CN106124638B - R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法 - Google Patents
R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法，该方法描述了声场测量系统的组成，给出了曲面线阵探头在R角结构检测中声场的测量步骤，同时规定了声场测量用对比试块的结构、灵敏度调节方法和对声场测试结果有效性的判断。本发明具有的优点是可实现整个R角弧度区域的声场测量，更加准确的掌握声场沿不同方向的分布规律，对缺陷评判起到重要的指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法，属于无损检测技术领域。
背景技术
复合材料R角结构是军用飞机结构中的一种常见结构形式，舰载机的舱门、壁板等制件中均有R角结构，其他一些复杂结构制件也可能包含有小曲率结构。该结构在固化成型过程中，较平面部位更容易因为树脂流动不均匀或固化程度不足等原因引起孔隙、分层、脱粘等缺陷，在纤维填塞区还容易因为纤维填塞不足或树脂流动不好而形成孔洞缺陷。并且，当R角结构内部及附近出现缺陷时，制件受力后，缺陷的扩展速率要大于缺陷位于层板中的扩展速率。因此，对复合材料R角结构的质量控制十分重要。美、英等航空强国，不断发展先进的无损检测技术对R角结构进行质量把关，并对其制定了严格的验收标准。我国虽然也认识到整体化接头质量检测的重要性，但重视程度和技术水平远远落后于英美国家，已不能满足我国复合材料制件快速发展的需要。尽快提升我国R角结构检测技术水平，扭转检测技术与材料发展不匹配的被动局面，迫在眉睫。
由于R角结构带有曲率，声束在其中的传播规律不好判定，且采用的相控阵探头为环形线阵，该探头检测时在沿R角长度方向和沿R角曲率方向的声场方向不同，因此，在对R角结构进行超声相控阵检测前，必须对超声相控阵探头在R角结构中产生的声场进行测量，以便及时调整相控阵探头工作法则及检测后指导对缺陷尺寸的测量。
发明内容
本发明正是针对上述R角结构超声相控阵检测前进行声场测量的必要性而设计的一种R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法，其目的是在检测前准确掌握R角结构中超声相控阵探头产生的声场分布和对缺陷的检测能力，以便及时调整相控阵探头工作法则及检测后指导对缺陷尺寸的测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种树脂基复合材料R角结构超声检测声场的测量方法，所述R角结构为连接两个平板平面1的单曲率圆弧面2，单曲率圆弧面2的圆弧曲率半径大于3mm，小于25mm，单曲率圆弧面2沿圆弧方向的圆弧开口角度大于30°，小于180°，所述单曲率圆弧面2的截面称为圆弧截面3，圆弧截面3的厚度与平板平面1的厚度相同，该圆弧截面3与上述两个平板平面1垂直，所述超声检测装置包括超声相控阵检测仪器4、曲面线阵探头5、编码器6和声场测量用对比试块7，超声相控阵检测仪器4通过电缆线与编码器6、曲面线阵探头5连接，对比试块7的沿R角延伸方向上的长度大于200mm，该长度方向与圆弧截面3垂直，对比试块7的材料、R角结构和制备工艺与被检测的R角结构相同，其特征在于：该测量方法的步骤如下：
步骤一、在对比试块7的三个相邻的圆弧截面3上、由对比试块7的外表面向内加工直径为1mm的平底孔8，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工三个平底孔8，三个平底孔8的位置分别位于圆弧截面3上圆弧的顶端、中心、底端，三个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，所述三个圆弧截面3上共加工有九个平底孔8，其中：
三个位于圆弧截面3上圆弧顶端的平底孔8的埋深分别为：
a、0.5mm或圆弧截面3厚度的1/3，取两者中数值小的；
b、圆弧截面3厚度的1/2；
c、圆弧截面3厚度的2/3或圆弧截面3厚度减0.5mm，取两者中数值大的；
三个位于圆弧截面3上圆弧中心的平底孔8的埋深分别为：
a、0.5mm或圆弧截面3厚度的1/3，取两者中数值小的；
b、圆弧截面3厚度的1/2；
c、圆弧截面3厚度的2/3或圆弧截面3厚度减0.5mm，取两者中数值大的；
三个位于圆弧截面3上圆弧底端的平底孔8的埋深分别为：
a、0.5mm或圆弧截面3厚度的1/3，取两者中数值小的；
b、圆弧截面3厚度的1/2；
c、圆弧截面3厚度的2/3或圆弧截面3厚度减0.5mm，取两者中数值大的；
步骤二、将对比试块7放置在水槽中，曲面线阵探头5通过水耦合在对比试块7上，设置曲面线阵探头5的工作方式，扫查间距为0.5mm，采样信号门的水平位置设置在平底孔8反射回波上，调节超声相控阵检测仪器4的增益，分别使各平底孔8的反射信号幅度达到超声相控阵检测仪器4的显示屏满刻度的80％，并记录各平底孔8的增益值，然后沿对比试块7R角的延伸方向分别对对比试块7中的各个平底孔8进行相控阵C扫描成像和B扫描成像，在相控阵C扫描成像中，以6dB法测量各个平底孔8在对比试块7R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在对比试块7R角结构的圆弧截面3上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸，在相控阵B扫描成像中，测量各个平底孔8的埋深；
