超聲無(wú)損檢測(cè)是通過(guò)超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，對(duì)試件進(jìn)行宏觀(guān)缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。
機(jī)翼的超聲波相控陣NDT檢測(cè)
超聲波無(wú)損檢測(cè)原理
超聲波檢測(cè)過(guò)程分為四個(gè)階段：①用某種方式向被檢測(cè)試件中引入或激勵(lì)超聲波；②超聲波在試件中傳播并與試件材料和其中的物體相互作用，使其傳播方向或特征改變；③改變后的超聲波有通過(guò)檢測(cè)設(shè)備被檢測(cè)到，并對(duì)其進(jìn)行分析處理；④根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)估試件本身及其內(nèi)部存在的缺陷的特征。用于發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行評(píng)估的基本信息有：①來(lái)自材料內(nèi)部各種不連續(xù)的反射信號(hào)的存在及其幅度；②入射信號(hào)與接收信號(hào)之間的聲傳播時(shí)間；③聲波通過(guò)材料以后能量的衰減。
超聲波無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種制件的無(wú)損檢測(cè)；穿透能力強(qiáng)，可對(duì)較大厚度范圍內(nèi)的試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。如對(duì)金屬材料，可檢測(cè)厚度為1～2mm的薄壁管材和板材，也可檢測(cè)幾米長(zhǎng)的鋼鍛件；缺陷定位較準(zhǔn)確；對(duì)面積型缺陷的檢出率較高；靈敏度高，可檢測(cè)試件內(nèi)部尺寸很小的缺陷；檢測(cè)成本低、速度快，設(shè)備輕便，對(duì)人體及環(huán)境無(wú)害，現(xiàn)場(chǎng)使用較方便。
超聲波檢測(cè)的局限性：對(duì)試件中的缺陷進(jìn)行精確的定性、定量仍須作深入研究；對(duì)具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的試件進(jìn)行超聲檢測(cè)有困難；缺陷的位置、取向和形狀對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定影響；材質(zhì)、晶粒度等對(duì)檢測(cè)有較大影響；以常用的手工A型脈沖反射法檢測(cè)時(shí)結(jié)果顯示不直觀(guān)，且檢測(cè)結(jié)果無(wú)直接見(jiàn)證記錄；需要耦合劑。
超聲檢測(cè)新技術(shù)
近年來(lái)，為了滿(mǎn)足新型飛機(jī)的零部件制造要求，飛機(jī)材料制造技術(shù)發(fā)展迅速，不斷涌現(xiàn)出新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)難以滿(mǎn)足飛機(jī)零構(gòu)件的檢測(cè)要求。例如，目前廣泛使用的常規(guī)超聲技術(shù)難以檢測(cè)型面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，部分復(fù)合材料不適合使用耦合劑，大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)難以進(jìn)行自動(dòng)、快速檢測(cè)以及外場(chǎng)檢測(cè)等。因此，需要發(fā)展新的技術(shù)以滿(mǎn)足新型飛機(jī)構(gòu)件的檢測(cè)要求。復(fù)雜型面檢測(cè)、非接觸檢測(cè)、快速檢測(cè)和外場(chǎng)檢測(cè)是新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的緊迫需求和發(fā)展方向。
針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)外已研究實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)超聲無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)的應(yīng)用。