一種基于自動(dòng)掃描的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲成像檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于自動(dòng)掃描的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲成像 檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)及金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在航空航天、交通等工業(yè)領(lǐng)域的 應(yīng)用廣泛，通常采用膠接和焊接等工藝制造成各種各樣的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，需要對(duì)裝機(jī)應(yīng)用 的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)掃描無損檢測，確保裝機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和服役安全。目前主要是采 用的兩種檢測方法：（l)x-射線數(shù)字成像檢測方法，其主要不足是：1)只能檢出蜂窩芯本身 的缺陷，難以檢出蒙皮/蜂窩芯連接界面的缺陷；2)成本高；3)需要嚴(yán)格的射線防護(hù)；4)不 環(huán)保；（2)超聲檢測方法，多采用穿透法檢測，其主要不足是：1)多采用平面換能器和低頻 換能器，分辨率低，難以得到每個(gè)蜂窩芯格與蒙皮的連接情況；2)對(duì)于大厚度蜂窩芯，因聲 波衰減異常劇烈，檢測困難；3)換能器需要從零件兩側(cè)接近被檢測零件，從而需要復(fù)雜的 同步掃描機(jī)構(gòu)和嚴(yán)格的噴水耦合控制及水凈化要求；4)不能確定檢出缺陷的深度位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對(duì)復(fù)合材料及金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，提出一種基于自動(dòng)掃描的蜂 窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲成像檢測方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)及金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的超聲成 像檢測，改進(jìn)超聲檢測的靈敏度和分辨率，提高對(duì)膠接和焊接蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中蒙皮、蒙皮/ 蜂窩芯、蜂窩芯/連接層之間的缺陷的檢出能力和檢測的可靠性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案 是，
[0004] 采用脈沖反射法，利用自動(dòng)掃描超聲成像檢測系統(tǒng)進(jìn)行蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲成像檢 測，自動(dòng)掃描超聲成像檢測系統(tǒng)包括換能器、超聲單元、信號(hào)處理單元、機(jī)械掃查機(jī)構(gòu)、掃查 控制單元和成像系統(tǒng)，其特征是，
[0005] 通過自動(dòng)掃描超聲成像檢測系統(tǒng)中的換能器向被檢測蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)發(fā)射寬帶 窄脈沖超聲信號(hào)IV此寬帶窄脈沖超聲信號(hào)^通過換能器與蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)表面之間的聲學(xué) 耦合劑傳播到被檢測蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的蒙皮表面，并在被檢測蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的蒙皮表面形成 超聲反射和折射后，在蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的蒙皮表面形成反射寬帶窄脈沖超聲信號(hào)％和透射寬 帶窄脈沖超聲信號(hào)u t，其中，透射寬帶窄脈沖超聲信號(hào)ut經(jīng)過蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的蒙皮后傳播 到蒙皮/蜂窩芯連接層，形成新的超聲反射/折射，
[0006]1)當(dāng)ut的波長x〈〈hi時(shí)，這里，hi為蜂窩芯連接層的厚度，此時(shí)，
[0007] ①換能器接收到來自蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的蒙皮/蜂窩芯連接層的反射寬帶窄脈沖超 聲信號(hào)ub表不為：
[0008]
(la)
[0009] 對(duì)應(yīng)的成像信號(hào)G表示為：
[0010] G = kub(lb)
[0011] 這里，G-為成像信號(hào)，其域值范圍為[0, 255]，
[0012] k-為調(diào)制系數(shù)，根據(jù)ub的大小和超聲單元的增益，由試驗(yàn)設(shè)定。
[0013] ②換能器接收到來蜂窩芯連接層/蜂窩壁界面反射的寬帶窄脈沖超聲信號(hào)ub'表 示為：
[0014]
(2a)
[0015] 對(duì)應(yīng)的成像信號(hào)G'表示為：
[0016]G' = kub' （2b)〇
[0017] G'的域值范圍為[0, 255]，