步骤三、将各平底孔8的表征圆弧成像尺寸按以下公式进行修正，得到各个平底孔8沿对比试块7R角结构的圆弧截面3上圆弧的圆弧成像尺寸，修正公式如下：
式中：x为圆弧成像尺寸，r为对比试块7R角结构的单曲率圆弧面2的曲率半径，h为平底孔8埋深，R为曲面线阵探头5晶片分布曲率半径，l为表征圆弧成像尺寸；
步骤四、如果圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔8真实尺寸，则圆弧成像尺寸X为曲面线阵探头5在对比试块7中相应平底孔8位置处在圆弧截面3上沿圆弧的的声束宽度，延伸成像尺寸为曲面线阵探头5在对比试块7中相应平底孔8位置处沿R角的延伸方向的声束宽度；
如果圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸中有一个小于或等于相应的平底孔8真实尺寸，则重复上述步骤一至三，其中不同之处是在该平底孔8的位置上，加工更小直径尺寸的平底孔8，直径减小值为0.2mm，直到该平底孔8的圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔8真实尺寸。
在步骤一中，在同一个圆弧截面3上，在两个相邻的平底孔8之间，等角度间隔再加工1～2个与该位置处圆弧的切线垂直平底孔8，再加工的平底孔8的埋深与之前加工的三个平底孔8埋深中的一个的埋深相等。
在步骤一中，在对比试块7的三个相邻的圆弧截面3两侧之外，再增加2～4个圆弧截面3，各相邻圆弧截面3之间的距离相等，为25mm，增加的每一个圆弧截面3上等角度间隔加工三～七个平底孔8，这些平底孔8的位置包含位于圆弧截面3上圆弧的顶端、中心、底端的位置，增加的平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，增加的圆弧截面3上平底孔8的埋深相等或不相等，为下式数值之一：
T/6、T/4、T/3、2T/3、3T/4、T5/6
式中：T为圆弧截面3厚度。
本发明具有的优点和有益效果是：
1、给出了准确的R角结构中声场分布测量方法，指出由沿对比试块R角延伸方向和沿R角圆弧截面的圆弧方向两个方向分别测量声场；
2、可实现整个R角弧度区域的声场测量；
3、通过声场测量，可以掌握声场沿不同方向的分布规律，为R角结构探头的选择和参数调整提供依据，并对缺陷评判起到重要的指导作用。
附图说明
图1是本发明设计的R角结构对比试块圆弧截面与平板平面位置关系侧视图
图2是本发明中声场测量系统的组成
图3是本发明声场测量系统中对比试块中的平底孔分布
图4是实施例中对比试块7的第一种结构示意图
图5是实施例中对比试块7的第二种结构示意图
图6是实施例中对比试块7的第三种结构示意图
图7是实施例中对比试块7的第四种结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1～3所示，本实施例中所测量的碳纤维复合材料的R角结构的单曲率圆弧面2的圆弧曲率半径为5mm，单曲率圆弧面2的圆弧开口角度为90°，所述单曲率圆弧面2沿圆弧方向的截面称为圆弧截面3，圆弧截面3的厚度与平板平面1的厚度为6mm，该圆弧截面3与上述两个平板平面1垂直，所述超声检测装置包括超声相控阵检测仪器4、曲面线阵探头5、编码器6和声场测量用对比试块7，超声相控阵检测仪器4通过电缆线与编码器6、曲面线阵探头5连接，对比试块7的沿R角延伸方向上的长度大于200mm，该长度方向与圆弧截面3垂直，对比试块7的材料、R角结构和制备工艺与被检测的R角结构相同，超声相控阵检测仪器4为Multi2000超声相控阵检测仪，曲面线阵探头5为5MH、32晶片曲面线阵探头，对比试块7的结构形式分为以下四种：
对比试块7的第一种结构如图4所示，平底孔分布在对比试块7的三个相邻的圆弧截面3上，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工三个平底孔8，孔径为1mm，三个平底孔8的位置分别位于圆弧截面3上圆弧的顶端、中心、底端，三个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，所述三个圆弧截面3上共加工有九个平底孔8，三个位于圆弧截面3上圆弧顶端的平底孔8的埋深分别为：0.5mm、3mm、5.5mm，三个位于圆弧截面3上圆弧中心的平底孔8的埋深分别为：0.5mm、3mm、5.5mm，三个位于圆弧截面3上圆弧底端的平底孔8的埋深分别为：0.5mm、3mm、5.5mm；
对比试块7的第二种结构如图5所示，平底孔分布在对比试块7的三个相邻的圆弧截面3上，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工五个平底孔8，五个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，五个平底孔8的中心线与通过圆弧截面3圆心的水平线的夹角分别为0°、22.5°、45°、67.5°和90°，所述三个圆弧截面3上共加工有十五个平底孔8，第一个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为0.5mm，第二个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为3mm，第三个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为5.5mm；
