碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、良好的抗疲勞性能和抗腐蝕性能等，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域。然而，由于碳纖維復(fù)合材料在制作工藝過(guò)程中的不穩(wěn)定性與服役時(shí)易受載荷和復(fù)雜環(huán)境的影響，不可避免地產(chǎn)生分層、孔隙、纖維斷裂、纖維屈曲等損傷，如圖1所示。這些損傷將嚴(yán)重地影響碳纖維復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能。
圖1 碳纖維復(fù)合材料常見(jiàn)損傷
超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)因其檢測(cè)設(shè)備便攜、無(wú)污染危害以及檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前檢測(cè)復(fù)合材料損傷最為實(shí)用、有效的技術(shù)手段之一。然而，因碳纖維復(fù)合材料的各向異性和層狀結(jié)構(gòu)的影響，增加了超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)復(fù)合材料層狀結(jié)構(gòu)中損傷的難度。如圖2所示，利用超聲檢測(cè)技術(shù)圍繞四個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料中損傷的檢測(cè)與成像：
(1) 建立碳纖維復(fù)合材料的聲場(chǎng)模型，研究損傷處的聲散射機(jī)理、聲傳播特性和聲能量衰減規(guī)律；
(2) 設(shè)計(jì)先進(jìn)換能器的參數(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)方式；
(3) 采用高效率高分辨率的超聲成像算法；
(4) 構(gòu)建碳纖維復(fù)合材料層合板中損傷的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與智能化損傷識(shí)別體系。
圖2 損傷檢測(cè)與成像的主要環(huán)節(jié)
碳纖維復(fù)合材料的聲學(xué)模型
碳纖維復(fù)合材料層合板是由多個(gè)具有不同纖維取向的碳纖維層按照一定順序堆疊固化形成的。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特性，目前的研究工作將超聲在其中的傳播模型分為兩種，分別為基于體波在厚度方向或?qū)Рㄔ诿鎯?nèi)方向檢測(cè)的聲學(xué)模型。
1 基于體波在厚度方向檢測(cè)的聲學(xué)模型
各向同性模型
在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，通常將碳纖維復(fù)合材料在厚度方向上簡(jiǎn)化為各向同性介質(zhì)，如圖3所示的xz平面，采用單探頭以垂直入射的方式測(cè)量的聲速為碳纖維復(fù)合材料的恒定聲速。
圖3 基于體波檢測(cè)的碳纖維復(fù)合材料各向同性聲學(xué)模型
然而，若采用超聲陣列檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于不同鋪層方向堆疊的多向碳纖維復(fù)合材料層合板的檢測(cè)，不可避免地出現(xiàn)斜入射的聲傳播路徑。若基于各向同性聲學(xué)模型進(jìn)行檢測(cè)，易造成損傷的誤檢和漏檢。
均質(zhì)化模型
在常用的超聲波頻率（1——10 MHz）下的波長(zhǎng)（0.3——3 mm）大于碳纖維復(fù)合材料的每層厚度（0.125——0.25 mm）。因此，如圖4(a)所示，可通過(guò)合成射線追蹤模型推導(dǎo)出的等效慢度面來(lái)獲得等效剛度常數(shù)，建立均質(zhì)化聲學(xué)模型。通過(guò)底面反射法和穿透法，可獲取此模型在厚度方向上的速度分布曲線如圖4(b)所示。
圖4 均質(zhì)化聲學(xué)模型示意圖(a)和速度分布曲線(b)
雖然基于射線理論的均質(zhì)化聲學(xué)模型將碳纖維復(fù)合材料多向板所包含的整體均質(zhì)化，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。然而，該模型忽略了聲波在碳纖維復(fù)合材料多層結(jié)構(gòu)中的反射和折射現(xiàn)象，從而降低了識(shí)別和定位損傷的精度。
各向異性非均質(zhì)化模型
在考慮碳纖維復(fù)合材料的各向異性和多層結(jié)構(gòu)的影響下，建立非均質(zhì)化的各向異性聲學(xué)模型。對(duì)于單向鋪層的碳纖維復(fù)合材料，超聲波在其中的傳播符合各向異性彈性波的傳播規(guī)律?？筛鶕?jù)彈性波動(dòng)方程推導(dǎo)出Christoffel方程，用于表征相速度和群速度的分布。該方程表明了聲速空間分布與材料彈性剛度系數(shù)矩陣直接相關(guān)，Christoffel方程如下：
式中：ρ為介質(zhì)密度；c為相速度；δij為Kronecker delta符號(hào)；Γij=Cijlmninj，為Christoffel矩陣；ui為質(zhì)點(diǎn)位移；Cijlm為４階彈性剛度張量（i,j,l,m=1,2,3）；聲傳播單位矢量的分量。
通過(guò)求解Christoffel方程，可以得到關(guān)于相速度的三個(gè)解，分別對(duì)應(yīng)準(zhǔn)縱波（qP波），準(zhǔn)垂直剪切波（qSV波）以及準(zhǔn)水平剪切波（qSH波）三種波型。與各向同性介質(zhì)不同的是，各向異性介質(zhì)中的相速度與群速度在傳播方向和大小均不相同。圖5(a)為碳纖維鋪層角度分別為0°、±45°、90°方向的準(zhǔn)縱波（qP波）群速度空間分布。
圖5 基于體波的碳纖維復(fù)合材料各向異性聲學(xué)模型
圖5(b)為基于各向異性聲學(xué)模型的聲傳播示意圖，可以明顯看出由于準(zhǔn)縱波在不同方向鋪層中傳播時(shí)，垂直傳播的聲速相一致。因此，在垂直傳播的方向沒(méi)有層間反射和折射，反之，在偏離垂直方向的波產(chǎn)生了多次反射和折射的結(jié)構(gòu)噪聲。
2 基于導(dǎo)波在面內(nèi)方向檢測(cè)的聲學(xué)模型
準(zhǔn)各向同性模型
超聲導(dǎo)波是由超聲波在邊界區(qū)域發(fā)生多次反射、折射并相互疊加而形成的。超聲導(dǎo)波不僅與材料參數(shù)相關(guān)，還與邊界條件有關(guān)，這導(dǎo)致超聲導(dǎo)波比傳統(tǒng)超聲體波更加復(fù)雜，具有多模態(tài)和頻散特性，例如板中傳播的Lamb波。Lamb波有對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)。
理論上，因復(fù)合材料層合板的各向異性，Lamb波在復(fù)合材料中的傳播特性與方向有關(guān)。然而，如果選用足夠多的不同碳纖維方向的鋪層獲得的層合板可以被視為準(zhǔn)各向同性模型。
各向異性非均質(zhì)化模型
考慮碳纖維復(fù)合材料的各向異性，波在碳纖維復(fù)合材料層合板中的傳播出現(xiàn)了復(fù)雜的現(xiàn)象，如相速度和群速度方向不一致。在N層復(fù)合材料層合板中，各層內(nèi)的波滿足Navier位移方程：
式中：ρ(n),λ(n),μ(n)為第n層的密度和拉梅常數(shù)（n=1,2,3,...N）。
如圖6所示，碳纖維復(fù)合材料的上下邊界為自由邊界條件，各層為剛性連接，可獲得頻散方程為：
圖6 基于導(dǎo)波的碳纖維復(fù)合材料各向異性聲學(xué)模型
