在役飛機(jī)機(jī)翼超聲波檢測(cè)的換能器設(shè)計(jì)

徐進(jìn)軍　江茫

摘 要：為保障飛行安全，必須對(duì)在役飛機(jī)機(jī)翼進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)。在使用超聲波檢測(cè)方法時(shí)，換能器的設(shè)計(jì)能夠直接影響到儀器的探測(cè)靈敏度以及探測(cè)范圍。所以，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)換能器顯得尤為重要。本文根據(jù)某型飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)所使用的超聲波水浸聚焦換能器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)機(jī)翼；超聲波檢測(cè)；水浸聚焦；換能器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.203

飛機(jī)機(jī)翼在服役過(guò)程中，損傷模式主要包括蒙皮基體損傷、蒙皮纖維斷裂、分層損傷和蜂窩芯層脫粘等損傷[1.2]。而超聲波檢測(cè)能很準(zhǔn)確的檢測(cè)出復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體的分層破壞、宏觀裂紋、樹脂固化不完全、氣孔、膠接的脫膠、蜂窩夾層的脫膠等復(fù)合材料缺陷，因此成為復(fù)合材料構(gòu)件無(wú)損探傷的重要方法[5]。

根據(jù)飛機(jī)機(jī)翼蒙皮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及探傷要求，我們選用超聲波手動(dòng)掃查檢測(cè)方法對(duì)飛機(jī)機(jī)翼進(jìn)行探傷，操作人員根據(jù)儀器顯示的超聲信號(hào)進(jìn)行缺陷類型判別和定位及區(qū)域標(biāo)記。超聲波換能器作為超聲波探傷機(jī)中的重要組成部分，它的設(shè)計(jì)直接影響著儀器的探傷靈敏度以及探測(cè)范圍等。因此，針對(duì)飛機(jī)機(jī)翼的材料組成以及形狀，設(shè)計(jì)相應(yīng)的水浸聚焦換能器顯得尤為重要。

1 水浸聚焦換能器設(shè)計(jì)

1.1 水浸聚焦換能器

凡能將任何其他形式能量轉(zhuǎn)換成超音頻振動(dòng)形式能量的器件均可用來(lái)發(fā)射超聲波，具有可逆效應(yīng)時(shí)又可以用來(lái)接收超聲波，這類元件稱為超聲換能器，俗稱探頭。隨著中國(guó)航空航天領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)缺陷定量的要求日益提高，而常規(guī)探頭測(cè)定的缺陷面積或指示長(zhǎng)度往往與缺陷實(shí)際尺寸相差較大。飛機(jī)機(jī)翼在服役過(guò)程中，非常容易產(chǎn)生分層、蜂窩芯層脫粘等平面面積型損傷。為滿足探傷要求以及節(jié)約探傷成本，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款專用的是縱波水浸聚焦直探頭。水浸聚焦直探頭能夠根據(jù)檢測(cè)對(duì)象參數(shù)進(jìn)行超聲波聚焦設(shè)置提高檢測(cè)靈敏度，通過(guò)調(diào)節(jié)水層厚度來(lái)減小甚至去除超聲波近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的影響。實(shí)驗(yàn)證明，使用聚焦探頭所測(cè)定的缺陷面積或指示長(zhǎng)度結(jié)果要比常規(guī)探頭更加精確。

1.2 探頭參數(shù)設(shè)計(jì)與制造

當(dāng)平面波入射到曲界面上時(shí)，其折射波將發(fā)生聚焦或者發(fā)散。此時(shí)折射波的聚焦或者發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)中的波速有關(guān)。對(duì)于凸透鏡，當(dāng)с1>с2時(shí)聚焦。為了節(jié)約探傷成本和方便手工掃查，我們?cè)谄胀ㄖ碧筋^（2.5PΦ14Z）的壓電晶片前面加個(gè)聲透鏡來(lái)制作聚焦探頭。聲透鏡靠晶片一面是平面，另一面是曲面。探頭制作過(guò)程中，首先粘接阻尼塊與晶片。粘接時(shí)，使用由環(huán)氧樹脂與二乙烯三胺制成的粘接劑固定在探頭殼中。聲透鏡的制作是采用澆注的方法，把環(huán)氧樹脂與細(xì)鎢粉按一定比例為1：0.5混合均勻，然后利用固化劑壓混合物澆注在晶片表面上，再用球面壓塊壓上。當(dāng)鎢粉、環(huán)氧樹脂和固化劑壓混合物固化成型后，去掉壓塊便可制得聲透鏡。