对比试块7的第三种结构如图6所示，平底孔分布在对比试块7的五个相邻的圆弧截面3上，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工3个平底孔8，三个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，三个平底孔8的位置分别位于圆弧截面3上圆弧的顶端、中心、底端，所述五个圆弧截面3上共加工有十五个平底孔8，第一个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为0.5mm，第二个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为1.5mm，第三个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为3.0mm，第四个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为4.5mm，第五个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为5.5mm；
对比试块7的第四种结构如图7所示，平底孔分布在对比试块7的五个相邻的圆弧截面3上，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工五个平底孔8，五个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，五个平底孔中心线与通过圆弧截面3圆心的水平线的夹角分别为0°、22.5°、45°、67.5°和90°，所述五个圆弧截面3上共加工有二十五个平底孔8，第一个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为0.5mm，第二个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为1.5mm，第三个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为3.0mm，第四个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为4.5mm，第五个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为5.5mm。
然后沿对比试块7R角的延伸方向分别对对比试块7中的各个平底孔8进行相控阵C扫描成像和B扫描成像，在相控阵C扫描成像中，以6dB法测量各个平底孔8在对比试块7R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在对比试块7R角结构的圆弧截面3上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸，在相控阵B扫描成像中，测量各个平底孔8的埋深；
将上述每一个对比试块7放置在水槽中，曲面线阵探头5通过水耦合在对比试块7上，设置曲面线阵探头5一次激发的阵元数为7，阵元激发次序为间隔一个晶片依次激发，声束工作方式为在R角表面2mm以下聚焦。扫查间距为0.5mm，采样信号门的水平位置设置在平底孔8反射回波上，调节超声相控阵检测仪器4的增益，分别使各平底孔8的反射信号幅度达到超声相控阵检测仪器4的显示屏满刻度的80％，并记录各平底孔8的增益值，然后沿对比试块7R角的延伸方向分别对对比试块7中的各个平底孔8进行相控阵C扫描成像和B扫描成像，在相控阵C扫描成像中，以6dB法测量各个平底孔8在对比试块7R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在对比试块7R角结构的圆弧截面3上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸，在相控阵B扫描成像中，测量各个平底孔8的埋深；将各平底孔8的表征圆弧成像尺寸按以下公式进行修正，得到各个平底孔8沿对比试块7R角结构的圆弧截面3上圆弧的圆弧成像尺寸，修正公式如下：
式中：x为圆弧成像尺寸，r为对比试块7R角结构的单曲率圆弧面2的曲率半径，h为平底孔8埋深，R为曲面线阵探头5晶片分布曲率半径，l为表征圆弧成像尺寸；
如果圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔8真实尺寸，则圆弧成像尺寸X为曲面线阵探头5在对比试块7中相应平底孔8位置处在圆弧截面3上沿圆弧的的声束宽度，延伸成像尺寸为曲面线阵探头5在对比试块7中相应平底孔8位置处沿R角的延伸方向的声束宽度；
如果圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸中有一个小于或等于相应的平底孔8真实尺寸，则重新加工对比试块7和重复上述测试过程，其中不同之处是在该平底孔8的位置上，加工更小直径尺寸的平底孔8，直径减小值为0.2mm，直到该平底孔8的圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔8真实尺寸。
Claims (3)
