多层黏接结构的阵列超声检测评价方法

在金属与橡胶等非金属材料的多层黏接结构的超声检测中,介质间声阻抗差异和超声衰减显著,致使脱黏缺陷检测信噪比低,缺陷识别困难。为了提高多层黏接结构中脱黏缺陷的检出能力,提出了基于线性阵列超声换能器的超声检测评价方法。分析了声波在黏接界面的传播特性,得出声波在多介质层系的反射系数频谱关系;基于多层黏接结构的三维CAD检测模型,建立多层结构的阵列超声声束路径通用计算方法,依据多层介质的刚度矩阵传递模型,构建数值仿真分析模型,实现阵列超声聚焦方案和检测工艺的设计;分析了不同黏接状态下界面回波信号的幅度谱,提出采用幅度谱特征进行C扫描成像的方法。实验结果表明:所提阵列超声检测评价方法可有效提升多层黏接结构的检测效率,提高检测信噪比,降低脱黏缺陷C扫描成像表征的复杂度。

北京航空航天大学超声无损检测实验室2022年度工作进展

2022年,北京航空航天大学超声无损检测实验室在超声检测基础理论研究、超声仿真系统设计以及超声检测系统研发上取得了系列成果。在碳纤维增强树脂基复合材料纤维褶皱缺陷的超声检测方面,建立了利用复合材料层间反射信号对褶皱缺陷进行表征的理论模型,针对层间信号微弱、超声信号相位敏感等特性,提出了利用线性相位滤波器缓解噪声引起错位的方法。在碳纤维复合材料的阵列超声检测方面,提出了基于Viterbi搜索算法的声线示踪方法,建立了CFRP材料阵列超声检测的声束路径计算模型,改进了CFRP材料的阵列超声全聚焦检测成像算法。

飞机蒙皮缺陷自动化检测研究进展

飞机蒙皮作为飞机外部主要的维形构件,具有承担载荷、保持其气动性能的作用。与传统的仅依靠目视蒙皮缺陷检测方法相比,使用自动化超声检测内部缺陷及基于机器视觉的外部缺陷检测方法具有检测效率高、自动化程度高、检测结果一致性强等显著优势。根据飞机蒙皮缺陷自动化检测研究进展,介绍了飞机蒙皮的典型缺陷类型,分别综述了自动化超声无损检测技术和机器视觉图像处理技术在蒙皮缺陷检测中的应用,总结了蒙皮缺陷检测领域目前存在的问题与技术难点,展望了飞机蒙皮自动检测领域未来的发展趋势。

相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法及其校准研究

相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法是一种基于全矩阵数据的虚拟聚焦后处理成像技术,因其具有精度高、算法灵活等优点成为近年来的研究热点。为了解决该算法在楔块耦合检测模式下的校准问题,介绍全矩阵数据及全聚焦成像算法的基本概念,通过对所存在问题的分析,建立双层介质的能量衰减模型;从指向性、透射和扩散三个方面分析声束传播路径上的能量衰减,计算衰减校准系数,提出基于校准的改进算法;分别采用未校准、平方根校准和自建模型校准的三种全聚焦算法对B型相控阵标准试块进行检测成像试验,从试验结果可以看出,平方根校准的算法能适当修正大声程的能量衰减,而自建模型校准的算法对于大声程、大偏转角的能量衰减都有较好的改善,使图像的能量更加均匀;此外,相比未校准和平方根校准,自建模型校准的算法具有更大的检测角度范围,有能力检测出大偏转角的缺陷。研究工作表明,校准后的全聚焦成像算法能够扩大检测角度范围、改善图像的能量均匀性,检测漏检率及缺陷定量误差得到有效降低。

焊缝X射线检测及其结果的评判方法综述

分析了焊缝X射线检测方法的现状 ,指出了目前存在的主要问题 ;介绍了焊缝X射线检测结果的人工评定和计算机辅助评定方法 ,论述了国内外焊缝X射线检测结果计算机辅助识别的研究现状。研究结果表明 ,X射线数字实时成像技术是焊缝射线检测的发展方向 。

