干耦合超聲波激勵(lì)信號(hào)研究

艾春安，蔡笑風(fēng)，李 劍，劉凱旋

（火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025）

干耦合超聲波激勵(lì)信號(hào)研究

艾春安，蔡笑風(fēng)，李 劍，劉凱旋

（火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025）

為保證干耦合超聲波探頭的正常工作，采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行選擇。干耦合超聲波探頭與試件直接接觸，入射能量低，不同粘接狀況下接收信號(hào)能量（E）差異較大，品質(zhì)因數(shù)（Q）能夠表征接收信號(hào)的帶寬及強(qiáng)度分布，兩者可作為激勵(lì)信號(hào)的選擇依據(jù)。根據(jù)各信號(hào)表達(dá)式分別采用方波、鋸齒波及高斯窗、海明窗和漢寧窗調(diào)制的正弦脈沖信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在重復(fù)頻率和電壓幅值不變的條件下，對(duì)于玻璃纖維/丁腈橡膠復(fù)合材料粘接板，最優(yōu)激勵(lì)波形為5周期漢寧窗調(diào)制正弦波脈沖信號(hào)，激勵(lì)頻率約為100kHz，為干耦合超聲波探頭的檢測(cè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

干耦合；超聲波激勵(lì)；窗函數(shù)；品質(zhì)因數(shù)

0 引 言

在常規(guī)超聲波檢測(cè)過程中，為了實(shí)現(xiàn)聲能從探頭向試件的有效傳遞，通常用到水、甘油或機(jī)油等耦合劑。雖然它們無明顯腐蝕作用，但是對(duì)于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)機(jī)翼等一些對(duì)結(jié)構(gòu)完整性要求較高且需要長(zhǎng)期使用或貯存的部件，使用耦合劑仍會(huì)造成一定的沾染，影響材料的物理和化學(xué)性能，破壞結(jié)構(gòu)的完整性，因此需要尋求一種無需耦合劑（干耦合）的檢測(cè)方法對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于干耦合超聲檢測(cè)的研究報(bào)道較少，鄭海平等[1]對(duì)非金屬復(fù)合材料干耦合超聲自動(dòng)探傷方法進(jìn)行研究，分析了耦合壓力、步距、轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；穆洪彬等[2]將干耦合超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于某火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的在役檢測(cè)中，對(duì)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行了論述，得出能夠檢測(cè)10mm以上脫粘、分層、弱粘接缺陷的結(jié)論；周正干等[3-4]利用空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)，對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，取得良好應(yīng)用效果。美國(guó)西北大學(xué)Komsky[5-6]為了克服傳統(tǒng)超聲檢測(cè)需要使用液體或膠狀耦合劑的缺點(diǎn)，研制出一種應(yīng)用于航空器結(jié)構(gòu)檢測(cè)的超聲干耦合探頭，該探頭前端使用了聚合物薄層，與試件干耦合接觸，在低壓力情況下可適應(yīng)各種不規(guī)則檢測(cè)表面，可發(fā)射和接收MHz頻帶范圍內(nèi)的縱波和橫波。法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)Jimmy Duwattez等[7]研制出一種10～100MHz的高頻干耦合探頭，用來在微觀尺度下對(duì)材料表面粗糙度和摩擦性能進(jìn)行檢測(cè)，其中延遲塊用來在發(fā)射表面產(chǎn)生均勻的波形，它的長(zhǎng)度必須大于或等于菲涅耳距離。英國(guó)布里斯托大學(xué)A.M. Robinson等[8]研制了一種低頻（<500 kHz）干耦合輪式探頭，并用于三層粘接結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。英國(guó)華威大學(xué)C.E.Dixon等[9]在探頭的前端設(shè)計(jì)了一定厚度的干耦合劑層，并用來與金屬試件直接接觸，并通過實(shí)驗(yàn)分析了不同厚度干耦合劑層對(duì)檢測(cè)效果的影響。德國(guó)斯圖加特大學(xué)Igor Solodov等[10]針對(duì)傳統(tǒng)空氣耦合超聲檢測(cè)空氣-固體界面易出現(xiàn)阻抗不匹配的問題，提出了空氣耦合Lamb波檢測(cè)方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法不僅能精確測(cè)量出復(fù)合材料內(nèi)部纖維方向，還能對(duì)各向異性復(fù)合材料板中的裂紋和分層缺陷進(jìn)行量化檢測(cè)。日本川嶋紘一郎等[11-12]利用一種內(nèi)置增幅80dB的高功率超聲波發(fā)射接收器JPR-600，對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行損傷成像檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，各干耦合探頭在與試件接觸端采用了聚合物薄層、延遲塊或干耦合劑層等特殊處理，設(shè)計(jì)制作難度較大；而空氣耦合超聲雖然同樣不需要耦合介質(zhì)，但是由于進(jìn)入被檢測(cè)材料內(nèi)的超聲波能量低、振幅小、衰減大，要求空氣耦合探頭具有低頻、高靈敏度等特點(diǎn)，還需選擇合適的帶通濾波前置放大器，將接收信號(hào)增幅。目前國(guó)內(nèi)沒有自主生產(chǎn)的無需耦合介質(zhì)的超聲波檢測(cè)設(shè)備，本文設(shè)計(jì)了一種傳聲桿形式的干耦合探頭，并對(duì)其激勵(lì)信號(hào)展開研究。

