1、关于无损评价的全国研讨会暨展览会论文集 空气耦合超声：模拟和实验研究复合材料衬垫文摘因为复合材料更高的比强度、较高的特定的刚度，耐腐蚀等特性，使得复合材料在各个领域都具有很高的重要性。它们被用来制作在航空领域运作在高热量和腐蚀性环境下的烧蚀喷嘴衬垫。对于这些在运载火箭和火箭的关键组件的复合衬垫，质量保证是非常重要的。缺陷分层、低密度区域可以显著改变这些衬垫因侵蚀而导致的导致任务失败。直到现在,射线照相检测(RT)是复合衬垫主要的无损检测技术。厚和大直径喷嘴衬垫需要非常高的能源在切向照射从而迫使线性加速器。介绍了超声波检测(UT)的目的是替换射线照相检测。超声波检测要避免使用液体耦合剂,因为这些
2、复合内衬垫是多孔性质的,液体耦合剂可能会进入衬从而影响性能和进一步处理。本文探讨了应用空气耦合超声无损检测系统的喷嘴衬垫使用的传播模式。空气耦合超声学是一个新兴的非接触式超声技术，避免了传感器和材料之间检测时的接触。传感器和设备旨在减少由于声阻抗不匹配而造成的能量的损失。有限元素分析是使用通用有限元来模拟复合材料的波传播与空气耦合和研究波在复合材料缺陷的相互作用。实验研究是进行复合标本。一个特别设计的七轴机械手系统是用于快速扫描的喷嘴衬垫空气耦合传感器。 1、介绍 复合材料越来越多的被使用在许多应用领域。他们具有力量,特定的刚度,定向可修整性等许多优点，是结构应用的首选。因为热,烧蚀和阻燃性能
3、,他们用于像烧蚀喷嘴这样的班机运行在非常高的热量和腐蚀性环境中。一般烧复合材料用于火箭或运载火箭的固体发动机维持燃烧的高温和速度气体的烧蚀喷嘴。硅酚醛和碳酚醛复合材料常用做喷嘴衬垫。本文探讨了关于空气耦合超声在喷嘴衬垫的无损检测方式的应用。有限元素分析是使用通用有限元来模拟复合材料的波传播与空气耦合和研究波在复合材料缺陷的相互作用。仿真结果与实验结果要定性比较。传输模式的空气耦合与放射照相和其他超声波技术在缺陷检测的比较。2、 烧蚀复合衬垫超声检测的可行性超声检测基于材料波互动现象,是一种无损性质的检测方法。通过在一个给定的波中传播,分析传输或反射信号中可获得的信息分析了传输或反射信号。超声波
4、是用于检测结构的变化,存在裂缝或其他不连续，测量的材料和表层厚度和工业产品的其他特性。它是用来定脱胶等复合产品的至关重要的间断分层。2.1传统超声波液体耦合剂: 传统的超声检测与液体耦合剂是通过回波脉冲技术或传输技术进行的。脉冲回波技术是使用一个传感器，通过指示信号的后壁回声反映缺陷的存在。传输技术使用了两个传感器,变送器和接收机组件的测试下，缺陷表现为减少或缺失传输的信号。这种方法有很好的灵敏度，但双方都需要通过组件和两个传感器完美的校准。不使用液体耦合剂是因为他们要避免测试时复合衬垫的多孔性,液体耦合剂可能进入里面衬垫从而影响性能和进一步处理。2.2干耦合的超声学: 在干耦合超声中,是采用
5、特殊的软橡胶倾斜探测,从而避免了使用硅橡胶液体耦合剂。干耦合脉冲回波技术的小尺寸组件是可行的。即使与传输技术相比不是适用于非均厚度和更高厚度的组件，但在这种情况下干耦合传播传输技术是适用软橡胶探针或辊探测。辊探测在传输技术中的应用使得测试更快和更容易相比,。由于探测器是压在产品上,需要适当的注意保持这种压力在一定范围内。2.3非接触超声学: 研究人员一直试图开发利用波现象的非接触式检测方法,其中包括光学、声、热、x射线和磁共振、激光超声波、电磁声传感器(EMAT)和空气耦合超声波以及那些试图实现非接触的方法测试。 3、 空气耦合超声学 空气耦合超声学是最近发展起来的超声波技术,它使用空气或天然