1.一种R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法，所述R角结构为连接两个平板平面(1)的单曲率圆弧面(2)，单曲率圆弧面(2)的圆弧曲率半径大于3mm，小于25mm，单曲率圆弧面(2)的圆弧开口角度大于30°，小于180°，所述单曲率圆弧面(2)沿圆弧方向的截面称为圆弧截面(3)，圆弧截面(3)的厚度与平板平面(1)的厚度相同，该圆弧截面(3)与上述两个平板平面(1)垂直，超声检测装置包括超声相控阵检测仪器(4)、曲面线阵探头(5)、编码器(6)和声场测量用对比试块(7)，超声相控阵检测仪器(4)通过电缆线与编码器(6)、曲面线阵探头(5)连接，对比试块(7)的沿R角延伸方向上的长度大于200mm，该长度方向与圆弧截面(3)垂直，对比试块(7)的材料、R角结构和制备工艺与被检测的R角结构相同，其特征在于：该测量方法的步骤如下：
步骤一、在对比试块(7)的三个相邻的圆弧截面(3)上、由对比试块(7)的外表面向内加工直径为1mm的平底孔(8)，相邻的圆弧截面(3)之间的距离为25mm，每一个圆弧截面(3)上加工三个平底孔(8)，三个平底孔(8)的位置分别位于圆弧截面(3)上圆弧的顶端、中心、底端，三个平底孔(8)的中心线(9)均与该位置处圆弧的切线垂直，所述三个圆弧截面(3)上共加工有九个平底孔(8)，其中：
三个位于圆弧截面(3)上圆弧顶端的平底孔(8)的埋深分别为：
a、0.5mm或圆弧截面(3)厚度的1/3，取两者中数值小的；
b、圆弧截面(3)厚度的1/2；
c、圆弧截面(3)厚度的2/3或圆弧截面(3)厚度减0.5mm，取两者中数值大的；
三个位于圆弧截面(3)上圆弧中心的平底孔(8)的埋深分别为：
a、0.5mm或圆弧截面(3)厚度的1/3，取两者中数值小的；
b、圆弧截面(3)厚度的1/2；
c、圆弧截面(3)厚度的2/3或圆弧截面(3)厚度减0.5mm，取两者中数值大的；
三个位于圆弧截面(3)上圆弧底端的平底孔(8)的埋深分别为：
a、0.5mm或圆弧截面(3)厚度的1/3，取两者中数值小的；
b、圆弧截面(3)厚度的1/2；
c、圆弧截面(3)厚度的2/3或圆弧截面(3)厚度减0.5mm，取两者中数值大的；
步骤二、将对比试块(7)放置在水槽中，曲面线阵探头(5)通过水耦合在对比试块(7)上，设置曲面线阵探头(5)的工作方式，扫查间距为0.5mm，采样信号门的水平位置设置在平底孔(8)反射回波上，调节超声相控阵检测仪器(4)的增益，分别使各平底孔(8)的反射信号幅度达到超声相控阵检测仪器(4)的显示屏满刻度的80％，并记录各平底孔(8)的增益值，然后沿对比试块(7)R角的延伸方向分别对对比试块(7)中的各个平底孔(8)进行相控阵C扫描成像和B扫描成像，在相控阵C扫描成像中，以6dB法测量各个平底孔(8)在对比试块(7)R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在对比试块(7)R角结构的圆弧截面(3)上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸，在相控阵B扫描成像中，测量各个平底孔(8)的埋深；
步骤三、将各平底孔(8)的表征圆弧成像尺寸按以下公式进行修正，得到各个平底孔(8)沿对比试块(7)R角结构的圆弧截面(3)上圆弧的圆弧成像尺寸，修正公式如下：
式中：x为圆弧成像尺寸，r为对比试块(7)R角结构的单曲率圆弧面(2)的曲率半径，h为平底孔(8)埋深，R为曲面线阵探头(5)晶片分布曲率半径，l为表征圆弧成像尺寸；
步骤四、如果圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔(8)真实尺寸，则圆弧成像尺寸X为曲面线阵探头(5)在对比试块(7)中相应平底孔(8)位置处在圆弧截面(3)上沿圆弧的的声束宽度，延伸成像尺寸为曲面线阵探头(5)在对比试块(7)中相应平底孔(8)位置处沿R角的延伸方向的声束宽度；
如果圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸中有一个小于或等于相应的平底孔(8)真实尺寸，则重复上述步骤一至三，其中不同之处是在该平底孔(8)的位置上，加工更小直径尺寸的平底孔(8)，直径减小值为0.2mm，直到该平底孔(8)的圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔(8)真实尺寸。
2.根据权利要求1所述的R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法，其特征在于：在步骤一中，在同一个圆弧截面(3)上，在两个相邻的平底孔(8)之间，等角度间隔再加工1～2个与该位置处圆弧的切线垂直平底孔(8)，再加工的平底孔(8)的埋深与之前加工的三个平底孔(8)中的一个的埋深相等。
3.根据权利要求1所述的R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法，其特征在于：在步骤一中，在对比试块(7)的三个相邻的圆弧截面(3)两侧之外，再增加2～4个圆弧截面(3)，各相邻圆弧截面(3)之间的距离相等，为25mm，增加的每一个圆弧截面(3)上等角度间隔加工三～七个平底孔(8)，这些平底孔(8)的位置包含位于圆弧截面(3)上圆弧的顶端、中心、底端的位置，增加的平底孔(8)的中心线(9)均与该位置处圆弧的切线垂直，增加的圆弧截面(3)上平底孔(8)的埋深相等或不相等，为下式数值之一：
T/6、T/4、T/3、2T/3、3T/4、T5/6
式中：T为圆弧截面(3)厚度。
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