[发明专利]一种基于背散射信号分析的复合材料孔隙率检测方法

说明书

技术领域

    本发明属于复合材料与无损检测技术领域，具体涉及一种基于超声脉冲反射背散射信号分析的复合材料孔隙率检测方法。

背景技术

随着碳纤维复合材料(CFRP)在航空航天和车辆等方面的广泛应用，对其内部缺陷的检测也日趋重要。利用超声无损检测方法对CFRP内部孔隙率进行评价是CFRP制造过程中的重要环节。现有的超声检测技术手段中，比较成熟的有利用超声波透射被测工件后的能量变化，测量超声波在通过被测工件后的声速、声阻抗等声学特征参数变化。这些方法都涉及到信号底波参数的测定。对于曲面变厚度CFRP材料，其不规则的几何结构可导致信号严重衰减，造成检测信号的底面反射回波十分微弱甚至消失，此时可以利用信号始波和底波之间的背散射信号，提取背散射信号的某些特征参数来评价材料孔隙率。如US7757558B2公开的采用斜入射的超声波对复合材料进行检测，得到背散射信号时域特征与孔隙率之间的关系，但是该方法实施过程较复杂，检测效率不高。因此有必要设计一种简便可行的背散射信号特征分析方法来识别复合材料孔隙率。

发明内容

本发明提出一种简便高效、适应性强的基于超声背散射信号分析的复合材料孔隙率检测方法。

本发明的基于背散射信号分析的复合材料孔隙率检测方法，包括如下步骤：

1)利用超声脉冲反射法对已知孔隙率复合材料试块进行检测，超声采样频谱不小于100MHz；

2)提取步骤1）采集的检测信号始波和底波之间的背散射信号；

3)对步骤2）提取的背散射信号进行快速傅里叶变换生成频谱；

4)对步骤3）获得的频谱中主频衰减3dB以内的频谱进行分析，取其中频率幅值最大点，设该幅值为A₀，求出该最大点两侧幅值为0.707A₀时对应的频率点，计算这两个频率点之间的频谱能量值，获得3dB带宽频域能量；

5) 用超声脉冲反射法对待测孔隙率的复合材料进行检测，超声采样频谱不小于100MHz，再次进行上述步骤2)~4)，获得待测孔隙率的复合材料的3dB带宽频域能量；

6）将获得的待测孔隙率的复合材料的3dB带宽频域能量a与已知孔隙率复合材料试块的3dB带宽频域能量b相比较，若a>b, 则待测孔隙率复合材料的孔隙率高于已知孔隙率复合材料试块的孔隙率；若a<b, 则待测孔隙率复合材料的孔隙率低于已知孔隙率复合材料试块的孔隙率；若a=b, 则待测孔隙率复合材料的孔隙率等于已知孔隙率复合材料试块的孔隙率。

本发明的有益效果是能在不利用底波特征的情况下对复合材料孔隙率进行检测，需要调节的变量仅为背散射信号采样点以及频谱频率的取值范围，即可得到3dB带宽频域能量特征。相对于同类型检测方法，该检测方法简便高效，适应性强。由于没有用到检测信号底波特征，对于曲面变厚度复合材料的孔隙率检测尤为有效。

附图说明

图1是本发明超声检测原理图；

图2是本发明两块不同孔隙率复合材料试块的检测信号时域图；

图3是图2中检测信号的背散射信号频谱图；

图4是图3中背散射信号频谱3dB带宽频域能量柱状图；

图中：1、耦合介质，2、耦合介质容器，3、超声换能器，4、复合材料试块，5、试块支架，6、显示设备，7、输入设备，8、工控机，9、超声采集卡。

具体实施方式

结合图1所示，本发明检测装置的基本构成包括：耦合介质（通常为水）1、耦合介质容器2、超声换能器3、试块支架5、显示设备6、输入设备7、工控机8和超声采集卡9。复合材料试块4是指实际被要求进行孔隙率超声检测的复合材料试块。耦合介质1盛放于容器2中。超声换能器3采用宽频带水浸耦合超声换能器。试块支架5用于支撑复合材料试块4。显示设备6用于对检测信号及处理后结果进行显示。输入设备7用于输入检测参数（增益、声速和闸门等）及保存检测信号等操作。超声采集卡9安装于工控机8上，超声采集卡9能够实现超声脉冲收发、信号A/D转换等功能。其中超声采样频率不小于100MHz。采用上述装置对已知孔隙率的复合材料试块4进行脉冲反射超声检测，得到脉冲反射检测信号。