6、气作为耦合介质，空气耦合的发展模式将更多的应用于多孔超声波吸湿材料和医疗诊断。但是,现实是空气耦合超声波的耦合介质之间的声阻抗非常高。声阻抗Z是由于材料的密度和超声波通过材料的速度产生的，在空气中极高的超声波衰减进一步增加难度。然而,为了使空气耦合超声学成为现实,我们需要传感器和电子系统灵敏到足以在没有接触下测试传输和检测超声波媒介。当超声波从一个声阻抗较低的介质传播到声阻抗比较高的戒指的时候，一小部分能量传递给后者。 T = 4Z1Z2 / 【(Z1 + Z2)*(Z1 + Z2)】其中：T -介质的透射系数Z1-空气中的声阻抗Z2 -测试介质的声阻抗在传输媒介中的能量=20 log T (
7、dB) 马赫什C.巴德瓦杰对比了在非接触模式在不同的接口的材料传输系数和能量转移。通过使用组合传感器以及设备的改进设计,空气耦合技术现在已经成为现实检验工具。巴克利和马赫什C.巴德瓦杰对这些进行了详细描述。4、 建模与仿真研究 建模和仿真研究在获得物理问题的洞察力，优化实验参数进行有效的检测，实验数据的解释中发挥重要的的作用。 Castaings 曾在数值模型生成波在各向异性介质的有限空气耦合传感器和研究波之间的相互作用与缺陷。在我们的研究中,我们试图模拟和模拟使用商业有限元软件包有限元分析的生成和传播的波复合镀层使用空气耦合通过传播模式。采用有限元分析来显示动力学过程模拟波的传播。明确的计划
8、,如使用在有限元分析获得动态数量值在时间t + Dt完全基于t。 4.1空气中的波最初,模型试验模拟波在空气中传播媒介作为空气耦合超声波的耦合剂。2 D平面造型的空气域和相应的声学特性进行散装定义了模量和密度。尽管空气介质模仿与明确的控制体积,无限介质模拟分配漫散射平面交互属性在双方代表在图1。两个动态的、明确的步骤即激发和传播定义的。激励步骤期间,汉宁脉冲激励频率为400赫兹和15个周期在一个节点上应用一端和空气介质中的波传播进行分析在传播的一步。图1 图2汉宁脉冲以图形方式表示在图2。空气离散空间的元素维度的波长在媒体上传播波在给定的激励的频率。然后,在不同距离的发射机下声压的大小测量。结
9、果表明,振幅随着长度的增长衰减，在空气中的能量没有改变。4.2波生成复合镀层然后,造型表现产生波复合镀层使用空气耦合传播模式。二维模型的复合镀层和空气柱(耦合介质)在图3中表示。二维造型完成了平面应变假设。在第三维度方向(轴直于纸)被认为是无限的长度。发射机和接收机带耦合通过应用捆绑组合板使用空气柱约束。材料取向和属性也定义了复合镀层在本质上是各向异性的。 图3 CPE4R(双线性平面应变四边形减少了啮合复合板选择集成)和AC2D4R(线性二维声学四边形减少了空气介质选择集成)。两个动态定义步骤即激发和传播。在激发一步,声压在发射机应用地带。在波传播步骤,得到传播从发射机到接收机通过复合镀层。
10、后分析,平均声压级的接收方确定。后,模拟了研究复合材料厚度对波传播的影响。复合钢板的10毫米,20毫米和30毫米厚度为每种情况进行建模和分析。的分析结果推断的声压级接收端减少复合厚度增加。正常的声压在接收机下面的列表(表1)。 表1:声压的变化在接收机厚度4.3交互的波在复合镀层与缺陷建模是研究波的相互作用来完成的在复合镀层缺陷,如图4所示，造型板材料在小面积模拟复合材料板的分层等缺陷。然后,同样大小的缺陷是模仿分配声属性的空气和复合是受限的把所有的四方板。激发一步,前面被定义为传播步骤和交互波在传播与缺陷进行了研究的一步。分析后,声压级平均超过接收方确定。仿真结果表明,降低声压级,声压振幅测