通常采用有限元法、半解析有限元法、傳遞矩陣法、全局矩陣法和譜元法等求解復(fù)合材料中導(dǎo)波傳播特性。雖然有限元方法易于實(shí)現(xiàn)，且能夠適用于多個(gè)鋪層方向的碳纖維復(fù)合材料層合板，但是其計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)。目前常采用傳遞矩陣法和全局矩陣法，傳遞矩陣法使用起來(lái)較為方便，但是在大頻厚積易于出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，可采用全局矩陣法以消除不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
研究人員針對(duì)復(fù)合材料中的導(dǎo)波衰減問(wèn)題開(kāi)展了一系列研究，包括衰減模型研究和導(dǎo)波衰減問(wèn)題研究等。衰減模型有Hyteretic模型、Rayleigh模型和Kelvin-Voigt模型。
面向碳纖維復(fù)合材料的超聲檢測(cè)技術(shù)
超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分類的方法有很多，按照波型可以分為縱波、橫波、表面波、導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)等；按照掃描顯示方式可以分為A掃、B掃和C掃等。
現(xiàn)用于碳纖維復(fù)合材料層合板的超聲檢測(cè)技術(shù)，常用的有C掃描檢測(cè)技術(shù)、相控陣檢測(cè)技術(shù)、激光超聲檢測(cè)技術(shù)、空氣耦合檢測(cè)技術(shù)和光纖超聲檢測(cè)技術(shù)。
1 體波檢測(cè)技術(shù)
常規(guī)的超聲體波檢測(cè)方法利用超聲體波遇到損傷、邊界等異質(zhì)界面會(huì)發(fā)生反射、折射現(xiàn)象，從而檢測(cè)出損傷。檢測(cè)方式有脈沖反射法和脈沖穿透法。
基于體波的C掃描檢測(cè)技術(shù)
如圖 7所示，目前基于超聲體波檢測(cè)技術(shù)有B掃描和C掃描檢測(cè)技術(shù)。
圖7 B掃描和C掃描檢測(cè)技術(shù)
C掃描檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維復(fù)合材料大面積的損傷成像。圖8為GE公司用于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的超聲波水浸C掃描探傷系統(tǒng)，該技術(shù)具有顯示直觀和檢測(cè)速度快的特點(diǎn)。
圖8 超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)
影響C掃描成像顯示的可靠性因素可能為檢測(cè)步進(jìn)、檢測(cè)頻率和檢測(cè)增益。汪林娜等通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些因素的影響，結(jié)果表明檢測(cè)較薄的碳纖維復(fù)合材料損傷，需要減小檢測(cè)步進(jìn)，采用高頻探頭，選擇合適的增益以提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。
基于體波的相控陣檢測(cè)技術(shù)
超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)通過(guò)控制換能器陣列各陣元按照一定的延遲時(shí)間和幅值，激發(fā)（或接收）脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。
相控陣換能器的尺寸、陣列的間距、數(shù)量、換能器的排列方式、發(fā)射源孔徑的大小等都影響著損傷檢測(cè)的準(zhǔn)確度。在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中，常采用線性排列的換能器陣列實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在厚度方向的損傷檢測(cè)和定位，其換能器的寬度和陣列的間距參數(shù)的設(shè)計(jì)影響著縱橫波的輻射指向性。
因超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有高檢測(cè)分辨率、高檢測(cè)準(zhǔn)確度、高靈敏度等優(yōu)勢(shì)，非常適用于高衰減和復(fù)雜形狀的碳纖維復(fù)合材料的分層、夾雜、裂紋、鉆孔、纖維屈曲等各種損傷類型進(jìn)行檢測(cè)。例如對(duì)于碳纖維復(fù)合材料中的分層損傷，Nageswaran等對(duì)分層損傷進(jìn)行檢測(cè)和分類，并評(píng)估其對(duì)在役部件完整性的威脅；進(jìn)一步地，為驗(yàn)證相控陣技術(shù)的檢測(cè)能力，Meola等將此技術(shù)與紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)采用這兩項(xiàng)技術(shù)對(duì)預(yù)埋分層損傷進(jìn)行了檢測(cè)，證明了相控陣技術(shù)能夠有效地檢測(cè)出較厚的碳纖維復(fù)合材料層合板中的預(yù)埋分層損傷的大小、尺寸和深度等信息。Caminero等在不同深度的碳纖維復(fù)合材料層壓板中嵌入不同尺寸和形狀的人工損傷，研究了鋪層的堆疊順序?qū)p傷區(qū)域的影響。以上這些對(duì)于分層損傷的檢測(cè)，基于預(yù)埋損傷與復(fù)合材料聲阻抗差異較大，而診斷出分層損傷，但均沒(méi)有進(jìn)行一個(gè)分層損傷的定量化評(píng)估。曹弘毅等利用超聲-6 dB法定量分析了C掃圖像中的損傷，結(jié)果表明了超聲相控陣對(duì)小損傷具有較好的檢測(cè)效果。
由于碳纖維復(fù)合材料的各向異性造成無(wú)法使用常規(guī)的時(shí)差法計(jì)算相控陣的延遲時(shí)間從而影響損傷的B掃描圖像，徐娜等提出聲速校正方法，并對(duì)比分析校正前后的B掃圖像，證明了經(jīng)過(guò)聲速校正后有效提高了近表面區(qū)域的損傷檢出率。
因此，利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)出碳纖維復(fù)合材料厚度方向的微小損傷和近表面區(qū)域的損傷，具有較高的空間分辨率。
基于體波的空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)
上述的B掃描、C掃描和相控陣檢測(cè)技術(shù)，都需要借助水耦合、甘油耦合或者粘貼于結(jié)構(gòu)表面耦合，才能實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料層合板中的超聲檢測(cè)。然而，在航空航天方面對(duì)產(chǎn)品的安全性能有著極高的要求，液體耦合劑會(huì)滲透進(jìn)復(fù)合材料而破壞其力學(xué)性能和尺寸的穩(wěn)定性。因此，需要采用非接觸的檢測(cè)技術(shù)，例如空氣耦合檢測(cè)技術(shù)和激光超聲檢測(cè)技術(shù)。
采用基于體波的空氣耦合檢測(cè)技術(shù)用于碳纖維復(fù)合材料中的損傷檢測(cè)的難點(diǎn)在于：
(1) 超聲波在空氣中衰減快；
(2) 在空氣與碳纖維復(fù)合材料的界面處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈反射，導(dǎo)致進(jìn)入復(fù)合材料中的能量低；
(3) 由于碳纖維復(fù)合材料為高衰減材料，導(dǎo)致接收的超聲波含有較高的結(jié)構(gòu)噪聲且損傷信號(hào)微弱。
國(guó)內(nèi)在空氣耦合檢測(cè)換能器設(shè)計(jì)方面的發(fā)展，已取得了進(jìn)步。周正干等針對(duì)空氣耦合超聲檢測(cè)中的信號(hào)微弱、信噪比低等問(wèn)題，研究了調(diào)頻脈沖壓縮方法。此外，危荃等基于空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)基本原理，建立了空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的損傷檢測(cè)，殷曉康等和高雙勝等通過(guò)自研制的空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料中的平底孔和沖擊損傷的C掃描顯示。另外，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的脫粘損傷，董方旭等采用空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)，基于穿透法實(shí)現(xiàn)了脫粘損傷的C掃描成像顯示。
