飞机蒙皮超声波相控阵技术及应用

（中国民用航空飞行学院,四川 广汉 618307）

0 引言

飞机蒙皮在飞行过程中起承受局部气动力并传递机身的剪力和扭矩，维持飞机外形的稳定性的作用。由于蒙皮长时间直接暴露于外界环境的同时还要承受交变应力，极易产生腐蚀、疲劳裂纹等损伤。若损伤未被及时发现，损伤将继续扩展，形成航空安全隐患。

针对上述情况，基于超声波相控阵技术对飞机蒙皮进行准确早期诊断提供了一种可靠的途径，以确认蒙皮是否损伤以及损伤的位置和深度，对飞机使用的安全性具有重要意义。

1 超声波相控阵概述

1.1 超声波相控阵原理及特点

超声波相控阵技术是通过计算机控制相位可控的多芯片探头（换能器阵列）产生由时间聚焦法则界定的超声波，该波束在被检结构中在不同的角度辐射，以实现在不同深度上聚焦，多芯片探头接受回波信号后将信号汇聚，形成传送至探测器[1]。与传统超声波相对，相控阵主要优点包括，速度快、灵活性好、电子配置、探头小巧、复杂检测、缺陷检出率高和多视声成像。

1.2 超声波相控阵扫描方式

超声波相控阵可采用多种方式进行扫描，主要扫描方式有：双向扫描、单向扫描、直线扫描、偏向扫描、螺旋扫描和周向扫描。超声波相控阵扫描方式具体描述见表1。

表1 超声波相控阵扫描方式

螺旋扫描适用于圆柱体端面的检测。也需要两个编码器，用其中一个编码器调整旋转角度，另一个编码器用于半径方向的调整。适用于圆柱体工件的检测。需两个编码器，一个扫描编码器用于绕圆柱体的连续移动，另外一个进位编码器用于沿圆柱体长度方向的连续移动。周向扫描

1.3 超声波相控阵显示模式

超声波相控阵图像显示的大多数显示模式类似于工程图纸的平面投影图，通常有5大类视图：A显示、B显示、C显示、D显示和S显示[2]，另外根据工作需要还可以组合显示。各种基本显示模式位置关系见图1超声波扫描图像显示。

图1 超声波扫描图像显示

（1）A显示。A显示的显示方式有两种。其中一种是矫正后的波幅，这种显示方式是将正负轴的波幅的绝对值叠加显示；另一种是未矫正的波幅，正负半轴都出现波幅。横轴显示的是声程、时间或真实深度；竖轴显示的是信号强度的百分比，非矫正幅值从-100%到100%，矫正幅值从0%到100%。（2）B显示。B显示的竖轴上显示的是时间，深度或声束路程，横轴显示的是探头在检查过程中移动的距离。视图中的数据是编码器收集的信息。（3）C显示。C显示的横轴显示的是探头在工件表面移动的距离，竖轴显示的是探头在扫描方向的长度。视图中显示的是编码器收集的信息。（4）D显示。D显示的横轴显示的是时间，深度或声束路程，竖轴显示的是探头在扫描方向移动的长度。（5）S显示。S显示视图中显示的数据与相控阵探头的特点（如声束路径，折射角，反射波和扫描轴）有关。横轴显示的是声束与探头的距离，竖轴显示的是超声轴。S显示是A显示的所有数据形成的扇形扫描的视图，包括起始角度，终止角度以及角度的分辨率都与A显示的特征一致。

1.4 相控阵探头

超声波相控阵检测的关键是获得通常由相控阵探头（换能器阵列）产生的所需声场。相控阵探头将一系列声学上独立的换能器以一定组合排列。相控阵探头晶片通常比常规超声波探头偏小，换能器阵列通过控制每个压电晶片的激励顺序和时间延迟，控制声束的方向和模式，从而控制聚焦点的位置和大小等、产生方向可控的波形。

