊要求，即可实现复合材料结构筋条区快速超声可视化成像检测，显著改进了复合材料筋条区结构部位的可检性和缺陷的检出能力，进而提高了检测结果的可靠性；

(5)利用本发明提出的复合材料结构筋条区快速超声可视化成像检测方法，既实现手动扫查检测，也可以实现自动扫描检测，成本非常低、容易实现和掌握、环保，可以准确地确定检出缺陷的部位和深度位置，从而为工艺改进和产品质量控制提供了十分重要的超声可视化成像检测方法和技术手段。

附图说明

图1是本发明的复合材料结构筋条区底边部位快速超声可视化成像方法原理示意图；

图2本发明的复合材料结构筋条区立边部位快速超声可视化成像方法原理示意图。

具体实施方式

一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，由用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器1、超声阵列单元2、信号处理单元3和成像单元4组成，如图1所示，在超声阵列单元2激励超声阵列换能器1发射超声波信号，此超声波信号经过通过耦合介质传播到被检测复合材料结构筋条区内部，并在被检测复合材料结构筋条区内部形成反射超声波信号，此超声波信号被超声阵列换能器1接收，并经超声阵列单元2预处理后，由信号处理单元3进行数字化，再由成像单元4按照所建立的显示模型进行成像，

(1)检测部位

如图1和图2将被检测复合材料结构筋条区5分为以下几个检测部位：

1)筋条区5的右侧底边部位5A；

2)筋条区5的左侧底边部位5B；

3)筋条区5的立边部位5C；

(2)入射方向选择

选择从筋条区5的右侧底边和左侧底边及立边方向作为入射方向进行超声可视化成像检测：

g)入射方向①：适用于筋条区5的右侧底边部位5A及对应的蒙皮5D区部位的超声可视化成像检测；

h)入射方向②：适用于筋条区5的左侧底边部5B及对应的蒙皮5D区部位的超声可视化成像检测；

i)入射方向③：适用于筋条区5的立边部位5C的超声可视化成像检测；

(3)超声阵列换能器1的选择

1)类型选择

选择用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器1，对被检测复合材料结构筋条区5的左侧底边部位5B及对应的蒙皮5D区部位、筋条区5的右侧底边部位5A及对应的蒙皮5D区部位、筋条区5的立边部位5C进行检测，

用于复合材料结构筋条区5的超声阵列换能器1主要包括超声反射镜1C、超声透射镜1D、压电晶元阵列1E、匹配层1F、阻尼块1G、外壳1H、连接座1J，其中，

外壳1H为一长方体，在此长方体内部为贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧有用于锁紧超声反射镜1C的小凸台及贯通孔，

压电晶元阵列1E由N个压电晶元组成，N为压电晶元阵列1E的压电晶元数，压电晶元阵列1E的大小与匹配层1F的大小匹配，匹配层1F和阻尼块1G的大小与外壳1H贯通内长方孔匹配，按照阻尼块1G+压电晶元阵列1E+匹配层1F的组合关系封装在外壳1H的内部，

超声透射镜1D为一矩形45°透声斜契，相对于45°斜切面的一端平面与匹配层1F保持声学耦合，利用螺母穿过外壳1H中的固定用的贯通孔与超声透射镜1D中两个配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，相对于超声透射镜1D中的45°斜切面的另一端平面，即入射面1K与被检测复合材料结构筋条区5中的右侧底边部位5A或左侧底边部位5B或立边部位5C表面之间保持接触或非接触声学耦合，参见图1和图2所示，

超声反射镜1C为一矩形45°反声斜契，此矩形45°反声斜契中的45°斜切面与超声透射镜1D中45°的斜切面方向、大小位置比配，并彼此保持声学耦合，利用螺母穿过超声透射镜1D中的固定用的贯通孔与超声反射镜1C中配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，