目前，波音、空客等飛機(jī)制造商已普遍采用大型噴水超聲C掃描技術(shù)對(duì)大型復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行快速自動(dòng)檢測(cè)；波音已將相控陣超聲技術(shù)用于復(fù)雜型面構(gòu)件的快速檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)特殊部位的全覆蓋掃描；空客已使用空氣耦合超聲技術(shù)檢測(cè)蜂窩夾芯構(gòu)件，檢測(cè)過(guò)程中不再使用超聲耦合劑；洛克希德·馬丁和空客公司已采用先進(jìn)的激光超聲系統(tǒng)對(duì)大型復(fù)雜型面部件進(jìn)行快速、自動(dòng)檢測(cè)；達(dá)索公司已將激光超聲系統(tǒng)用于在役飛機(jī)的現(xiàn)（外）場(chǎng)檢測(cè)；在國(guó)內(nèi)，水浸、噴水超聲C掃描技術(shù)已廣泛用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，但是對(duì)相控陣超聲、激光超聲、空氣耦合超聲等新型檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用相對(duì)國(guó)外較為滯后，現(xiàn)有技術(shù)難以解決飛機(jī)材料構(gòu)件的非接觸檢測(cè)、復(fù)雜型面檢測(cè)和外場(chǎng)快速檢測(cè)等問(wèn)題。
原理
水浸超聲檢測(cè)的原理是將探頭和試件全部或部分浸于水中，以水作為耦合劑，超聲波通過(guò)水進(jìn)入試件進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。其中根據(jù)探頭的種類(lèi)可分為A掃描、B掃描和C掃描，A掃描主要用于快速普查缺陷，B掃描采用數(shù)字成像技術(shù)，C掃描采用圖像處理技術(shù)。
美國(guó)PAC水浸超聲C掃描系統(tǒng)
水浸超聲檢測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)越性：
（1）探頭和試件不接觸，超聲波的發(fā)射和接收都比較穩(wěn)定。
（2）通過(guò)調(diào)節(jié)探頭角度，可方便地改變探頭發(fā)射的超聲束的方向，從而很容易地實(shí)現(xiàn)斜射聲束檢測(cè)，以及沿曲面或不規(guī)則表面進(jìn)行的掃查，對(duì)于獲得不同取向缺陷的最大回波高度也是有利的。
（3）由于表面回波寬度比發(fā)射脈沖寬度窄，可縮小檢測(cè)盲區(qū)，從而可檢測(cè)較薄的試件。
（4）由于探頭不直接接觸試件，探頭損壞的可能性較小，探頭壽命長(zhǎng)。
（5）便于實(shí)現(xiàn)聚焦聲束檢測(cè)，滿(mǎn)足高靈敏度、高分辨率檢測(cè)的需要。
（6）探頭可以在機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，減少影響檢測(cè)可靠性的人為因素。
航空航天復(fù)合材料雷達(dá)罩噴水/水浸C-掃描檢測(cè)系統(tǒng)
水浸超聲C掃描技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于大型的復(fù)合材料構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)就比較不方便，因此就有了噴水超聲C掃描技術(shù)的發(fā)展。目前噴水超聲C掃描技術(shù)已普遍應(yīng)用于飛機(jī)大型復(fù)合材料構(gòu)件的快速自動(dòng)檢測(cè)，可有效檢測(cè)出飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件中的分層、孔隙、脫粘、夾雜等各類(lèi)缺陷，具有適用范圍廣、準(zhǔn)確度高、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)。國(guó)外早已研制出標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)型噴水超聲C掃描系統(tǒng)，并廣泛用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)。
噴水超聲C 掃描系統(tǒng)
國(guó)內(nèi)仍然主要購(gòu)置國(guó)外設(shè)備用于飛機(jī)制造，缺乏自主技術(shù)和設(shè)備。
哈飛的噴水超聲C掃描系統(tǒng)
在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用
以北航自主研制的大型噴水超聲C 掃描系統(tǒng)為例來(lái)研究噴水超聲C掃描技術(shù)。
北航周正干等用其自主研制的大型噴水超聲C掃描系統(tǒng)按檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求分別進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料層壓板、等厚度蜂窩夾芯復(fù)合材料構(gòu)件和變厚度蜂窩夾芯復(fù)合材料構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)試樣的超聲C 掃描檢測(cè)測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果如圖所示。
碳纖維復(fù)合材料檢測(cè)
等厚蜂窩夾芯復(fù)合材料檢測(cè)
變厚蜂窩夾芯復(fù)合材料檢測(cè)