X射线平板探测器数字成像及其图像校准

为了提高X射线数字成像系统的图像质量 ,以基于平板探测器的X射线数字照相系统为研究对象 ,介绍了平板探测器自身影响图像质量的 4大因素 :随机噪声 ,偏置误差 ,像元响应不一致性和瑕疵像元等 ,分析了这些因素的成因及其对图像质量的影响 ,提出了相应的减小和消除这些影响的图像校准方法 .实验结果表明 :运用这些图像校准方法 ,可以有效地去除上述因素对图像质量的影响 ,显著提高平板探测器输出图像的质量 。

复合材料层压板钻孔分层激光超声检测方法

飞机复合材料结构钻孔分层的定位、定量检测是无损检测领域的难点之一,也是航空制造领域亟待解决的安全问题之一,激光超声检测技术是解决该问题的可能途径。试验验证利用激光超声检测复合材料钻孔分层的技术可行性。制备复合材料层压板钻孔试样,研究热弹性条件下脉冲激光在复合材料中产生超声波的宽频带特性,提取出满足检测灵敏度、分辨力要求并具有良好信噪比的超声信号;分析近孔边缘分层界面对声传播规律的影响,得出钻孔边缘分层缺陷的激光超声表征方法;采用脉冲反射法、透射法对复合材料钻孔试样进行激光超声C扫描检测,获得钻孔分层缺陷的形貌、尺寸和位置特征。研究结果表明,激光超声检测技术是解决飞机复合材料结构钻孔分层检测问题的有效手段。

相控阵超声后处理成像技术研究、应用和发展

相控阵超声后处理成像技术采用离线计算的方式对超声回波数据进行分析,实现缺陷的成像及评价,与基于实时成像的常规相控阵超声检测技术相比,成像更清晰,缺陷表征能力更强。近年来,相控阵超声后处理成像技术逐渐成为研究热点,国内外相关学者相继建立全聚焦成像、向量全聚焦成像、波数域成像和时间反转成像等一系列基于全矩阵数据的后处理成像算法,检测精度及缺陷表征尺寸极限取得了很大突破。为此,从全矩阵数据的基础理论出发,介绍基于虚拟聚焦思想和频域反演思想的相控阵超声后处理典型成像算法的基本原理、技术特点、研究进展及应用现状,总结当前发展存在的问题和不足,预测相控阵后处理成像技术的未来发展。

超声导波在大型薄铝板缺陷检测中的应用

为了提高大型薄板超声检测的速度,研究了超声导波及其在大型薄铝板缺陷检测中的应用。推导了超声导波在大型薄铝板中传播的理论模型,分析了导波的波结构,设计并实践了导波检测薄铝板缺陷的方法。试验结果表明,若选取S0导波模式对1 mm薄铝板进行线扫描检测,在有缺陷的地方会出现明显的回波信号。根据缺陷回波与板端回波的传播时间差,可计算出缺陷的位置。缺陷越大,缺陷回波信号幅值越大。选择对缺陷灵敏度高的导波模式,导波法线扫描检测方式可以有效缩短检测时间,提高检测效率。

相位编码脉冲压缩方法在空气耦合超声检测信号处理中的应用

由于声波在空气介质中的衰减及气固界面巨大声阻抗差导致空气耦合超声透射信号信噪比差,大大影响检测结果的可靠性及缺陷定量精度。针对上述问题,基于雷达系统相位编码脉冲压缩技术的基本原理讨论匹配滤波器的设计及其在空气耦合超声检测中的实现,分析不同巴克码信号、带宽及载波周期数对脉冲压缩效果的影响,并以玻璃纤维复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)试样为对象,对比用单频正弦及相位编码脉冲压缩方法获得的透射超声信号信噪比及C扫描缺陷定量精度。试验结果表明选择换能器中心频率作为13位巴克码信号带宽时,脉冲压缩信号主瓣脉宽最小、幅值最大;相位编码脉冲压缩后超声信号信噪比较单频信号提高了12.4 dB,缺陷边缘更清晰且定量精度较单频信号提高了12%。说明在空气耦合超声检测中采用相位编码脉冲压缩技术能显著提高接收信号信噪比及缺陷定量精度。