2)阵列声源的构成

根据被检测复合材料结构筋条区5检测部位的几何特征，选择超声阵列换能器1，构成阵列声源这里，i＝1,2,...,N，S_i为第i个晶元w_i对应的声束作用面积，通过对筋条区5的右侧底边部位5A及对应的蒙皮5D区部位、筋条区5的左侧底边部位5B及对应的蒙皮5D区部位、筋条区5的立边部位5C进行声波覆盖入射，从而在被检测复合材料结构筋条5区内部形成入射超声波阵列声束，且N由式(1)确定和选择：

这里，w_i——为单个压电晶元的宽度，

对于筋条区5的底边部位5A和5B的超声检测，H_j取筋条5的右侧底边部位5A的宽度H₁和筋条5的左侧底边部位5B的宽度H₂的最大值，即

H_j＝max{H₁,H₂}，且不大于80mm，

对于筋条区5的立边部位5C的检测，H_j取筋条区5的立边部位5C的宽度H₃的高度最大值，且不大于80mm，

实际检测时，使每一个压电晶元对应一个声束进行扫描，或通过电子延时合成的方法，将N个压电晶元进行组合，合成阵列扫描声束，对复合材料结构筋条区5的左侧底边部位5B、右侧底边部位5A和立边5C部位的覆盖扫查检测。

3)的频率选择

根据被检测复合材料筋条区5的检测要求和材料工艺及其结构厚度，选择超声阵列换能器1的频率f；

(4)扫查方法

选择与超声阵列换能器(1中的晶元的线性排列方向垂直的方向，即复合材料筋条区5的长度方向，作为扫查方向，步进方向与扫查方向垂直，通过手动或者自动扫查机构移动超声阵列换能器1对被检测复合材料结构筋条区5的左侧底边部位5B及对应的蒙皮5D区部位、筋条区5的右侧底边部位5A及对应的蒙皮5D区部位、筋条区5的立边部位5C进行扫查检测，

(5)成像方法

通过信号处理单元3将来自超声阵列换能器1和超声单元2的超声信号进行数字化处理，按照式(2)转换为数字成像信号P_i(x_i,y_i,c_i)，在显示单元(4)中进行成像显示，

这里，

u_i(A_i,t_i)与单值线性对应，为超声阵列换能器1中第i个入射声束S_i传播路径上接收到的反射超声波信号，其幅值为A_i，传播时间为t_i，同时u_i(A_i,t_i)与被检测复合材料结构筋条区5中的被检测部位的位置坐标Q_i(x_i,y_i)单值对应，参见图2所示，

i对应S_i在被检测复合材料结构筋条区5当前扫查区的位置点，

x_i表示S_i在被检测复合材料结构筋条区5的x方向，即筋条底边部位5A和5B和筋条立边部位5C宽度方向的位置坐标，检出缺陷的在筋条区5中的宽度方向的位置w_i通过x_i由式4映射确定，

y_i表示S_i在筋条底边部位5A和5B和筋条立边部位5C厚度方向传播时间t方向的坐标，检出缺陷的深度位置h_i通过y_i由式5映射确定，且，

υ——为复合材料结构筋条区5中的声速，

c_i——为图像显示中(x_i,y_i)点所对应的颜色值，且其中K_c为颜色值或灰度转换系数，与显示单元4对应的灰度或者彩色分辨率有关，u₀为对应显示单元4的灰度或彩色级差的最大值，

x_i＝k_xw_i (4)

y_i＝k_yh_i (5)

这里，

k_x——为x方向的坐标转换系数，

k_y-—为y方向的坐标转换系数，

将超声阵列换能器1在每个扫描位置的检测信号按照式2进行映射和成像显示，即实现对每个扫描位置的检测结果的可视化成像；

(6)缺陷判别

根据超声阵列换能器1接收到的来自每个入射声束S_i传播路径上的反射超声波信号u_i(A_i,t_i)中的幅值A_i及其在显示单元4中显示的对应的图像的颜色或灰度进行缺陷的判别，例如，当在入射声束传播路径上存在缺陷5E时，相应的入射声束会在缺陷周围产生明显的反射超声波信号1B，进而会使中对应的幅值A_i显著增大，由此会改变相应的超声图像的灰度或颜色值，利用显示单元4中的成像结果及其成像坐标确定检出缺陷、检出缺陷的长度与深度，从而进行缺陷的定量分析。