1.3 探頭焦距與水層厚度的計(jì)算

在超聲波檢測(cè)中，水浸聚焦檢測(cè)是將工件置于水中，以水中耦合介質(zhì)，用聚焦探頭進(jìn)行探頭與工件的非接觸法探測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在水浸檢測(cè)中，超聲波是先進(jìn)入水，再進(jìn)入檢測(cè)工件中的。當(dāng)水層厚度較小時(shí)，近場(chǎng)區(qū)有可能會(huì)分布在水，工件這兩種介質(zhì)中。由于飛機(jī)機(jī)翼蒙皮的厚度較?。s為8mm），為了避免這種情況的發(fā)生，在設(shè)計(jì)水層厚度時(shí)，我們可以在超聲波信號(hào)進(jìn)入工件之前完成聚焦，從而減小檢測(cè)盲區(qū)。

對(duì)于水浸聚焦直探頭來(lái)說(shuō)，其焦距是一個(gè)十分重要的參數(shù)。焦距F與聲透鏡的曲率半徑γ之間的關(guān)系為：

（1）

式中：c1—聲透鏡聲速（2696m/s）；c2—水中聲速（1480m/s）。

從公式（1）中，可以看出，水浸聚焦直探頭焦距的關(guān)鍵參數(shù)是聲透鏡的曲率半徑和聲透鏡中的聲速。通過(guò)計(jì)算可得：F≈2.2γ。

1.4 探頭曲率半徑設(shè)置

探頭直徑為14mm、頻率為2.5MHz。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得水中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度約為83mm（這是在理想聲場(chǎng)下計(jì)算得出的水中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度）。但是在實(shí)際檢測(cè)環(huán)境中，實(shí)際聲場(chǎng)是非均勻激發(fā)的脈沖波，持續(xù)時(shí)間很短，波源各點(diǎn)輻射的聲波在聲場(chǎng)中某點(diǎn)產(chǎn)生不完全干涉或不干涉。從而使實(shí)際聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)軸線上極值點(diǎn)減少，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度變短。根據(jù)聚焦聲場(chǎng)的特性我們可知，焦距應(yīng)該小于近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。結(jié)合上述理論與實(shí)際分析，我們把水層厚度設(shè)計(jì)為66mm、聲透鏡的曲率半徑為30mm。

1.5 保護(hù)膜的厚度設(shè)置

鑒于所檢測(cè)的工件表面粗超度的影響，我們選擇由有機(jī)玻璃制成的硬保護(hù)膜。超聲檢測(cè)時(shí)，超聲波通過(guò)一定厚度的異質(zhì)薄層時(shí)，反射和透射情況與單一平界面有所不同。實(shí)驗(yàn)中所用探頭，超聲波信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一定厚度的水層，再到達(dá)探頭保護(hù)膜，最后經(jīng)過(guò)耦合劑（水）進(jìn)入工件。在均勻介質(zhì)中（Z1=Z3≠Z2）保護(hù)膜的厚度，對(duì)超聲波的聲壓反射率和透射率會(huì)產(chǎn)生影響。

當(dāng)保護(hù)膜厚度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，其聲波發(fā)生率達(dá)到最大。即當(dāng)保護(hù)膜兩側(cè)聲阻抗相等，保護(hù)膜厚度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，超聲波幾乎全透射，保護(hù)膜好像不存在一樣。經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們所采用的保護(hù)膜厚度選擇為2.36mm。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述分析，選用2.5PΦ14Z探頭，其他參數(shù)設(shè)置分別為：水層厚度（焦距）66mm、聲透鏡的曲率半徑30mm、保護(hù)膜的厚度2.36mm。我們使用該型參數(shù)設(shè)置探頭與北京某研究所研制的復(fù)合材料超聲檢測(cè)儀配套使用，對(duì)多架飛機(jī)機(jī)翼進(jìn)行了探傷并通過(guò)多種途徑驗(yàn)證了探傷結(jié)果的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚武文.新機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件損傷修理技術(shù)研究，第四界中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[2]侯勝利，姚武文，董俊.飛機(jī)復(fù)合材料損傷無(wú)損檢測(cè)方法及其選擇[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013.

[3]石英.超聲波換能器性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介：徐進(jìn)軍（1986-），男，江西撫州人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與檢測(cè)方面研究。