钛合金蜂窝结构蒙皮脱焊缺陷锁相红外热成像检测

蒙皮脱焊是钛合金蜂窝结构制造和服役过程中最常见的缺陷类型。受钛合金材料热导率低的影响,钛合金蜂窝结构中蒙皮越厚,红外热成像检测时其表面反映脱焊缺陷信息的温度差异信号就越弱,检测难度就越大。针对这一问题,研究了不同蒙皮厚度钛合金蜂窝结构锁相红外热成像检测时调制频率的选取范围。建立了钛合金蜂窝结构锁相红外热成像检测有限元模型,分析了蒙皮表面温度在调制热流作用下的变化历程,基于相关算法提取了蒙皮表面对应缺陷区和非缺陷区的相位差,分析了相位差与调制频率、蒙皮厚度的关系。利用锁相红外热成像检测系统对预制脱焊缺陷的蜂窝试件进行了实验研究,获得了缺陷区与非缺陷区信号相位差与调制频率的关系。研究结果表明,针对蒙皮厚度为0.6-2.0 mm的钛合金蜂窝结构,采用0.04-0.10 Hz的调制频率能够获得最佳检测结果。研究结果为钛合金蜂窝结构实际检测提供了工艺指导。

时频分析在超声导波信号分析中的应用

超声导波信号是一种非平稳信号,存在频散现象,利用传统的时域和频域分析方法不能揭示其频谱随时间变化的特点.为了解决这一问题,研究了导波信号的非平稳特征,介绍了短时傅里叶变换(STFT,Short-Time Fourier Transform)时频分析原理,分别对铝板试样和蜂窝板试样内传播的导波信号进行了STFT和时频谱分析,得出了铝板内导波信号中各频率成分随时间的变化情况,分析出导波信号的模式转换现象,比较精确地计算了导波的群速度;对于蜂窝板内的导波信号,由于能量泄露比较严重,当激励频率为1.5MHz时,A0模式只能近距离传播,这就使得采用STFT不能很好地进行模式识别.研究结果表明,当导波传播距离较远时,利用STFT可以对其信号进行动态的频谱分析和模式识别,并可对实际的群速度进行较精确的测量.

相控阵超声水浸C扫描自动检测系统的研制

采用常规超声水浸C扫描检测系统检测工件时,为了得到较好的检测精度,一般采用较小的扫描步距,检测效率低,同时换能器聚焦深度不能改变,灵活性差。为了提高超声水浸C扫描检测的检测速度、检测适用范围及灵活性,采用相控阵电子线性扫描及其成像算法,结合三自由度机械扫描架,研制了相控阵超声水浸C扫描检测软硬件系统。采用64阵元的相控阵超声换能器分别对铝合金平板、钛合金增材制造试样进行了检测试验,对检测系统的性能进行了初步验证。试验结果表明,所研制的系统相对于常规超声水浸C扫描系统的检测效率和检测能力均有较大提升。

线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用研究

为了提高空气耦合超声检测中的信号强度及其信噪比,研究线性调频脉冲压缩技术在空气耦合超声检测中的应用。介绍线性调频脉冲压缩技术的基本原理及其匹配滤波器的设计与实现,分析脉冲压缩参数对空气耦合超声检测结果的影响,试验研究不同激励方式对空气耦合超声换能器接收信号的影响以及脉冲压缩方法对提高信噪比的实际效果,构建空气耦合超声C扫描检测系统,对碳纤维增强复合材料板进行检测试验。研究结果表明:相对于常规脉冲激励方式,连续波激励方式可提高换能器的能量转换效率,激励信号频率特性与换能器频率特性相一致时效果最佳;应用线性调频脉冲压缩方法后,空气耦合超声检测的信噪比有了明显提高,检测效果得到了明显改善。