1 干耦合超聲波檢測(cè)

干耦合超聲波檢測(cè)由于耦合方式不同，所使用的探頭與常規(guī)超聲探頭不同，其結(jié)構(gòu)主要包括壓電陶瓷振子、變幅桿、匹配電路和外部工裝。探頭的核心部件是三疊片壓電陶瓷振子，該振子中間為金屬圓盤，兩邊為壓電陶瓷片，這種結(jié)構(gòu)可明顯改善探頭的機(jī)械和機(jī)電耦合性能。外加電場(chǎng)方向與一個(gè)壓電陶瓷圓片極化方向相同，而與另一個(gè)圓片的極化方向相反，當(dāng)振子受外場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，一個(gè)圓片產(chǎn)生伸張效應(yīng)，另一個(gè)產(chǎn)生收縮應(yīng)變，結(jié)果就使整個(gè)雙層圓片發(fā)生彎曲應(yīng)變[13]。構(gòu)建的干耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要有：泰克AFG3052C型任意信號(hào)發(fā)生器、NF公司HSA4051型雙極性功率放大器（最大輸出電壓為300Vp-p）及RIGOL公司MSO1104型四通道示波器。

檢測(cè)時(shí)，兩探頭置于試件缺陷區(qū)域的兩側(cè)，并通過相同質(zhì)量塊進(jìn)行加壓固定，使探頭中壓電陶瓷片、前端變幅桿及被檢測(cè)試件之間接觸良好。該方法采用雙探頭一發(fā)一收檢測(cè)方式，發(fā)射探頭產(chǎn)生的超聲波經(jīng)被檢測(cè)材料被接收探頭接收，并在示波器上顯示，根據(jù)接收信號(hào)幅值、能量及頻譜等參數(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行定征。

干耦合探頭前端使用了細(xì)長(zhǎng)的變幅桿，和結(jié)構(gòu)近似于點(diǎn)接觸，這種接觸方式勢(shì)將會(huì)使超聲波的入射效率大為降低，而且造成嚴(yán)重的能量損失，主要包括能量的衰減和能量的泄露兩種。

單層薄板結(jié)構(gòu)中Lamb波主要在上下表面之間傳播，假設(shè)板的厚度保持不變，超聲波能量的衰減由傳播距離L決定[14]，其表達(dá)式為

式中：QL——超聲波傳播距離L后聲強(qiáng)；

Q0——超聲波初始聲強(qiáng)；

α——超聲波衰減系數(shù)。

在多層結(jié)構(gòu)的粘接界面處會(huì)發(fā)生能量泄露，即部分超聲波會(huì)經(jīng)粘接界面由一種材料進(jìn)入到另一種材料，能量泄露的多少與粘接界面面積相關(guān)，粘接界面面積越大，能量泄露越多，其示意圖如圖1所示。超聲波經(jīng)過長(zhǎng)度為x、寬度為1的粘接界面，泄露后能量為