國(guó)外對(duì)于空氣耦合檢測(cè)的研究起步早于國(guó)內(nèi)，其檢測(cè)設(shè)備較為成熟。Imielińska等采用空氣耦合超聲換能器結(jié)合C掃描技術(shù)檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷，并進(jìn)行沖擊響應(yīng)后的損傷尺寸評(píng)估，檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，呈現(xiàn)出較好的一致性，如圖9所示。
圖9 檢測(cè)復(fù)合材料中的沖擊損傷：(a) 超聲波C掃描技術(shù)；(b) X射線技術(shù)
雖然，基于體波的空氣耦合超聲技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料中的脫粘損傷和沖擊損傷的檢測(cè)，但是空氣耦合超聲因其信號(hào)衰減很大，難以實(shí)現(xiàn)較厚的碳纖維復(fù)合材料層合板中微小損傷的檢測(cè)。
基于體波的激光超聲檢測(cè)技術(shù)
激光超聲檢測(cè)技術(shù)是非接觸式的超聲檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)原理是利用激光脈沖照射到材料表面，發(fā)生熱彈性效應(yīng)，形成熱應(yīng)力，從而激勵(lì)出縱波、橫波和導(dǎo)波等超聲波，沿著結(jié)構(gòu)表面或者內(nèi)部傳播，利用激光接收超聲波，達(dá)到材料和結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的目的。
激光超聲檢測(cè)技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、非接觸、高分辨力、大范圍檢測(cè)、激發(fā)超聲頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)樹(shù)脂基復(fù)合材料對(duì)激光的吸收系數(shù)較大，可以滿足超聲轉(zhuǎn)換效率的要求，所以激光超聲檢測(cè)技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料層狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域有很大發(fā)展?jié)摿Α５?，激光超聲在?fù)合材料檢測(cè)領(lǐng)域有幾個(gè)問(wèn)題：能量轉(zhuǎn)換效率較低、激光超聲信號(hào)微弱、增大激光能量可能導(dǎo)致材料燒蝕問(wèn)題。
在國(guó)內(nèi)，Sun等采用激光激勵(lì)與激光接收的檢測(cè)方式，基于自研的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的分層損傷的檢測(cè)。郭佳等同樣基于激光激勵(lì)與激光接收的檢測(cè)方式，分別采用了脈沖反射法和穿透法，對(duì)碳纖維復(fù)合材料中不同大小的圓形損傷損傷進(jìn)行檢測(cè)，如圖10所示，結(jié)果表明激光超聲檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)出直徑為2 mm的圓形損傷。劉松平等采用激光激勵(lì)縱波與超聲換能器接收信號(hào)的檢測(cè)方式，研究了復(fù)合材料中常見(jiàn)損傷的激光超聲信號(hào)特征與損傷識(shí)別評(píng)估方法。隨著幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)激光超聲技術(shù)在激勵(lì)、接收、理論和技術(shù)等方面取得了極大進(jìn)步。
圖10 激光超聲檢測(cè)復(fù)合材料的結(jié)果
在國(guó)外，洛克希德·馬丁航空公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)了自己的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，名為L(zhǎng)aserUT。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)厚度為44 mm的碳纖維復(fù)合材料損傷的檢測(cè)，被證實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)的軍用飛機(jī)的復(fù)合材料的損傷檢測(cè)。對(duì)于大曲率的復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料工件，比利時(shí)列日大學(xué)Vandenrijt等結(jié)合機(jī)械手臂，采用激光超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了其中的損傷檢測(cè)。此外，Zeng等結(jié)合激光和空氣耦合技術(shù)，開(kāi)發(fā)出用于檢測(cè)編織碳纖維復(fù)合材料的空氣耦合激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，并分析了表面編織結(jié)構(gòu)對(duì)激光超聲信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料的淺層和深層的損傷檢測(cè)，并對(duì)比于相控陣檢測(cè)技術(shù)，具有更高的對(duì)比度和更少的檢測(cè)率。
以上的檢測(cè)技術(shù)將碳纖維復(fù)合材料視為各向同性聲學(xué)模型下對(duì)損傷進(jìn)行成像，然而在明確各向異性聲學(xué)模型下的聲速空間分布之后，采用上述的B掃、C掃檢測(cè)技術(shù)、相控陣檢測(cè)技術(shù)、激光超聲檢測(cè)技術(shù)和空氣耦合檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維復(fù)合材料中損傷更為準(zhǔn)確的檢測(cè)。例如，大連理工大學(xué)林莉團(tuán)隊(duì)考慮到碳纖維復(fù)合材料的各向異性與非均勻性，給出了三種波（qP波、qSV波和qSH波）的群速度的空間分布曲線，并成功地檢測(cè)出分層損傷。對(duì)于纖維褶皺這類與復(fù)合材料聲阻抗差異較小的損傷，周正干等利用準(zhǔn)縱波，有效檢測(cè)出碳纖維復(fù)合材料層壓板中的纖維褶皺。
因此，基于體波結(jié)合C掃描、相控陣、空氣耦合、激光超聲等檢測(cè)技術(shù)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料層合板中的微小損傷，但其檢測(cè)效率有待提高。
2 導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)
相比于基于體波的檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)范圍小，超聲導(dǎo)波具有檢測(cè)范圍廣，檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，被廣泛用于航空航天領(lǐng)域大型碳纖維復(fù)合材料薄板的損傷檢測(cè)。在明確了導(dǎo)波的傳播特性后，可結(jié)合超聲C掃描、相控陣、激光超聲、空氣耦合檢測(cè)技術(shù)，激發(fā)出導(dǎo)波用于檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料薄板中的損傷，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。