[0018] ③換能器接收到來蜂窩芯連接層/蜂窩格界面反射的寬帶窄脈沖超聲信號(hào)ub"表 示為：
[0019] ub"~-(l-ub) (3a)
[0020] 對(duì)應(yīng)的成像信號(hào)G"表示為：
[0021] G" = kub" (3b) 〇
[0022] G"的域值范圍為[0, 255]，
[0023]這里，
[0024]P^為換能器與被檢測蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)之間的聲學(xué)耦合介質(zhì)的密度，
[0025]P2-為蒙皮的材料的密度，
[0026] P3-當(dāng)蒙皮/蜂窩芯連接層界面沒有缺陷時(shí)，P3為蜂窩芯連接層的材料的密度， 當(dāng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的蒙皮/蜂窩芯連接層界面存在脫粘缺陷時(shí)，P 3近似為空氣的密度，
[0027]P4-當(dāng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的蒙皮/蜂窩壁界面沒有缺陷時(shí)，P4為蜂窩芯的材料的密 度，當(dāng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的蒙皮/蜂窩壁界面有缺陷時(shí)，P 4近似為空氣的密度，
[0028] q-為換能器與被檢測蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)之間的聲學(xué)耦合介質(zhì)中的聲速，
[0029] c2-為蒙皮中的聲速，
[0030] (：3-當(dāng)蒙皮/蜂窩芯連接層界面沒有缺陷時(shí)，c3為蜂窩芯連接層中的聲速，當(dāng)蒙皮 /蜂窩芯連接層界面出現(xiàn)脫粘缺陷時(shí)，(：3近似為空氣中的聲速，
[0031] (34-當(dāng)蒙皮/蜂窩壁界面沒有缺陷時(shí)，c4為蜂窩芯中的聲速，當(dāng)蒙皮/蜂窩壁界面 有缺陷時(shí)，〇 4近似為空氣中的聲速，
[0032] 進(jìn)行缺陷判別：
[0033] ①根據(jù)換能器接收到來自蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中的蒙皮/蜂窩芯連接層界面的反射寬 帶窄脈沖超聲信號(hào)u b，按照式判別蒙皮/蜂窩芯連接層界面的缺陷，按照式（lb)將反射寬 帶窄脈沖超聲信號(hào)ub轉(zhuǎn)換為成像信號(hào)G ;
[0034] ②根據(jù)換能器接收到來蜂窩芯連接層/蜂窩壁界面的反射寬帶窄脈沖超聲信號(hào) ub'，按照式（2a)判別蜂窩芯連接層/蜂窩壁界面的缺陷，按照式（2b)將反射超聲寬帶窄 脈沖信號(hào)u b'轉(zhuǎn)換為成像信號(hào)G'，按照式（3a)判別蜂窩芯連接層/蜂窩格界面，按照式 (3b)將反射超聲寬帶窄脈沖信號(hào)ub"轉(zhuǎn)換為成像信號(hào)G";
[0035]2)當(dāng)七的波長入》1時(shí)，此時(shí)，ut只會(huì)形成蒙皮/蜂窩壁界面的反射寬帶窄脈沖 超聲信號(hào)u。和蒙皮/蜂窩格界面的反射寬帶窄脈沖超聲信號(hào)u'。，分別表示為：
[0036] (4a)
[0037] (5a)
[0038] 對(duì)應(yīng)蜂窩芯連接層/蜂窩壁界面的成像信號(hào)G。和蒙皮/蜂窩格界面的成像信號(hào) Gc/分別表不為：
[0039] Gc= ku c (4b)
[0040] Gcr = kurc (5b)
[0041] 6。和6，的域值范圍為[0,255]，
[0042] 進(jìn)行缺陷判別：
[0043] 根據(jù)換能器接收到來自蒙皮/蜂窩壁界面的反射寬帶窄脈沖超聲信號(hào)u。和蒙皮/ 蜂窩格界面的反射寬帶窄脈沖超聲信號(hào)u'。，按照式（4a)和式（5a)判別蒙皮/蜂窩壁界 面的缺陷，按照式（4b)和式（5b)將對(duì)應(yīng)的反射寬帶窄脈沖超聲信號(hào)u。和u'。轉(zhuǎn)換為成 像信號(hào)。
[0044] 根據(jù)被檢測蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、工藝的特點(diǎn)和檢測要求，選擇入射脈沖超聲波的頻率， 用于檢測蒙皮/蜂窩芯連接層界面為膠接或焊接而成的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，頻率在5 - 15MHz之 間選擇。
[0045] 換能器與被檢測蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)之間采用噴液耦合、液膜接觸耦合或液浸耦合方 式。
[0046] 換能器與被蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)之間的聲學(xué)耦合介質(zhì)選用：水、油、冷卻液或者其他液體 耦合劑，以適應(yīng)不同材料被檢測結(jié)構(gòu)或者零件在不同環(huán)境條件下的超聲成像檢測。
[0047] 換能器的聲束直徑大小du按下式選擇，
[0048] du< min {L i，dj} (6)
[0049] 這里，i = 1，2,3,4,5,6，
[0050] j= 1,2,3,
[0051] Q-表示蜂窩芯格的第i條邊的邊長，
[0052]七一表示第j條蜂窩芯格相對(duì)兩平行邊的邊長，
[0053] min一表不取最小值，
[0054] 換能器⑴與蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)零件表面之間的距離hf按下式選擇，
[0055] hf=df±0.5d w (7)
[0056] 這里，df-為換能器的焦距，
[0057]dw-為換能器的焦柱。
[0058] 掃描步進(jìn)S按下式選擇，
[0059] S ^ (0. 5-