式中：Qx——能量泄露后超聲波聲強(qiáng)；

β——超聲波泄露系數(shù)。

超聲波經(jīng)由發(fā)射點(diǎn)T傳播至接收點(diǎn)R，若粘接界面無缺陷，其能量關(guān)系式為

若粘接界面上存在脫粘缺陷，假設(shè)脫粘長(zhǎng)度為b，則關(guān)系式為

圖1 能量泄露示意圖

當(dāng)脫粘長(zhǎng)度b大于換能器之間距離L時(shí)，取b=L。

假設(shè)完全脫粘、部分脫粘及粘接完好3種情況下接收點(diǎn)R處的能量分別為E1、E2及E3，由式（4）可知，接收點(diǎn)R處能量泄露隨脫粘長(zhǎng)度減小而降低，可得：E1＞E2＞E3。因此通過接收點(diǎn)R處能量的大小就可對(duì)粘接結(jié)構(gòu)中是否存在缺陷進(jìn)行判斷。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

激勵(lì)波形不同，檢測(cè)過程中激發(fā)的超聲Lamb波頻帶帶寬和周期數(shù)不同，而這些都是影響損傷檢測(cè)的重要因素。

檢測(cè)試件為復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)，上層為S-2玻璃纖維板，下層為丁腈橡膠配方，在纖維板和橡膠的粘接界面上預(yù)置了一個(gè)聚四氟乙烯薄膜模擬空氣夾層脫粘缺陷，試件大小為250mm×250mm，玻璃纖維板厚5mm，橡膠厚2mm，圓形區(qū)域?yàn)檎辰咏缑嫔系拿撜橙毕?，其大小?0 mm×50 mm，兩探頭相距約70mm。

2.1 不同激勵(lì)波形的試驗(yàn)

方波是利用上升沿和下降沿來激勵(lì)的，相當(dāng)于探頭受到兩次激勵(lì)，產(chǎn)生兩個(gè)超聲波，調(diào)節(jié)方波的寬度可以使兩次激勵(lì)的波形相疊加或相減，從而得到探頭的最佳靈敏度或最佳分辨率。通常通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來得到最佳的靈敏度，當(dāng)脈沖寬度接近探頭中心頻率的1/2周期時(shí)，經(jīng)常能夠得到換能器的最佳靈敏度也就是信號(hào)的峰值。

外加激勵(lì)的鋸齒波可表示為

式中：an=（-1）n+1/（nπ）；

ωc——信號(hào)基頻；

P——信號(hào)幅度；

N——諧波數(shù)目，由于換能器的帶寬限制，取N=2。

當(dāng)復(fù)合材料粘接板中Lamb波傳播一段距離后，由于它的頻散及多模式特性，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)的成分比較復(fù)雜，給分析帶來一定難度。而將激勵(lì)信號(hào)的頻率限制在一定的窄頻段范圍內(nèi)能有效抑制頻散。通常所用的激勵(lì)波形多為用窗函數(shù)對(duì)正弦信號(hào)調(diào)制后得到的信號(hào)[15]，可表示為

式中：ω（t）——調(diào)制用的窗函數(shù)；

f——激勵(lì)信號(hào)的頻率。

常用的窗函數(shù)有高斯窗、海明窗和漢寧窗等，其表達(dá)式分別為

其中0≤t≤τ，τ=n/f，n為波數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)，首先在PC機(jī)上根據(jù)以上表達(dá)式調(diào)制出各激勵(lì)信號(hào)，發(fā)送至信號(hào)發(fā)生器，將輸出阻抗設(shè)為高阻600Ω，重復(fù)頻率為1kHz，幅值為2Vp-p，并通過功率放大器（放大倍數(shù)為20）將信號(hào)輸出在發(fā)射探頭上。激勵(lì)波形為方波、鋸齒波及高斯窗、海明窗和漢寧窗調(diào)制正弦波時(shí)的檢測(cè)結(jié)果分別如圖2～圖6所示。