在20世紀(jì)90年代中期，Guo等首次將超聲Lamb波應(yīng)用到復(fù)合材料層板中的分層損傷的檢測(cè)。
基于導(dǎo)波的相控陣檢測(cè)技術(shù)
基于超聲導(dǎo)波的相控陣檢測(cè)技術(shù)適合應(yīng)用于薄壁結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)，具有大面積掃查、信噪比高、聲束方向靈活可控、檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
近年來(lái)，研究人員逐步將相控陣檢測(cè)技術(shù)用于復(fù)合材料中的損傷檢測(cè)，由于復(fù)合材料的各向異性，難于實(shí)現(xiàn)波束形成。Yan等研究了復(fù)合材料板中線性陣列的波束轉(zhuǎn)向問(wèn)題，選取準(zhǔn)各向同性導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行波束導(dǎo)向，以抑制各向異性的影響。Yan等利用弱各向異性導(dǎo)波模態(tài)，并假設(shè)相速度和群速度方向局部重合，基于單發(fā)多收陣列的數(shù)據(jù)定位復(fù)合材料板中的鉆孔損傷。Vishnuvardhan等人使用單發(fā)多收陣列檢測(cè)準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料板中撞擊分層損傷。Leleux等使用超聲相控陣探頭激勵(lì)中心頻率為0.5 MHz的S0模態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料板中的損傷進(jìn)行檢測(cè)，但是該方法局限于相同方向的相速度和群速度。Purekar等研究了一維線性相控陣檢測(cè)復(fù)合材料層合板分層損傷的能力，結(jié)果表明，該陣列在相速度和群速度方向相同的方向上可以檢測(cè)到損傷。Yu等提出了一種考慮導(dǎo)波參數(shù)和能量偏斜效應(yīng)的相控陣算法，在各向異性復(fù)合材料板上形成相控陣波束，實(shí)現(xiàn)多損傷的成像檢測(cè)。此外，Huan等研究了鋁板中基于SH0模態(tài)相控陣檢測(cè)技術(shù)，SH0模態(tài)無(wú)頻散，但是還未有學(xué)者利用該模態(tài)到復(fù)合材料的導(dǎo)波相控陣檢測(cè)中。
對(duì)于復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)，基于超聲導(dǎo)波的相控陣檢測(cè)技術(shù)更加適合，該技術(shù)目前還未走向工程應(yīng)用，需要研究人員在針對(duì)各向異性復(fù)合材料檢測(cè)的超聲導(dǎo)波相控陣列設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與成像診斷、自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)等方面繼續(xù)開(kāi)展研究。
基于導(dǎo)波的空氣耦合檢測(cè)技術(shù)
采用基于導(dǎo)波的空氣耦合檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的損傷檢測(cè)是近幾年的研究熱點(diǎn)。結(jié)合導(dǎo)波檢測(cè)范圍廣和空氣耦合非接觸檢測(cè)的特點(diǎn)，非常適合用于大尺寸的碳纖維復(fù)合材料的損傷檢測(cè)。
超聲導(dǎo)波的模態(tài)調(diào)諧潛力對(duì)復(fù)合材料分層等不同類型的損傷具有極好的靈敏度。如果選擇合適的入射角，可以使用空氣耦合換能器很好地生成和檢測(cè)Lamb波。Yan等通過(guò)調(diào)節(jié)入射波的角度控制Lamb波的模態(tài)，通過(guò)設(shè)置閾值級(jí)別來(lái)確定損傷的大小，并通過(guò)分析顏色映射大小來(lái)確定碳纖維復(fù)合材料中損傷的嚴(yán)重程度。進(jìn)一步，Liu等研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)空氣耦合換能器能夠定向接收分層損傷的反射波，從而通過(guò)反射波確定碳纖維復(fù)合材料梁的分層損傷兩端的大小和位置。吳霞等采用空氣耦合超聲換能器置于碳纖維復(fù)合材料層壓板的同側(cè)，激勵(lì)和接收A0模態(tài)的Lamb波，提出時(shí)頻域的損傷指數(shù)算法，實(shí)現(xiàn)了損傷的定位定量評(píng)估。
國(guó)內(nèi)外對(duì)于空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè)方面，在算法和仿真方面都做了一些研究，但是，目前國(guó)內(nèi)的研究還依賴于國(guó)外的設(shè)備。因此，為實(shí)現(xiàn)空氣耦合超聲檢測(cè)在航天航空領(lǐng)域的工業(yè)化的應(yīng)用，還需根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的特性，研發(fā)出一體化、自動(dòng)化和智能化的空氣耦合超聲檢測(cè)設(shè)備。
基于導(dǎo)波的激光超聲檢測(cè)技術(shù)
激光超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有非接觸，可遠(yuǎn)距離、高效、可適用于復(fù)雜構(gòu)件檢測(cè)等特點(diǎn)，被廣泛用于大曲率的渦輪葉片、機(jī)翼、鉆頭等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中。Zhang等基于激光超聲掃描技術(shù)，提出了一種基于異常入射波能量的改進(jìn)成像方法，并根據(jù)能量分布圖以顯示碳纖維復(fù)合材料中損傷的大小和形狀。
雖然激光超聲檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料損傷檢測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì)，但是其應(yīng)用成本遠(yuǎn)高于其他的檢測(cè)技術(shù)。因此，還需研發(fā)出低成本和小型化的激光超聲檢測(cè)設(shè)備。
基于超聲導(dǎo)波的檢測(cè)技術(shù)由于具有傳播距離遠(yuǎn)、響應(yīng)快、可以探測(cè)傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)難以檢測(cè)的部位等優(yōu)點(diǎn)，十分適合定性檢測(cè)復(fù)合材料大面積薄壁結(jié)構(gòu)的脫粘、裂紋和腐蝕等損傷。然而，導(dǎo)波的檢測(cè)分辨率有限。
另外，在實(shí)用狀態(tài)下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可能會(huì)面臨溫度變化、振動(dòng)等外部因素的影響，Salamone等開(kāi)展了變溫度環(huán)境下的復(fù)合材料層合板的損傷檢測(cè)，包括溫度對(duì)導(dǎo)波頻散曲線的變化影響、溫度對(duì)換能器膠層傳導(dǎo)應(yīng)變能力的影響、溫度補(bǔ)償?shù)取?/div>
基于導(dǎo)波的光纖超聲檢測(cè)技術(shù)
相較于傳統(tǒng)的超聲波壓電陶瓷換能器易受電磁環(huán)境的干擾和不耐腐蝕的缺點(diǎn)，光纖超聲波換能器具有不易受電磁干擾，耐腐蝕，能夠埋入被測(cè)物體，換能器尺寸小等特點(diǎn)，成功應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、海洋地震勘探等領(lǐng)域。
