复合材料内部应力波传播检测原理及技术

声-超声波检测原理如图3.2-1所示。采用超声波换能器作为发送器，在工件内激发应力波，并在工件的同一表面，按固定的距离设置声发射换能器作为接收器。检测的目的是评定材料内部应力波传播的相对效能。测量的基本属性是应力波转换，从而可更好地测量动态应变能的传输与分布。其工作的前提是较为有效的能量转换和再分布对应复合材料内部强度与稳定性的增加。这一假设是基于应力波相互作用的概念。它认为，在断裂的一开始瞬间，自发的应力波除非它们的能量消耗在其他机制（如微裂纹偏移的塑性变形）上，否则这些能量将促使微断裂快速开展。换而言之，为了使能量不集中或者限制在局部区域内以致形成灾害性的断裂，它的前提是来自裂纹集结侧的应力必须能以低的衰减迅速有效地传递开去。这一假设中一个十分重要的含义是，材料的波的衰减特性是极为重要的。具体对复合材料来说，低的衰减通常是指高的强度与抗冲击性。

图3.2-1 声-超声波检测原理

大量研究试验已经有力地证明了声-超声波技术测量复合材料相对应力波能量消耗特性的能力。然而，需要做的进一步工作是，建立在复合材料中裂纹集结与损伤积累方面的上述假设，需要较好地理解对用以询问复合材料良性超声波的衰减与加载期间自然发生的应力波的衰减两者之间的区别与联系。目前，还没有完全满足于描述超声波和应力波与控制力学性质、动态响应的因素相互作用的微力学的或微结构学的模型。合适的模型是，应能精确测定弹性性质、纤维-基体粘接质量、纤维/基体比值、基体气孔含量、类似因素对应力波的作用程度以及材料对应力波相互作用的响应。

声-超声波检测是用一对超声波压电换能器探头于发送/接收构形的超声波传输检测方法的泛化。优选一个发送脉冲换能器用作波的产生，再优选一个接收换能器以感受途经被测工件的信号。通常，最为方便的设置是将两换能器置于同一探头内，使两换能器置于被检工件同一表面，以固定间距检测。

声-超声波检测不同于常规超声波方法的主要是接收信号的性质。不同于超声波检测中反射（回波法）与传播路径中（传输法）意义明确的波形；声-超声波方法要求接收到的信号是，发送与接收换能器之间工件一定体积内声波与材料微结构相互作用与多重反射的结果。在声-超声波检测过程中，可能出现体波、导波和几种类型的板波（兰姆波）。在波长相对于工件的主要线度（如厚度）是可以比拟的，或是略小于的，即通常所谓导波形状的复合材料壁板内，弯曲兰姆波往往占优势。(www.xing528.com)

在声-超声波检测中，选择发送换能器的中心频率与接收换能器的带宽和灵敏度是极为关键的。对复合材料壁板选择发送器，应使其产生的波长比在检测体积内所有来自分散的不连续与微结构特征间相互作用的多重波的波长稍短一些，这对检测是有利的，这样还必将引起具有强衰减率的高超声波频率成分。接收器必须很灵敏，尤其必须具有覆盖通过工件所有频率的带宽。

声-超声波检测像其他超声波检测技术一样，存在着检测原理上的固有的局限性。声-超声波检测无疑存在着所有以测量绝对和相对声波的衰减与速度来评定材料质量技术所共有的局限。与常规超声波检测技术相比，主要的不同在于声-超声波检测目的不仅限于测量明显的宏观不连续的存在。超越宏观不连续检测的是，通过检测可表征分散的微观不连续的工况与细致的材料异常。声-超声波检测对所用探头灵敏度和信号重复性的要求，对事先难以预测的各种材料来说，无疑是不适用的。

另外，除了工件厚度与材料的变化以外，所有与换能器-工件的配置有关的，诸如所加压力、耦合形式与效果、工件表面粗糙度、换能器的准直、发送和接收换能器的距离与位置、接收换能器的带宽、共振频率、内部阻尼与固有灵敏度等众多因素，都将作用于声-超声波信号，影响材料特征的揭示。

为了保证随机波的传播与感受微小不连续的集结效应，要求能传送与感受尽可能高的超声波频率带。然而，由于表面粗糙度效应，探头的准直与耦合以及有关的因素，使得被整体材料传输的信号发生了变化，这就不得不以增加检测的灵敏度来作为补偿。在声-超声波检测中，为使信号有效而具再现的能力，要求对检测的配置和程序的建立必须十分细致。

声-超声波检测成功用于复合材料、粘接接头和类复合材料的例子很多。已收集到的这些例子，多数是为了寻找与建立该项技术的试验理论基础。这些例子展示了这一技术的优点，并指出了其在材料研究、制造过程与使用环境中创造性的应用所获得的可喜成果。