測(cè)試數(shù)據(jù)表明，研制的系統(tǒng)可檢出飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件中直徑2mm 以上模擬缺陷，檢測(cè)結(jié)果與試塊中預(yù)置缺陷尺寸、位置、形狀特征一致。目前，北航研制的大型噴水超聲C 掃描系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到工程應(yīng)用要求，并已在國(guó)內(nèi)某飛機(jī)制造廠(chǎng)投入使用。
原理
超聲相控陣技術(shù)已有50多年的發(fā)展歷史。相控陣超聲波檢測(cè)作為一種獨(dú)特的技術(shù)得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，在21世紀(jì)初已進(jìn)入成熟階段。
超聲波相控陣設(shè)備
1990s由電池供電的便攜式相控陣設(shè)備正式應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域。模擬設(shè)備需要電源及空間來(lái)創(chuàng)建可以控制聲束的多通道結(jié)構(gòu)，但是進(jìn)入數(shù)字時(shí)代后，成本低廉的嵌入式微處理器的快速發(fā)展推動(dòng)了下一代相控陣設(shè)備的快速發(fā)展。除此之外，低電電子元件、更好的省電結(jié)構(gòu)以及整個(gè)行業(yè)大量使用粘貼板的設(shè)計(jì)也推進(jìn)了新一代小型化的高級(jí)技術(shù)的發(fā)展。新一代的相控陣設(shè)備可以在一臺(tái)便攜裝置中進(jìn)行電子設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、顯示及分析，從此次相控陣技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用變得更為廣泛。
傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)采用單晶片探頭發(fā)散聲束。在某些情況下也采用雙晶片探頭或者單晶片聚焦探頭來(lái)減小盲區(qū)和提高分辨率。但是不管是哪種情況下，超聲場(chǎng)在介質(zhì)中均是按照一個(gè)單一角度的軸線(xiàn)方向傳播，限制了超聲檢測(cè)對(duì)于不同方向缺欠定性和定量的能力。因此，對(duì)于復(fù)雜幾何外形、大壁厚或者探頭掃查空間有限的情況檢測(cè)很難實(shí)現(xiàn)，為此就需要采用相控陣多晶片探頭和電子聚焦聲束來(lái)滿(mǎn)足上述情況的檢測(cè)要求。
傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)與相控陣列超聲的比較
在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用
超聲相控陣技術(shù)是當(dāng)今無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中最先進(jìn)的超聲檢測(cè)新方法。在型面復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)中具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適用于復(fù)雜型面的材料構(gòu)件和特殊部位的高精度檢測(cè)，在飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)中具有廣闊應(yīng)用前景。檢測(cè)結(jié)果以圖像形式顯示，為缺陷定位、定量、定性、定級(jí)提供了豐富的信息。
北航自主研制的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)
NDT Solutions公司的（NDTS，新里士滿(mǎn)，威斯康星州）FlawInspecta 64通道，高速超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)由吸盤(pán)連接到飛機(jī)機(jī)翼底部進(jìn)行MAUS無(wú)損檢查掃描單元。
原理
空氣耦合超聲技術(shù)是解決不宜使用聲耦合劑的特殊材料與結(jié)構(gòu)檢測(cè)問(wèn)題的途徑。該技術(shù)在檢測(cè)過(guò)程中不使用耦合劑，并且適合大型結(jié)構(gòu)的快速檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)非接觸式超聲波檢查，必須使超聲波效的發(fā)射到空氣中，穿過(guò)檢測(cè)工件，將接收信號(hào)進(jìn)行成像處理，所以必須解決三個(gè)問(wèn)題：第一，研制聲阻抗匹配層材料，實(shí)現(xiàn)探頭和空氣的最佳耦合；第二，研制超高功率發(fā)射接收器，實(shí)現(xiàn)向空中發(fā)射高功率的超聲波；第三，研制前置放大器，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的增幅。
a.空氣耦合超聲波C掃描成像系統(tǒng)PC和超聲波脈沖發(fā)生器接收機(jī)系統(tǒng)；b.X-Y掃描儀
空氣耦合超聲波檢測(cè)方法