光纖超聲檢測(cè)技術(shù)的研究始于1990年Alcoz等研發(fā)出的一種新型光纖超聲換能器用于復(fù)合材料損傷檢測(cè)，至今國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究已開(kāi)展了三十余年，從而使得光纖超聲檢測(cè)裝置在檢測(cè)頻率范圍和檢測(cè)靈敏度方面都得到了提升。光纖超聲檢測(cè)技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)新型檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于金屬裂紋和復(fù)合材料的損傷檢測(cè)。
光纖超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理是利用超聲波與光纖之間的相互作用引起的光纖傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、波長(zhǎng)、偏振狀態(tài)等的改變，從而獲取被測(cè)物體內(nèi)部的信息。圖11為一種典型的光纖超聲檢測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中由壓電陶瓷超聲換能器激發(fā)出導(dǎo)波，利用光纖光柵接收導(dǎo)波信號(hào)。研究表明，對(duì)比于激發(fā)出的對(duì)稱模態(tài)波和反對(duì)稱模態(tài)波，光纖換能器對(duì)于對(duì)稱模態(tài)波更敏感。因此，Tsuda等利用激發(fā)出的對(duì)稱模態(tài)波檢測(cè)正交碳纖維復(fù)合材料中的沖擊損傷，通過(guò)比較壓電陶瓷和光纖換能器的接收信號(hào)響應(yīng)，表明光纖換能器對(duì)信號(hào)響應(yīng)的靈敏度更高，比傳統(tǒng)的壓電換能器更適合于超聲導(dǎo)波的檢測(cè)。
圖11 光纖超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意圖
綜上所述，利用光纖超聲檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料沖擊損傷的檢測(cè)，然而，該技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用方面，還需在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、換能器的性能和反饋控制器等方面進(jìn)行優(yōu)化。
3 各種檢測(cè)技術(shù)的比較
以上介紹的這些常用的超聲檢測(cè)技術(shù)各有特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)相互結(jié)合檢測(cè)。例如Spytek等結(jié)合了體波和導(dǎo)波的優(yōu)點(diǎn)，提出兩部損傷評(píng)估框架。首先，利用導(dǎo)波對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件的碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行快速地大面積的掃查，再針對(duì)出現(xiàn)損傷的區(qū)域采用高頻的超聲激光超聲檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高分辨率的損傷成像。因此，需要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)要求和環(huán)境，選擇相應(yīng)的超聲檢測(cè)技術(shù)。
基于體波的檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)厚度方向上微小損傷的檢測(cè)，現(xiàn)有研究檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料的樣品厚度的范圍約為3——6.4 mm，在檢測(cè)頻率為20 MHz時(shí)，能夠檢測(cè)到的最小損傷直徑約為 0.5 mm?；趯?dǎo)波的檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)的樣品厚度范圍一般為2.54——4 mm的碳纖維復(fù)合材料層合板，該技術(shù)具有檢測(cè)范圍廣和檢測(cè)效率高等優(yōu)勢(shì)，能夠檢測(cè)最小損傷直徑約為3 mm。
面向碳纖維復(fù)合材料的損傷成像方法
利用超聲成像算法對(duì)損傷進(jìn)行診斷，能夠更加直觀地表征損傷的嚴(yán)重程度。然而，由于超聲波信號(hào)在碳纖維復(fù)合材料中呈現(xiàn)出高衰減的現(xiàn)象，造成接收回波幅值信號(hào)小，不易提取損傷特征信息。對(duì)接收的信號(hào)在成像之前進(jìn)行預(yù)處理，就顯得十分重要。根據(jù)超聲信號(hào)是一種典型的非線性和非平穩(wěn)的信號(hào)特征，常采用時(shí)頻域的分析方法提取損傷信號(hào)的特征。
超聲回波的時(shí)頻分析主要用于去掉測(cè)量噪聲的干擾、區(qū)分重疊的回波和識(shí)別出信號(hào)特性的變化三大方面。常用的時(shí)頻分析方法有小波變換、短時(shí)傅里葉變換、S變換、希爾伯特-黃變換等方法。其中小波變換被廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域之中，利用小波變換對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行降噪，結(jié)合模極大值進(jìn)行了信號(hào)奇異點(diǎn)的檢測(cè)，從而提高了損傷回波信號(hào)的檢出能力。進(jìn)一步，為解決復(fù)合材料中臨近表面的分層損傷的檢測(cè)問(wèn)題，利用S變換和希爾伯特-黃變換提高檢測(cè)損傷的分辨率。
1 全聚焦成像
全聚焦方法通過(guò)處理采集的全矩陣數(shù)據(jù)，對(duì)于待檢測(cè)空間中的每一點(diǎn)進(jìn)行虛擬聚焦成像顯示。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：將待測(cè)試塊所處的二維空間劃分為離散的坐標(biāo)點(diǎn)，將每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)視為虛擬聚焦的焦點(diǎn)，對(duì)于發(fā)射陣元i(ai,0)和接收陣元j(aj,0)的組合，從接收陣元j(aj,0)接收的信號(hào)中，確定空間的某點(diǎn)X(x, z)所歷經(jīng)的同等時(shí)間的回波幅值，就是該點(diǎn)X的成像幅值。
由全聚焦成像方法的原理可知，精確地計(jì)算聲時(shí)是影響成像效果的主要因素。而目前針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的聲時(shí)計(jì)算，基于的模型分為三類：第一類是將復(fù)合材料視為各向同性介質(zhì)；第二類則是將復(fù)合材料均質(zhì)化處理；第三類則是考慮了復(fù)合材料的非均勻性和各向異性，采用一些聲線示蹤的方法進(jìn)行聲時(shí)的計(jì)算。
為了實(shí)現(xiàn)褶皺損傷的精確表征，張海燕等基于上述第一類各向同性聲學(xué)模型，結(jié)合超聲波在傳播時(shí)聲場(chǎng)能量與聲束擴(kuò)散方向的關(guān)系，對(duì)全聚焦成像方法進(jìn)行了校正，校正后的褶皺損傷成像圖和實(shí)物圖較為一致。
由于超聲檢測(cè)波長(zhǎng)大于復(fù)合材料層狀厚度，符合均質(zhì)化理論。據(jù)此，Yan等和Li等對(duì)于復(fù)合材料中的三個(gè)不同深度的橫通孔進(jìn)行了全聚焦成像，結(jié)果表明成像效果優(yōu)于各向同性的模型，但是因鋪層反射的結(jié)構(gòu)噪聲的影響，使得成像信噪比較低。