11、量接收机结束还不到1%的幅度没有获得缺陷。 图4 5、实验研究我们使用400千赫QMISONDA007CX传感器设备为我们的实验研究。空气耦合超声波的操作频率一般是1 MHz,声音在空气中传播减少,更重要的是,在许多材料中，散射损失高得令人无法接受。传感器是两侧的标本和略调整旋转到最大振幅，其目的是研究信号振幅的变化在无缺陷和有缺陷区域的差别。扫描是通过探测固定和移动标本的振幅在缺陷区域信号获得约10%的振幅得到良好的地区,定性地证实了在我们的仿真结果研究(0.014%)。由于差异的主要原因，仿真和实验可能造成约束如下:一)汉宁400 KHz频率用于脉冲模拟研究而猝发音400 KHz的脉冲频率
12、是用于实验。二)平面换能器在模拟而模仿集中传感器用于实验。6、 应用空气耦合超声波在检测在大和厚的复合衬垫中会有真正的应用。一个碳酚醛尔喷管内衬有很多分层，使用干耦合脉冲回波技术分层区域映射，然后空气耦合设备用于发现这些缺陷。结果显示应用这一技术进一步的产品给了我们很大的信心。7 -轴机械手实现精确定位和取向探针测试时喷嘴的衬垫的表面，班轮可以覆盖在两个方面：1、线性扫描:遍历探针的增量表的位置旋转。2、通过保持圆周扫描:旋转表探针固定在增量的位置。 结果关于超声检测法所得结果与使用辊探针。图5显示了一个喷嘴的测试班轮。通过保持在恒定距离传感器,材料厚度和衰减增加增加，与此同时,它减少了航空旅
13、行的距离传感器。这一因素纳入测试时考虑。 图57、 结论超声波在缺陷检测和表层测试与空气耦合剂是最重要的发展之一。进行仿真和实验研究可以更好的理解空气耦合超声波和比较的结果。仿真和实验之间的变化是由于造型的限制。进一步的研究并改善造型。复合喷嘴衬垫使用空气耦合扫描超声系统，结果发现匹配与那些通过射线检测和超声检测辊干耦合调查。相比干燥的耦合，时间减少测试是最令人印象深刻的超声检测因素。也这减少了不确定性在干燥的压力耦合的应用。,射线检测使复合喷嘴衬垫减少到最低限度。8、 确认 我们感谢Subramoniam副总经理(现已卸任),他在实现机械手有价值的建议。我们是感谢m . Enamuthu V
14、SSC副主任（复合材料实体)的鼓励和导演,VSSC允许提交这篇论文。参考文献1. Mahesh C. Bhardwaj, Non-Contact Ultrasound The final frontierin non-destructive analysis, Encyclopedia of Smart Materials,edited by A. Biderman, John Wiley & sons, New York, 20012. Buckley J M, Air Coupled Ultrasound A Millennial Review,Proc. of BINDT Confere
15、nce, 2000.3. Mahesh C. Bhardwaj, High transduction Piezoelectric transducersand introduction of Non-Contact analysis,www.NDT.net, January5(1) (2000).4. Castaings M, et.al, Single Sided Inspection of CompositeMaterials Using Air Coupled Ultrasound, Journal of Nondestructive Evaluation, 17(1) (1998) pp. 37-455. ABAQUS User Manual