超声阵列换能器1分为立式和横式两种布局，参见图1和图2所示，其中，

1)当超声阵列换能器1采用立式布局时，超声透射镜1D的入射面1K与被检测复合材料结构筋条区5的筋条立边部位5C表面之间采用水耦合剂保持接触或非接触声学耦合，用于筋条区5的筋条立边部位5C的超声可视化成像检测；

2)当超声阵列换能器1采用横式布局时，超声透射镜1D的入射面1K与被检测复合材料结构筋条区5的筋条右侧底边部位5A和筋条左侧底边部位5B表面之间采用水耦合剂保持接触或非接触声学耦合，用于筋条区5的筋条右侧底边部位5A及对应的蒙皮5D区部位、筋条左侧底边部位5B及对应的蒙皮5D区部位的超声可视化成像检测。

根据被检测复合材料结构筋条区5不同位置和缺陷可能取向，根据权利2选择相应布局的超声阵列换能器1，分别从入射方向①、②、③进行线性扫描，对被检测复合材料结构筋条区5的立边和底边部位进行快速超声可视化成像覆盖扫查检测，单次线性扫描超声可视化成像的宽度范围在20mm—80mm之间选择。

根据不同的被检测复合材料结构筋条区的特点，超声阵列换能器1的频率选则范围为5MHz-10MHz。

通过选择配套的超声阵列换能器1，用于碳纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等不同增强体制造而成的复合材料结构中筋条区5的快速超声可视化成像检测。

复合材料结构筋条区超声快速可视化成像方法的步骤是，

①检测部位选择

参考图1和图2选择复合材料结构筋条区相应的检测部位。

②入射方式选择

根据选择的复合材料结构筋条区相应的检测部位，确定阵列声波入射方向。

③超声阵列换能器选择

根据步骤①和②中的信息，选择超声阵列换能器及其频率。

④成像参数设置

根据所选择的超声阵列换能器，利用超声单元、信号处理单元与显示单元设置增益、门选信号、声束合成孔径等参数。

⑤扫查方式选择

根据检测环境和被检测复合材料结构筋条区5的实际工况，选择手动扫查或自动扫查方式。

⑥超声可视化成像检测

a)将超声阵列换能器1置于复合材料结构筋条区的所选择的检测部位，并保证超声阵列换能器1与被检测部位耦合良好；

b)移动超声阵列换能器1，进行超声可视化成像检测；

c)对于手动扫查：一边移动超声阵列换能器1，同时观察显示单元3显示的超声可视化成像结果，并根据超声可视化成像结果进行缺陷判别和记录；对于自动扫查：超声可视化成像结果将自动保存在显示单元3中，检测完毕，再根据超声可视化成像结果进行缺陷判别和分析。

d)重复执行步骤a)到c)，直至所选择的复合材料结构筋条区部位检测完毕；

f)重复步骤①至⑥，直至全部复合材料结构筋条区检测完毕。

实施例

采用本发明专利，选择中航复合材料有限责任公司的UBZ-1系列超声阵列换能器及其配套的超声单元、信号处理单元和显示单元，采用水作接触和非接触耦合剂对多种复合材料结构筋条区不同部位进行了系列的实际检测应用，其中，换能器频率选择5MHz、7.5MHz和10MHz，复合材料结构的大小在200×500mm—500×3000mm不等，厚度在3mm-15mm不等，筋条区的宽度20mm、40mm、80mm不等，系列的实际检测应用结果表明，可有效地检测出复合材料结构筋条区不同部位中Ф3mm的缺陷和Ф6mm的分层及胶层气孔以及筋条区的结构变化等，可视化成像质量非常清晰，取得了很好的实际检测效果。