為精確實(shí)現(xiàn)損傷的診斷成像，還需對(duì)復(fù)合材料中的聲傳播路徑和聲時(shí)進(jìn)行分析與計(jì)算。目前用于層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的聲時(shí)計(jì)算有正演與反演兩大類的聲線示蹤方法。正演類聲線示蹤方法通過(guò)分析入射聲波經(jīng)過(guò)異種各向異性材料的分界面的反射和折射現(xiàn)象，建立聲線傳播路徑。
反演類聲線示蹤方法則是基于費(fèi)馬原理在已知聲波發(fā)射源的位置和目標(biāo)點(diǎn)的位置的條件下，反演出他們之間的聲傳播路徑和聲時(shí)。這與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中搜索最短路徑算法的目的相一致，因此，不少學(xué)者將Dijkstra算法、A*算法和Viterbi算法用于奧氏體剛焊縫和碳纖維復(fù)合材料等各向異性材料的檢測(cè)中。
Dijkstra算法是從一個(gè)頂點(diǎn)到其余各頂點(diǎn)的最短路徑算法，解決的是有權(quán)圖中最短路徑問(wèn)題。而A*算法在Dijkstra算法的基礎(chǔ)上增加一個(gè)啟發(fā)式函數(shù)來(lái)進(jìn)行射線追蹤，提高了搜索效率。這些算法采用了求解路徑規(guī)劃問(wèn)題的策略，適合于沿給定節(jié)點(diǎn)尋找路徑。
橫通孔、分層、夾雜等損傷與復(fù)合材料的聲阻抗差異較大的損傷易于檢出。而對(duì)于纖維褶皺這類與復(fù)合材料聲阻抗差異較小的損傷，若使用常規(guī)超聲方法則會(huì)出現(xiàn)漏檢和誤檢等現(xiàn)象。利用超聲相控陣與全聚焦方法的結(jié)合，如圖12所示，有效檢測(cè)出多向碳纖維復(fù)合材料層壓板中的纖維褶皺損傷。除此之外，Dijkstra算法也被應(yīng)用于復(fù)合材料角部件結(jié)構(gòu)和混凝土中的損傷診斷。
圖12 碳纖維復(fù)合材料中的褶皺損傷的TFM成像
綜上所述，全聚焦成像應(yīng)用于平板類碳纖維復(fù)合材料的研究較多，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料中損傷的成像研究較少。另外，目前的全聚焦成像技術(shù)，沒(méi)有考慮聲衰減的變化，若考慮了能量的變化，再優(yōu)選聲傳播路徑或者對(duì)衰減的能量進(jìn)行補(bǔ)償，能夠進(jìn)一步提高全聚焦成像的效果。
2 三維可視化成像
現(xiàn)有的超聲圖像可視化表征基本是二維圖像，例如B掃、C掃描顯示和全聚焦成像結(jié)果。為更加立體地呈現(xiàn)出復(fù)合材料中損傷的大小、位置和形狀等方面的信息，可采用三維可視化成像技術(shù)。對(duì)比于傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)，超聲相控陣三維成像的主要優(yōu)點(diǎn)是：
(1) 提高了損傷檢出的準(zhǔn)確率，減少了誤檢和漏檢的風(fēng)險(xiǎn)；
(2) 精確表征損傷的體積；
(3) 檢測(cè)范圍廣，成像效率高。
因此，三維可視化成像技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，是當(dāng)前工業(yè)無(wú)損檢測(cè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
三維超聲圖像的重構(gòu)主要基于兩種采集方式的數(shù)據(jù) ，一種是基于帶有位置編碼器的一維線性相控陣探頭采集的數(shù)據(jù)，另一種則是基于二維矩形排列的相控陣數(shù)據(jù)。因一維線陣換能器成本低，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料中的三維超聲圖像的重構(gòu)。
由于復(fù)合材料的多層邊界造成的結(jié)構(gòu)噪聲，使得采用三維可視化表征的損傷大小不夠精準(zhǔn)。對(duì)此，Mohammadkhani等提出基于小波變換和提取結(jié)構(gòu)噪聲統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的智能閾值技術(shù)，更為精確地實(shí)現(xiàn)了損傷的三維成像。另外，為實(shí)現(xiàn)快速且實(shí)時(shí)化的損傷三維成像，如圖13所示，Bulavinov等利用相控陣基于合成孔徑技術(shù)獲取B掃描圖像，再將這些B掃描圖像合成為損傷的三維圖像?；谝痪S陣列探頭采集的數(shù)據(jù)，也實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料中沖擊損傷和孔隙損傷的三維可視化成像。
圖13 碳纖維復(fù)合材料損傷的三維可視化成像
如圖14所示，利用二維面陣對(duì)待測(cè)物體發(fā)射聚焦光束進(jìn)行體積掃描，從而實(shí)現(xiàn)損傷的三維可視化表征?；诿骊囂筋^的三維圖像重構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是掃查速度快和高的空間分辨率。
圖14 三維相控陣掃描示意圖
3 層析成像
超聲層析成像是基于超聲傳播理論，由檢測(cè)設(shè)備從物體外部實(shí)測(cè)獲得投影數(shù)據(jù)，通過(guò)建立投影數(shù)據(jù)與超聲傳播路徑和聲速參數(shù)分布組成的模型方程之間的關(guān)系，反演出物體內(nèi)部的二維圖像。
超聲層析成像按照采集方式的不同，可以分為透射式和反射式。透射式層析成像最先被提出和應(yīng)用，最初的假設(shè)聲波按照直線傳播，類似于X射線，但在實(shí)際中聲波往往存在折射和衍射的特征，在不同的介質(zhì)的界面處會(huì)發(fā)射折射和衍射的現(xiàn)象。因此，Lytle等基于射線追蹤方法，反復(fù)迭代更新超聲波以反演出實(shí)際的超聲波的傳播路徑，從而獲得物體內(nèi)部損傷的成像。
反射式層析成像則用于大尺度結(jié)構(gòu)的損傷成像，基于置于檢測(cè)物體一側(cè)的換能器的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)濾波-反投影法以重建損傷的形貌。Jansen等在反射式采集方式下，利用Lamb波的聲時(shí)和能量衰減等信息為層析成像所需的投影數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料中分層損傷的層析成像。然而，采用射線近似的假設(shè)，不適用于復(fù)合材料中的微小損傷，因?yàn)榇藭r(shí)的損傷在投影的方向尺寸不大于低頻導(dǎo)波的波長(zhǎng)，從而出現(xiàn)較大的誤差。對(duì)此，一些學(xué)者提出了基于波動(dòng)方程的衍射層析成像方法。Wang等基于波函數(shù)給出了由不均勻性引起的拉伸和彎曲平板波的散射現(xiàn)象的精確解。
為避免Lamb波在碳纖維復(fù)合材料中傳播的產(chǎn)生的復(fù)雜反射信號(hào)的特征提取困難，Su等提出了基于希爾伯特能譜和Lamb波層析成像的損傷識(shí)別方法，如圖15所示，分別在仿真模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面都實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料的單損傷和多損傷的定位成像。
圖15 碳纖維復(fù)合材料的損傷層析成像結(jié)果
4 逆時(shí)偏移成像
逆時(shí)偏移方法被認(rèn)為是地質(zhì)勘探領(lǐng)域中高精度的地質(zhì)構(gòu)造輪廓的成像方法。它是一種基于波動(dòng)理論的深度域偏移方法，可以呈現(xiàn)出極其復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)模型的輪廓圖像。按照處理資料的不同，可以分為疊后和疊前逆時(shí)偏移成像。
