作者：郑康
引  言
随着科技的快速发展，单一材料已不能完全满足综合性要求，复合材料由于其强度高、质量轻、隔热性能好、设计性强等优点，正在实际工程中逐渐取代单质材料，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、医疗 器械等领域。但是复合材料在实际生产和使用过程中难免会产生损伤或缺陷，继而产生安全隐患，因此需要一种有效的损伤监测手段，保证复合材料结构的安全性和可靠性。声学技术为评估复合材料结构的内部完整性提供了无损检测手段，可以在不损伤、不破坏被检对象的情况下，实现对目标内部或表面所发生损伤的检测，并对损伤的一些特性做出评估。目前用于损伤检测的两种主要声学方法是超声波检测（Ultrasonic Testing，UT）技术和声发射（Acoustic Emission，AE）检测技术。
超声波检测技术简介
超声波检测法是利用超声波技术对材料进行检测的常规无损检测方法，利用复合材料内部损伤对超声波的反射、折射和散射的差异，对其内部情况进行检测。通过分析接收到输出信号和原输入信号在时域和频域上的特征差异，来实现材料内部损伤和缺陷的评估检测。超声检测经过多年的发展，已经与其他各个领域的技术相互融合，发展出多种性能更为优异新型超声无损检测技术。
(1) 激光超声检测技术
该方法是一种利用激光脉冲在被检测工件中激发超声波，并用激光束探测超声波的传播，从而获取工件缺陷信息的技术，是一种非接触、高精度、无损伤的新型超声检测技术。该技术不仅具有超声检测的高精度特点，还具有光学检测非接触的优点，具有高检测灵敏度和高检测带宽，具备突出的快速检测和在线／现场检测能力，并且可实现大型复杂构件的快速自动化检测。
图1 非接触激光超声检测技术原理
(2) 空气耦合超声检测技术
该方法是在声阻抗匹配层材料研制的基础上，采用超高功率发射接收器和前置放大器，使高功率超声波发射到空气中，穿过待检测的复合材料工件，再对接收信号进行成像处理而形成的一种新型超声无损检测技术。该技术在检测过程中不使用耦合剂，为不宜使用声耦合剂的特殊材料和结构的无损检测提供了有效方法。
图2 空气耦合超声波检测系统示意图
(3) 超声相控阵检测技术
该方法是以图像的形式，将缺陷的位置、大小和数量进行明确显示，可实现复合材料缺陷的定位、定量、定性和定级，在具有复杂型面的复合材料构件和某些特殊部位的高精度检测中具有巨大的优势，应用前景广阔。
(4) 超声导波检测技术
超声导波（即制导波）是由超声在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的。超声导波检测技术是一种利用低频扭曲波或纵波进行检测的技术，可实现管路或管道的长距离检测以及地下埋管在不开挖状态下的长距离检测。相对于传统超声检测，超声导波检测技术可实现大尺寸复合材料结构的快速、全面检测，以确保复合材料构件的安全服役。
声发射检测技术
材料在发生损伤时会释放能量并产生应力波，该过程被称为声发射现象。通过采集材料损伤时释放的声发射信号实现材料状态的无损检测即为声发射检测技术，该方法具有动态实时检测、信号敏感等特点，无需外外部激励，能够实时的将材料中的不同损伤信号反映出来。
图3 声发射检测基本原理
目前，声发射检测技术根据对声发射信号的处理方法分为以下四类：
(1)参数分析法
该方法主要是根据采集到的声发射信号的特征进行分析，也就是从AE信号方面获取指标参数进而明确损坏的种类与表现。声发射信号的参数有AE撞击数、振铃计数、幅度、能量计数、持续时间和上升时间等，这种分析方式具备简单高效、实时性突出等优势。但是参数分析法对参数数值的评判大多通过对比和主观判断，并且参数只能对信号的某个特征进行描述，不能包含信号的多个方面的特征。
(2) 频谱分析法
该方法是指将声发射信号通过傅里叶变换的方法将时域信号转变为频域信号，并对其频域特征进行提取和分析的方法，这是实际使用中被广泛运用的一种研究方式。
(3) 小波分析法
该方法是利用伸缩和平移运算对原始信号高频和低频分量进行细化，其特点是可以根据原始信号的特点选择基波对信号进行变换，可以保留更多信号的特征，同时小波分析可以调整其变换的窗口，能够更好的观察信号的局部特征，具有较好的时频窗口特性。
(4) 模式识别分析法
伴随人工智能领域的突破以及不断发展，相关损伤信号的识别方法越来越多地被用于区分复合材料的损伤源，具体将这种区分方式划分成监督识别以及非监督识别。在后续的发展方向中，不用提前掌握信号特点的无监督方式将会得到人们的充分关注。在无监督模式识别方法中，聚类分析属于最广泛运用的一种。K-means聚类算法是复合材料损伤识别声发射检测中大量运用的一种识别算法。但是由于复合材料的损伤原理较为复杂，所以在采到的信号中将会存在不同种类的损伤数据。多种声发射信号保持叠加，造成后续参数重叠，对模式识别算法的应用带来一定的困难。
小结与展望
由于在各个领域大量使用复合材料，实现保证材料完整性的条件下进行损伤检测具有重要的意义。声学技术在复合材料损伤检测中的应用展现了强大的发展能力，虽然不同的方法各具优缺点，但是随着技术的发展，相信会有更多新的技术与之融合，弥补其原有的不足，使得声学方法有望对复合材料的内部健康状况有更深入的了解。
参考文献：
[1]原志翔,刘礼平.复合材料损伤检测技术的应用现状[J].机械管理开发,2020,35(09):284-285+293.
[2]张学辉,乔英杰,徐宏涛等.海洋工程用复合材料常见缺陷及其超声无损检测[J].中国海洋平台,2019,34(01):9-15.
[3]Arias I,Achenbach D J. A model for the ultrasonic detection of surface-breaking cracks by the scanning laser-source technique[P]. SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health Monitoring,2004.
[4]胡婷萍,高丽敏,杨海楠.激光超声技术在航空复合材料无损检测中的应用[J].航空制造技术,2018,61(19):50-57.
[5]董方旭,凡丽梅,赵付宝等.空气耦合超声检测技术在复合材料检测中的应用[J].无损探伤,2022,46(01):10-13.
[6]陈波.声发射检测技术在结构工程中的应用[J].住宅与房地产,2020(21):241-242.
[7]Gorman, Michael R .Plate wave acoustic emission[J].Journal of the Acoustical Society of America, 1991, 90(1):358-364.
  关于我们  
21dB声学人是中国科学院声学研究所苏州电声产业化基地旗下科技媒体，专注于声学新技术、音频测试与分析、声学市场调研、声学学习社群建设等。
  合作推广  
稿件投稿  ｜  项目推广  ｜  创业支持
请发送需求至以下邮箱，我们将派专人与您联系
[email protected]
  版权声明  
文中所有图片和文字版权归21dB声学人所有
如需转载或媒体合作，请与我们联系
继续阅读
阅读原文