空氣耦合超聲C掃描技術(shù)框圖
在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用
飛機(jī)蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造、使用中容易產(chǎn)生脫粘。目前，普遍采用超聲技術(shù)檢測(cè)此類(lèi)結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷。但是，泡沫夾芯、紙蜂夾芯復(fù)合材料構(gòu)件容易受到液體耦合劑的影響，常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)難以適用，空氣耦合超聲技術(shù)在此類(lèi)結(jié)構(gòu)的非接觸檢測(cè)中具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
北航設(shè)計(jì)了一套空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)，并用此系統(tǒng)檢測(cè)了蜂窩夾芯復(fù)合材料，制備預(yù)埋缺陷的紙蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試樣如圖所示。試樣蒙皮厚度約為1mm、蜂窩芯厚度約為10mm。蜂窩夾芯復(fù)合材料試樣的空氣耦合超聲C掃描圖像，其中缺陷特征清晰可辨，驗(yàn)證了空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于蜂窩夾芯復(fù)合材料脫粘檢測(cè)的可行性。
空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)
（a）蜂窩夾芯復(fù)合材料試樣
（b）空氣耦合超聲C掃描圖像
蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)
日本進(jìn)行的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的成像
原理
激光超聲是一種非接觸、高精度、無(wú)損傷的新型超聲檢測(cè)技術(shù)。它利用激光脈沖在被檢測(cè)工件中激發(fā)超聲波，并用激光束探測(cè)超聲波的傳播，從而獲取工件信息，比如工件厚度、內(nèi)部及表面缺陷，材料參數(shù)等等。該技術(shù)接合了超聲檢測(cè)的高精度和光學(xué)檢測(cè)非接觸的優(yōu)點(diǎn),具有高靈敏度(亞納米級(jí))，高檢測(cè)帶寬(GHz)的優(yōu)點(diǎn)。
激光超聲是利用高能量的激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，然后利用這種小熱層在材料內(nèi)部向四周熱膨脹擴(kuò)散產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而通過(guò)這種熱應(yīng)力產(chǎn)生超聲波。激光作用在材料上產(chǎn)生兩個(gè)熱特性區(qū)：灼燒區(qū)、熱彈區(qū)。
在高的能量作用下，物體的溫度升高超過(guò)了其蒸發(fā)溫度，原子以高速離開(kāi)物體表面，產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)量，這種產(chǎn)生超聲的模式稱(chēng)為熱蝕效應(yīng)。
當(dāng)激光器的能量不足在表面上形成腐蝕現(xiàn)象時(shí)，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波即超聲波，較低的吸收率下，表面吸收的熱量沒(méi)有超過(guò)其融化溫度，產(chǎn)生源是一個(gè)短暫的膨脹過(guò)程，與這個(gè)膨脹相關(guān)的壓力波絕大部分低于彈性范圍內(nèi)，這種模式稱(chēng)為熱彈效應(yīng)。
在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用
激光超聲檢測(cè)技術(shù)在上世紀(jì)九十年代晚期出現(xiàn)成熟的商用系統(tǒng)并最早在無(wú)縫鋼管產(chǎn)業(yè)開(kāi)始應(yīng)用。目前該技術(shù)的成熟工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到硅片檢測(cè)，激光焊接焊縫質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)控，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片檢測(cè)，飛機(jī)機(jī)身搭接腐蝕檢測(cè)，高溫陶瓷，金屬，復(fù)合材料檢測(cè)，電子元器件/半導(dǎo)體封裝質(zhì)量檢測(cè)，各種材料涂層缺陷檢測(cè)等眾多領(lǐng)域，針對(duì)其他應(yīng)用的商用系統(tǒng)也不斷成熟并走向市場(chǎng)。