目前，在超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，疊前逆時(shí)偏移方法廣泛用于均勻介質(zhì)和分層介質(zhì)中的損傷成像。常用的疊前逆時(shí)偏移成像條件有激發(fā)時(shí)間成像、振幅比成像和互相關(guān)成像條件。其中互相關(guān)成像條件應(yīng)用最為廣泛。
對(duì)于較薄的碳纖維復(fù)合材料層合板，采用頻率相對(duì)較低可近似于Mindlin板理論的波模型，從而利用疊前逆時(shí)偏移結(jié)合激發(fā)時(shí)間成像條件實(shí)現(xiàn)損傷的成像。進(jìn)一步，為了提高成像的分辨率和效率，采用零延遲互相關(guān)成像條件對(duì)復(fù)合材料層合板中的損傷進(jìn)行逆時(shí)偏移成像。
逆時(shí)偏移方法對(duì)于較薄的碳纖維復(fù)合材料板中的損傷，能夠不受其頻散的影響，較好地實(shí)現(xiàn)損傷成像，但是使用該方法時(shí)耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算數(shù)據(jù)量大，不適合用于損傷的在線監(jiān)測(cè)。
5 概率成像
上述的三種成像算法中，全聚焦成像算法、三維可視化成像方法以及逆時(shí)偏移成像方法都可用于基于體波檢測(cè)技術(shù)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)損傷的檢測(cè)成像。而概率成像則主要用于基于導(dǎo)波檢測(cè)數(shù)據(jù)的損傷成像。該方法不依賴于結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)，如導(dǎo)波的傳播模態(tài)和群速度等。該方法是基于概率的損傷檢測(cè)重構(gòu)算法，通過(guò)引入空間概率分布函數(shù)和信號(hào)損傷指數(shù)表征損傷?？臻g中某點(diǎn)的成像點(diǎn)的幅值是以各路徑的損傷指數(shù)因子乘上加權(quán)函數(shù)的結(jié)果，當(dāng)成像幅值越大，則該點(diǎn)位置出現(xiàn)損傷的概率就越高。
概率成像方法因在成像過(guò)程中無(wú)需導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中的模態(tài)和群速度的空間分布等先驗(yàn)知識(shí)，具有計(jì)算效率高，并且能夠有效識(shí)別碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的各種類型的損傷。如圖16所示，Liu等結(jié)合虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)和概率成像方法，對(duì)碳纖維復(fù)合材料中梯形、矩形和圓形等不同形狀的損傷進(jìn)行成像。由于基于導(dǎo)波的檢測(cè)數(shù)據(jù)，其損傷形貌的成像結(jié)果不如C掃描的成像結(jié)果，然而其成像效率遠(yuǎn)高于C掃描技術(shù)。Mustapha等還研究了變厚度的碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂層壓板和高性能泡沫夾芯組成的夾芯板中的導(dǎo)波傳播規(guī)律，定義了單個(gè)傳感路徑的損傷指數(shù)，以檢測(cè)錐形復(fù)合夾層板中的脫粘損傷。
圖16 碳纖維復(fù)合材料不同形狀的損傷的概率成像結(jié)果
然而，影響概率損傷成像診斷效果的因素有頻率、傳感路徑網(wǎng)絡(luò)以及有效橢圓分布區(qū)域的大小等。對(duì)此，Wu等提出采用多個(gè)頻率融合圖像的方法以消除不同頻率的影響，并針對(duì)其他影響因素提出了提高損傷識(shí)別效果的優(yōu)化方案，成功提高了碳纖維復(fù)合材料加筋板上的損傷定位精度。對(duì)于傳感網(wǎng)絡(luò)的密度影響概率成像效果的問(wèn)題，Liu等結(jié)合全求和方法和全乘法方法這兩種圖像融合方法，對(duì)概率成像方法進(jìn)行了改進(jìn)，以消除不均勻概率分布的影響，從而提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。Zhu等基于機(jī)電阻抗結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法提出了改進(jìn)的概率加權(quán)損傷成像算法，有效地檢測(cè)出蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的脫粘。
概率成像方法能夠在未知導(dǎo)波的傳播模態(tài)和群速度等先驗(yàn)知識(shí)下，基于引入的空間概率分布函數(shù)和實(shí)際測(cè)量到的信號(hào)差異對(duì)損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行診斷。然而，在真實(shí)服役環(huán)境下，各接收信號(hào)之間產(chǎn)生差異的原因可能不僅僅來(lái)源于由損傷引起的超聲導(dǎo)波散射信號(hào)，因此，損傷診斷成像效果易受檢測(cè)環(huán)境的影響。
主要的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向
應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的超聲陣列檢測(cè)技術(shù)在近幾十年的發(fā)展中取得了很大的進(jìn)步，且新技術(shù)和新手段的出現(xiàn)為該領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展動(dòng)力和方向。但是，面臨不斷推出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新型碳纖維復(fù)合材料，如何高效、可靠、精確地檢測(cè)并評(píng)估出這些材料中各種類型的損傷仍然面臨挑戰(zhàn)。
01 主要的挑戰(zhàn)
(1) 構(gòu)建復(fù)雜環(huán)境下不同材料結(jié)構(gòu)的聲學(xué)模型
碳纖維復(fù)合材料可以分為樹(shù)脂基、金屬基、陶瓷基和橡膠基這4種常用形式，不同分類的基體材料所具備的性能優(yōu)勢(shì)并不相同，而且差異巨大。另外，一些由碳纖維復(fù)合材料組成的外形結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜，例如L形、T形、Ω形等結(jié)構(gòu)。未來(lái)的研究方向需要考慮在復(fù)雜環(huán)境條件下，建立這些不同材料結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料中的聲學(xué)模型，例如在水或者覆蓋冰層中的碳纖維復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)。
(2) 研究超聲波與不同損傷類型的作用機(jī)理
為了提高超聲檢測(cè)技術(shù)的損傷診斷能力，研究超聲波與不同損傷類型的作用機(jī)理是十分重要的。這些研究?jī)?nèi)容包括超聲波遇到不同的損傷類型的聲散射能量和傳播模式的變化等。
(3) 建立多場(chǎng)耦合傳感網(wǎng)絡(luò)
由于碳纖維復(fù)合材料的固化工藝與服役工況復(fù)雜，狀態(tài)參數(shù)多，單一的傳感技術(shù)難以獲得定量表征復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)所需的信息。因此，需要建立多場(chǎng)耦合傳感網(wǎng)絡(luò)。
(4) 優(yōu)化損傷成像算法，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)成像