圖2 方波檢測(cè)結(jié)果

圖3 鋸齒波檢測(cè)結(jié)果

圖4 高斯窗調(diào)制正弦波檢測(cè)結(jié)果

圖5 海明窗調(diào)制正弦波檢測(cè)結(jié)果

圖6 漢寧窗調(diào)制正弦波檢測(cè)結(jié)果

2.2 不同激勵(lì)頻率的試驗(yàn)

由于壓電陶瓷片是一個(gè)彈性體，因此存在諧振頻率。當(dāng)外界作用的頻率等于諧振頻率時(shí)，壓電陶瓷片就產(chǎn)生機(jī)械諧振，諧振時(shí)振子的振幅最大，彈性能量也最大。經(jīng)測(cè)定，本文探頭中單個(gè)壓電陶瓷片的諧振頻率約為70 kHz，但由于壓電振子采用了三疊片結(jié)構(gòu)，而且探頭結(jié)構(gòu)中加入了彈簧、緊固件等工裝，實(shí)際的諧振頻率需通過試驗(yàn)進(jìn)行確定，選擇激勵(lì)頻率分別為50，70，100，130kHz的漢寧窗調(diào)制正弦波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果分別如圖7、圖8、圖6和圖9所示。

圖7 激勵(lì)頻率為50kHz時(shí)檢測(cè)結(jié)果

2.3 不同波數(shù)的試驗(yàn)

不同波數(shù)的選取對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響很大，對(duì)于低于200kHz的Lamb波，每個(gè)周期模態(tài)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因而不易選取周期數(shù)較多的信號(hào)，否則較容易與回波信號(hào)疊加在一起不利于分析。針對(duì)激勵(lì)頻率100kHz的漢寧窗調(diào)制正弦信號(hào)，在波數(shù)分別為3，5，7條件下進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖10、圖6和圖11所示。

3 結(jié)果分析

具體在選擇波形時(shí)一方面要遵循在中心頻率處能量越集中以及頻帶越窄越好的原則，另一方面由于超聲波干耦合檢測(cè)沒有耦合介質(zhì)，要求接收的信號(hào)具有高能量E。對(duì)于信號(hào)質(zhì)量可引入品質(zhì)因數(shù)Q作為衡量參數(shù)，其定義為

圖8 激勵(lì)頻率為70kHz時(shí)檢測(cè)結(jié)果

圖9 激勵(lì)頻率為130kHz時(shí)檢測(cè)結(jié)果

圖10 激勵(lì)波形波數(shù)為3時(shí)檢測(cè)結(jié)果

圖11 激勵(lì)波形波數(shù)為7時(shí)檢測(cè)結(jié)果

式中：f0——中心頻率；

df——頻率帶寬。

一方面，Q值越大，表明信號(hào)質(zhì)量越好，能量越集中，帶寬越小；反之，信號(hào)能量越分散，帶寬越大，信號(hào)質(zhì)量越差。

1）在試驗(yàn)的5種波形中，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為鋸齒波時(shí)，探頭可以工作，但無法接收到有用的檢測(cè)信號(hào)，因此鋸齒波不宜作為激勵(lì)波形。根據(jù)另外4種頻域信號(hào)包絡(luò)計(jì)算的Q值及E值如表1所示，柱狀圖如圖12所示。

表1 不同激勵(lì)波形時(shí)的Q值和E值

從圖12中可以看出，4種激勵(lì)波形均能使探頭正常工作，接收探頭均能采集得到含有缺陷信息的檢測(cè)信號(hào)，其中采用方波激勵(lì)時(shí)Q值和E值都較??；高斯窗調(diào)制正弦波激勵(lì)時(shí)E值較大，但Q值較小都不適合作為干耦合探頭的激勵(lì)信號(hào)；海明窗和漢寧窗調(diào)制的正弦信號(hào)Q值和E值都較高，尤其是漢寧窗調(diào)制信號(hào)，更適合作為激勵(lì)信號(hào)。

