Page 42 - 2024中国无损检测年度报告
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束灵活控制的优势，已成为该领域的重要发展方 列超声线性 C 扫描成像方法，结合磁吸式扫查器，
向。研究团队结合国家自然科学基金重点项目《航 实现了对碳纤维复合材料修复层内部缺陷的高分
空复合材料缺陷阵列聚焦式空气耦合超声检测技 辨率、高精度成像。
术基础研究》，开展了空气耦合阵列超声换能器 传统的手动超声检测应用于大面积的管道复
形性协同设计研究，具体研究内容包括：①提出 合材料修复层时效率低下，无法检测缺陷全貌，
了基于空间脉冲响应的空气耦合阵列超声换能器 因此研究引入如图 6 所示的修复层自动超声扫查
声场的快速计算方法，并同有限元仿真计算的结 系统结构对修复层进行检测。该扫查系统主要由
果进行了对比验证，在此基础上确立了声场特征 双驱动单元、超声板卡和扫查轴等组成，通过上
的评价指标；②研究了空气耦合阵列超声换能器 位机的两个网口分别传输超声信号和电机驱动器
的拓扑参数、声学参数和激励参数对声场特性的 信号，驱动器控制驱动单元运动。其中，步进轴
影响机制，得到了换能器形性协同设计规律；③ 驱动单元可磁性吸附于管道表面，沿着垂直于管
研究了空气耦合阵列超声换能器制造和控制误差 道母线方向运动，扫查轴携带阵列超声检测探头
的建模表征方法，揭示了符合正态分布特征的制 沿着管道母线方向运动，从而进行管道修复层的
造误差对声场分布的影响机制；④提出了基于粒 栅格线性 C 扫描。
子群算法的空气耦合环形阵列超声换能器的参数
优化设计方法，建立了基于光声传感器的空气耦
合超声换能器的声场测量试验系统，进行了空气
耦合单探头的声场测量试验。空气耦合阵列超声
换能器声场计算与评价方案设计、优化设计和声
场测量评价试验系统设计如图 4，5 所示。
图 6 修复层自动超声扫查系统结构
通过对复合材料修复层试样使用扫查器采集
阵列超声 C 扫描数据，并进行后处理成像分析，
其中成像闸门均设置在二次回波位置，成像结果
如图 7 所示。
图 4 空气耦合阵列超声换能器声场计算与评价方案设计
图 5 空气耦合阵列超声换能器优化设计和声场测量评价
(a) 均质化 C 扫成像 (b) 声线示踪 C 扫成像
试验系统设计
图 7 复合材料修复层阵列超声 C 扫描成像结果
4 管道碳纤维复合材料修复层阵列超声检 结果显示，使用均质化声速法进行 C 扫描成
测系统 像，仅能对修复层层间脱黏缺陷进行检测，对修
管道碳纤维复合材料修复作为一种新型修复 复层管体界面脱黏缺陷和管体表面腐蚀缺陷均无
技术，被广泛应用于管道油气储运等多个领域 ， 法有效成像，且部分缺陷出现位移和形状发生畸
然而由于复合材料修复层的高衰减性、各向异性 变，这是由于声束无法有效聚焦引起的。而使用
和多层结构的影响，导致超声无损检测困难。为 声线示踪法进行 C 扫描成像，所有的层间脱黏缺
解决上述技术难题，引入一种基于声线示踪的阵 陷和界面脱黏缺陷均被检测成像，可以区分黏接
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