近年來(lái)，一些學(xué)者將并行計(jì)算、GPU加速、多線程采集、FPGA等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與陣列超聲后處理成像技術(shù)相融合，初步實(shí)現(xiàn)了金屬損傷的實(shí)時(shí)成像。然而，由于碳纖維復(fù)合材料的各向異性，其聲時(shí)計(jì)算方法較為復(fù)雜，需優(yōu)化損傷診斷成像算法，實(shí)現(xiàn)基于各向異性聲學(xué)模型的碳纖維復(fù)合材料的工業(yè)化實(shí)時(shí)成像。
(5) 建立定量評(píng)估損傷大小形狀的標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠對(duì)碳纖維復(fù)合材料平板中的分層等面積型損傷檢測(cè)，已形成了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)外ASTM E2580和E2533，我國(guó)GJB 1038.1和HB 7825等。而對(duì)于其他類型的損傷檢測(cè)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要依賴檢測(cè)人員的專業(yè)水平，從而無(wú)法一致地定量評(píng)估損傷的類型、大小和形狀。
(6) 建立壽命評(píng)估與預(yù)測(cè)體系
隨著碳纖維復(fù)合材料的大量使用，為節(jié)省維修成本和充分利用這些復(fù)合材料以達(dá)到經(jīng)濟(jì)利益最大化，對(duì)這些服役材料壽命的評(píng)估與預(yù)測(cè)是具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用需求的。
2 未來(lái)的發(fā)展方向
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得超聲檢測(cè)技術(shù)和成像方法在算法方面朝向更高精度、更便捷、更高效、更準(zhǔn)確的方向去發(fā)展。
(1) 結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的損傷診斷算法
以機(jī)器學(xué)習(xí)為核心的人工智能在近幾年高速發(fā)展，受到很多領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，先進(jìn)傳感技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)過(guò)度依賴，底層信號(hào)特征易受環(huán)境因素影響，不同損傷或者條件下的損傷指數(shù)不通用。在“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，從而提高檢測(cè)效率、精度和可靠性。
應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的機(jī)器學(xué)習(xí)方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）和支持向量機(jī)（SVM）等方法。ANN是模仿大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能建立起來(lái)的信息處理系統(tǒng)，包含輸入層、隱含層和輸出層。DNN與ANN類似，通過(guò)建立多層隱含層的模型并訓(xùn)練龐大的數(shù)據(jù)集，以此獲取更深層的信息。楊宇等人利用偏斜感知的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，建立了分布式時(shí)序神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，成功識(shí)別出碳纖維復(fù)合材料加筋板的沖擊損傷。在缺乏訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下，低維空間中建立非線性映射，從而將樣本轉(zhuǎn)換為高維空間，SVM具有較強(qiáng)學(xué)習(xí)能力和泛化能力。此外，高東岳基于隨機(jī)森林回歸模型，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別模型。楊宇等通過(guò)多機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，提高了結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的泛化能力，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。
機(jī)器學(xué)習(xí)在超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)初步表現(xiàn)出準(zhǔn)確性高、效率快等優(yōu)勢(shì)，但是在檢測(cè)領(lǐng)域使用機(jī)器學(xué)習(xí)還面臨一些挑戰(zhàn)：
1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完備，樣本數(shù)量不足；
2）數(shù)據(jù)偏斜嚴(yán)重；
3）數(shù)據(jù)的采集和分析沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
面對(duì)這些挑戰(zhàn)，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域需要做一系列的應(yīng)對(duì)策略，例如建立大數(shù)據(jù)庫(kù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)共享、完善核心算法、統(tǒng)一數(shù)據(jù)信息化標(biāo)準(zhǔn)等。
(2) 結(jié)合數(shù)字孿生模型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)
損傷評(píng)估有四層：損傷檢測(cè)/識(shí)別、損傷定位、損傷量化、對(duì)結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的預(yù)測(cè)。無(wú)損檢測(cè)/結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)目前關(guān)注點(diǎn)在損傷評(píng)估的前三層，即制造和服役過(guò)程中檢測(cè)到的損傷輸出。盡管前三個(gè)層次很重要，但是將檢測(cè)結(jié)果輸入到結(jié)構(gòu)剩余壽命模型中，從而構(gòu)建結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)測(cè)的數(shù)字孿生模型，也是未來(lái)具有挑戰(zhàn)性的工作。
結(jié)論
超聲檢測(cè)技術(shù)是一種可靠的無(wú)損檢測(cè)/結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)手段，在碳纖維復(fù)合材料損傷檢測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?？捎行У亟鉀Q碳纖維復(fù)合材料的各種損傷類型的檢測(cè)，具有操作簡(jiǎn)單、高效、成本低、檢測(cè)精度高等特點(diǎn)。綜合國(guó)內(nèi)外發(fā)展的不足，關(guān)于碳纖維復(fù)合材料層合板損傷的超聲檢測(cè)與成像方面的后續(xù)研究建議需要從以下五個(gè)方面開(kāi)展：
復(fù)雜構(gòu)件的聲場(chǎng)模型的建立；
損傷成像算法的優(yōu)化；
智能/高效/實(shí)時(shí)化的檢測(cè)和成像系統(tǒng)的構(gòu)建；
損傷定量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的建立；
基于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。
來(lái)源：楊紅娟，楊正巖，楊雷，單一男，林奎旭，武湛君