圖12 不同激勵(lì)波形時(shí)的Q值和E值柱狀圖

2）根據(jù)不同激勵(lì)頻率條件下的檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算出50，70，100，130kHz時(shí)的Q值和E值，如表2所示，其柱狀圖如圖13所示。由圖可知，隨著激勵(lì)頻率的增大，接收信號(hào)的E值逐漸增大，而Q值先增大后減小，當(dāng)頻率為100kHz時(shí)達(dá)到最大，因此綜合Q值和E值，選擇漢寧窗調(diào)制正弦波信號(hào)的激勵(lì)頻率為100kHz。

表2 不同激勵(lì)頻率時(shí)的Q值和E值

表3 不同激勵(lì)波數(shù)時(shí)的Q值和E值

圖13 不同激勵(lì)頻率時(shí)的Q值和E值柱狀圖

3）波數(shù)分別為3，5，7時(shí)，計(jì)算出的Q值及E值如表3所示，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)包絡(luò)繪出的柱狀圖如圖14所示。從圖中可以看出，隨著激勵(lì)波波數(shù)的逐漸增大，Q值基本保持不變，波數(shù)為5時(shí)稍大；而E值逐漸減小，波數(shù)為7時(shí)，降低幅度較大，波數(shù)為3和5時(shí)，E值比較接近，因此選擇激勵(lì)信號(hào)波數(shù)為5。

圖14 不同激勵(lì)波數(shù)時(shí)的Q值和E值柱狀圖

4 結(jié)束語

1）干耦合超聲檢測(cè)過程中，脫粘和未脫粘區(qū)域能量泄露存在區(qū)別，可以根據(jù)接收檢測(cè)信號(hào)的能量來判斷缺陷的存在與否。

2）不同激勵(lì)信號(hào)作用于干耦合超聲波探頭，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)的中心頻率、帶寬、能量集中性等都有所不同，引入的品質(zhì)因數(shù)Q值和能量E值可作為選擇最優(yōu)激勵(lì)信號(hào)的依據(jù)。

3）針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象，選用的激勵(lì)波形、波數(shù)、頻率等參數(shù)都有所不同，對(duì)于玻璃纖維/丁腈橡膠兩層粘接板，宜選用5周期漢寧窗調(diào)制正弦波作為干耦合超聲檢測(cè)的激勵(lì)波形。

4）由于結(jié)構(gòu)中超聲Lamb波傳播過程比較復(fù)雜，影響接收信號(hào)能量、帶寬等特征參數(shù)的因素很多，比如邊界、試件中界面的波形轉(zhuǎn)換等，下一步需對(duì)這些問題進(jìn)行更深入的分析。

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（編輯：李剛）

Research on dry coupled ultrasonic excitation signal

AI Chun’an，CAI Xiaofeng，LI Jian，LIU Kaixuan
（Rocket Force University of Engineering，Xi’an 710025，China）

To ensure the operation of dry coupled ultrasonic probe，theoretical analysis and experiment are jointly applied to select its excitation signal.The projectile energy of the dry coupled ultrasonic probe is low because it has direct contact with the specimen.The energy（E）of the receipt signal differs greatly under different bonding conditions.Quality factor（Q） can represent the bandwidth and intensity distribution of receipt signal and they can be used as the basis for selecting excitation signal.According to the expression formula of each signal，sinusoidal impulse signal modulated by square wave，sawtooth wave，Gauss window，Hamming window and Hanning window were used for test.Test results show that the optimal excitation waveform for the glass fiber/nitrile rubber bonded composite plate is the sine pulse signal with an excitation frequency of about 100 kHz modulated by 5-cycle Hanning window under constant repetition frequency and voltage amplitude.It provides a basis for the detection of dry coupled ultrasonic probe.

dry coupled；ultrasonic wave excitation；window function；quality factor

A

：1674-5124（2016）12-0012-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.003

2016-03-23；

：2016-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275517）

艾春安（1964-），男，湖南邵陽市人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無損檢測(cè)。