矩阵换能器超声三维成像方法研究

针对常规超声检测难以直观地显示被检对象缺陷的形状及走向等问题,开展矩阵换能器超声三维成像方法研究。超声三维成像技术具有直观显示被测对象内部缺陷三维特征的优点,基于矩阵换能器的超声三维成像方法具有扫查速度快、分辨率高等优点,是当前超声三维成像技术的研究热点。本文介绍了矩阵换能器体扫查原理及其控制方法;提出了矩阵换能器体扫查时三维体数据采集方法和数据融合算法;基于矩阵换能器和相控阵板卡系统对铝标样等试样进行了体扫查检测实验,采用等值面和体绘制两种算法对缺陷进行三维成像,并对单一缺陷进行了定量分析,定量精度较高。研究结果表明,矩阵换能器超声三维成像方法能够表征缺陷的三维形貌特征,在无需移动换能器的情况下便可实现缺陷三维检测,是超声三维检测的有效方法。

非线性无损检测技术的研究、应用和发展

对材料和结构进行无损检测和评价在其全生命周期中非常重要。超声检测是一种重要方法,但传统线性超声观察时域信号,受波长等因素所限,对于微缺陷、微裂纹以及如粘接、分层等界面缺陷不敏感,同时对于金属疲劳等力学性能退化尚缺乏有效评价手段。近年来,基于超声的非线性效应,如高次谐波及次谐波的产生、波束混叠以及谐振频率的改变等而发展的非线性超声无损检测和评价方法主要从频域分析信号特征,进行缺陷判别,对于克服传统超声的不足具有积极的意义,是传统线性超声检测手段的有效补充。从由不同的声学非线性效应而衍生的检测方法出发,介绍非线性超声无损检测技术的研究和发展现状,总结其中的关键技术和问题,并对未来发展做出思考。

空气耦合超声检测中脉冲压缩方法的参数选优

多种脉冲压缩方法已成为提高空气耦合超声检测信号信噪比(SNR)的有效手段,而实际使用中面临如何选取合适参数以获得更好压缩效果的问题.基于脉冲压缩技术的基本原理及其在超声检测中的实现,建立了具备超声信号脉冲压缩实时处理的空气耦合超声检测系统.使用窄带空气耦合超声换能器分别就线性调频、非线性调频及相位编码脉冲压缩方法的关键参数对压缩效果的影响开展了实验研究,获得了脉冲压缩参数选取准则.最后以模拟缺陷的蜂窝夹芯复合材料试样为对象,验证了参数选优后的脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用效果.

激光超声检测技术在复合材料检测中的应用

针对广泛用于航天器结构的复合材料层压板,建立了激光超声检测实验平台,实验研究了脉冲激光在复合材料中产生超声波的时频域特征,分析了激光超声与复合材料分层缺陷相互作用的声衰减行为,实现了复合材料层压板夹杂、分层缺陷的C型成像检测.研究成果对推动激光超声检测技术在航天飞行器结构快速检测中的应用与发展具有积极作用.

空气耦合超声检测中衰减因素的研究

分析了空气耦合超声检测中的主要衰减因素;采用时域有限差分法进行数值计算和仿真,研究了换能器脉冲声场特性及扩散衰减特性;通过测量试验获得了实际换能器脉冲声场的声压分布情况,并与理论计算结果进行了对比分析,获得了换能器的远场区距离衰减特性;根据气固界面透射原理,分析了超声波穿透试样的界面损失;通过实际检测试验分析了斜入射角度与透射系数之间的关系。研究结果为空气耦合超声检测方案的制定和参数选取提供了指导依据。

基于分区域自适应中值滤波的X射线图像缺陷提取

为了实现X射线数字图像的计算机智能分析和处理,研究了射线数字图像缺陷自动提取技术。以航空发动机叶片为研究对象,介绍了基于分区域自适应中值滤波的图像处理方法。根据图像不同区域内灰度变化特点进行不同方向的基于扫描线的一维中值滤波,并使滤波器的长度能随着缺陷尺寸自动调整,快速、准确地提取出被测试件的缺陷。试验结果表明,运用该方法进行X射线数字图像的缺陷提取,能有效避免缺陷的变形和失真,为缺陷的自动识别打下了良好的基础。