激光超聲檢測(cè)技術(shù)在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)技術(shù)以脈沖激光在材料中激發(fā)超聲波，基于光學(xué)儀器對(duì)聲波進(jìn)行非接觸式的測(cè)量。檢測(cè)過(guò)程中不使用超聲耦合劑，并且具有高空間分辨力。脈沖激光能夠在與結(jié)構(gòu)表面不垂直條件下進(jìn)行超聲波的遠(yuǎn)距離激發(fā)和接收。因此，激光超聲檢測(cè)技術(shù)特別適合大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速自動(dòng)檢測(cè)，也可以外場(chǎng)應(yīng)用。技術(shù)難點(diǎn)在于聲波熱彈激勵(lì)的激光參數(shù)控制技術(shù)和高靈敏度、高重復(fù)頻率的激光探測(cè)技術(shù)。
非接觸激光超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)
由于激光超聲檢測(cè)技術(shù)有突出的優(yōu)點(diǎn)，常用于復(fù)雜的幾何形狀如：楔形結(jié)構(gòu)、拐角結(jié)構(gòu)、V型結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等。國(guó)外在航空工業(yè)及其他領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用效果。
下圖所示為碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料沖擊試樣測(cè)試工業(yè)型激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)的檢測(cè)性能，并與水浸超聲檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比，試樣幾何尺寸約150mm×100mm×5.8mm，試樣中心受沖擊作用產(chǎn)生大面積分層。采用脈沖反射法檢測(cè)，根據(jù)試樣底面回波幅度進(jìn)行C型成像。圖（a）是碳纖維復(fù)合材料沖擊試樣的水浸超聲C掃描圖，采用聚焦超聲探頭，探頭中心頻率約2.5MHz、焦斑直徑約6mm，掃描間距0.5mm。圖（b）是碳纖維復(fù)合材料沖擊試樣的激光超聲C掃描圖，采用帶通濾波器提取2~3MHz超聲頻率成分，掃描間距0.5mm。
對(duì)比下圖（a）、（b）得出，碳纖維復(fù)合材料沖擊試樣的激光超聲C掃描圖與水浸超聲C掃描圖在沖擊分層的形狀、位置和尺寸表征方面具有一致性。然而，由于復(fù)合材料試樣沖擊區(qū)域表面狀態(tài)變化和沖擊分層的不規(guī)則形式對(duì)激光超聲和水浸超聲檢測(cè)參量的影響不同，這會(huì)導(dǎo)致兩種方法在沖擊分層的定量方面存在差異。
利用激光超聲技術(shù)進(jìn)行無(wú)縫鋼管的壁厚在線(xiàn)測(cè)量不僅僅能縮短生產(chǎn)線(xiàn)的停工時(shí)間，更能改進(jìn)成品質(zhì)量，降低返工所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。
無(wú)縫鋼管壁厚在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)
激光超聲檢測(cè)技術(shù)則可以對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并向焊接機(jī)器人提供反饋，從而確保最終的焊縫質(zhì)量，大大降低返工率，提高生產(chǎn)效率。
激光焊縫質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
復(fù)合材料是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用的重要材料，在飛機(jī)上用量達(dá)到52%，直升機(jī)上用量甚至達(dá)到70%以上。目前越來(lái)越多的使用大型復(fù)合材料通用結(jié)構(gòu)件，而這些大型構(gòu)件價(jià)格不菲，一旦返工，損失就很大。這就要求改進(jìn)其設(shè)計(jì)和制造流程，在其制造過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)其質(zhì)量及缺陷。激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)則可以提供高精度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，及時(shí)為復(fù)合材料工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)件制造提供反饋信息，幫助穩(wěn)定工藝，提高產(chǎn)品的合格率，降低生產(chǎn)成本。
航空復(fù)合材料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)
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