飞机复合材料超声相控阵检测信号处理研究.pdf

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1、飞机复合材料超声相控阵检测信号处理研究水ResearchonSignalProcessingofUltrasonicPhasedArrayUsedinInspectionofAircraftComposite中国民航大学航空自动化学院詹湘琳蔡玉杰刘岱刘涛周德新詹湘琳博士，副教授．主要研究方向为超声无损检测，主持3项省部级及国家级科研项目，发表论文20余篇。在飞机刚出厂时，其复合材料零部件的性能需要符合适航标准。但长时间飞行后，部分结构会在疲劳载荷及复杂的外界环境作用下出现裂纹等损伤，再加上操纵失误或维护不当等原因，飞机的一些内部结构很可。困家自然科学基金(61102097)、天津

2、市科技支撑计划项目(11ZCGHHZ00700)和巾央高校基本科研业务费资助项目(3122014D023和SY一1418)资助，58航空制造技术·2014年第19期飞机有大量复杂结构零件，用常规的超声检测方式进行检测时，难度很大。而用超声相控阵方式进行检测可以在不移动探头的情况下时，通过控制延时来控制超声波束的偏转和聚焦，达到多个角度和不同聚焦深度，从而提高检测效率和准确度，减少了检测人员的工作量。能会被烧伤、撞伤．，而这些损伤会降低飞机结构的强度和刚度，从而影响飞机的飞行性能和飞行安全。所以，对飞机进行定期检查和修理，确保飞机处于良好的T作状态，对保证飞机安全飞行有重要作用，但

3、是，飞机有大量复杂结构零件，用常规的超声检测方式进行检测时，难度很大．、而用超声相控阵方式进行检测可以在不移动探头的情况下时，通过控制延时来控制超声波束的偏转和聚焦，达到多个角度和不同聚焦深度，从而提高检测效率和准确度，减少了检测人员的T作量。超声相控阵技术于20世纪80年代提出，初期主要应用于医学超声成像诊断⋯．，近年来国内外超声相控阵技术发展很快，在医学诊断和工业检测等方面的研究很受欢迎。另外，在相控阵的系统设计、系统的模拟以及实际应用等方面也有所进展，相控阵技术开始走向数字化=．超声相控阵换能器由多个相互独立的阵元组成，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个阵元，使阵列中

4、各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样，在反射波的接收过程中，按与发射相同的规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示：超声相控阵系统主要有两部分组成，即超声阵列换能器和电子控制系统。通过电子系统控制超声相控阵换能器中各阵元的相位，从而获得合成波束，实现动态聚焦和高速扫查。国外，在工业检测方面，瑞典Uppsala大学StepinskiT于1998年把相控阵技术用于核废料罐电子束环焊缝的检测，并研发了软件工具进行B扫成像显示121；Lamarre等于1999年把相控阵系统用于航空飞行器焊缝(FSW)的检测，实现了对动态波束的控制、电子的扇形扫描和

5、聚焦、图像处理和显示等多种功能。美国通用航空公司(GE公司)很认定这一技术，设计出一种复合材料构件超声波水浸探伤系统，如图l所示【。”。在系统设计方面，英国的Freemantle等找到了一种新的相控阵超声探头用于检测面积较大的航空复合材料构件．把相控阵阵列安装在橡胶滚轮中，橡胶滚轮能手动也能自动控制，能检测出航空复合材料构件中的裂纹及未贴合等缺陷141；2000年法国原子能委员会(CEA)成功制造出了具有15mm曲率半径的弯曲探头，适合对非平面和复杂表面的物体进行检测，根据这一基础设计出了“FAUST”系统151；韩国Sogang大学的Hwang和Sunhkyunkwan大学的S

6、ong等借助数字化技术设计了具有动态孑L径聚焦发射及动态聚焦接收特性的相控阵系统12l。在数字化方面，德国Krautkramer公司在1964年研制成功了小型超声检测设备，成为近代超声探伤技术的标志；20世纪80年代Krautkramer公司又生产了便携式数字超声探伤仪，进一步说明超声检测装置正在奔向数字化16l；从1989年开始，加拿大RDTECH公司，先后研制出5代超声相控阵检测设备，前4代产品均采用模拟声束合成，第五代的OmniScan是数字声束合成。Olympus无损检测公司的Habermehl等用相控阵超声检测系统OmniScanTMPA对飞机上碳纤维增强聚合物基复合材

7、料平板构件进行检测，还针对碳纤维增强聚合物基复合材料弯管的圆角联接的构件设计了专门检测弧形相控阵探头。检测速度快．成像效果好

8、7l。国内虽然对相控阵的研究和应用还处于起步阶段，但各个高校和研究所已陆续做出很多成果。在实际应用方面，北京航空航天大学提出使用新复合材料压电换能器改善电声性能的想法，并应用于实际检测中18】；中材科技风电叶片股份有限公司等把超声相控阵技术用于复合材料的粘结缺陷检测一I；中国石油天然气集团公司管道科学研究院在2003年与天津大学合作，成功地研制出对PWA一