无损检测中，传统超声波探头通常有两种类型：一种仅包含一个晶片，该晶片既用于产生又用于接收高频声波;另一种包含一对晶片，即一个晶片用于发射声波，另一个用于接收声波。相控阵探头通常是一个换能器组件。该组件包含16到256个不同尺寸的小型独立晶片，每个晶片都可以单独触发。

相控阵探头根据阵列排列的不同，主要排列为线形、环形和面形，如图2换能器阵列几何示意图。

图2 换能器阵列几何示意图

其中，线阵探头的应用最为广泛，因为它易于加工，发射和接收的延迟电路控制简单。环形阵列由于不能通过声束偏转来控制，因此大多用于医学领域。

现在用于航空NDI（Non-Destructive Inspection）检测的相控阵探头是由压电复合材料制成，其结构为一系列压电棒均匀分布在环氧树脂当中。与传统探头相比，相控阵探头的换能器在灵敏度方面高出10～30 dB。

相控阵探头工作频率通常在2 MHz至10 MHz的范围内，低频换能器穿透力强，高频换能器分辨率及清晰度高。和传统的超声波探头一样，相控阵探头可以安装楔形物，形成一个用于直接接触检测的角梁组件。

2 飞机蒙皮检测的典型应用

2.1 检测方法

超声波相控阵技术在波音飞机的应用中目前主要在蒙皮搭接处下蒙皮，检测因划伤产生的裂纹。检测的蒙皮厚度范围为0.81～6.35 mm，表面允许有厚0.18 mm以下的漆层。蒙皮厚度0.81～1.10 mm范围内可检测厚度50%深的裂纹，1.10～6.35 mm范围内可以检测0.51 mm深的裂纹，检测裂纹长度约为5 mm[3]。典型的蒙皮搭接处及裂纹检测部位见图3所示。

波音推荐的相控阵仪是RD Tech公司生产的型号MX仪，如果使用其他型号仪器需经波音评估和批准。相控阵为彩色扇形扫描（S扫描）图像，缺陷是红色（绿色本底）。收用10MHz频率，横波声束角度35°～80°，使用两个探头楔块，N60S（中心声束角度60°）用于检测0.81～3.94 mm厚蒙皮；N45S（中心声束角度45°）用于检测3.96～6.35 mm厚蒙皮。为覆盖裂纹检测区，试块的刻槽有A、B、C三个位置，A槽在下蒙皮的搭接内、B槽在搭接处、C槽在搭接的附近。刻槽长度有5 mm，深度分别为0.25 mm、0.38 mm和0.51 mm，用于检测不同厚度的蒙皮。使用低粘度轻质的对蒙皮无腐蚀的耦合剂。

图3 典型的蒙皮搭接及裂纹检测部位

2.2 检测

去除探头扫描去的漆层（宽约20 mm左右）和搭接处的密封胶。搭接处不能涂过多的耦合剂，以免漏检或产生假显示。扫描时，探头应始终接触在上蒙皮，扫描速度不能超过限定扫描速度。如果图像中没有显示紧固件，可以适当提高增益，直到出现显示，但评价缺陷时，应恢复原检测灵敏度水平。如果在刻槽附近位置出现显示，在相应位置上作标记。

2.3 结果评定

位于刻槽附近±5°角和楔块前沿到各刻槽距离（PA距离）的-1.8 mm至0.95 mm范围内的显示应怀疑是裂纹显示，进一步判断如下：（1）将仪器恢复至相应的校准灵敏度重新扫描。（2）如果仍有显示的话，将探头移离上蒙皮端，探头移动时显示不随之移动，则表明不是裂纹而是噪声显示。（3）检描并清除搭接处残留的胶或多余的耦合剂重新扫描，有漆层的话，去除漆层重新检测。打开怀疑有裂纹显示的搭接区，使用涡流方法确认。

3 结束语

超声波相控阵不仅提高检测效率，而且还通过S、C扫描视图轻松发现和确定缺陷。飞机蒙皮损伤的及时检出保障了民航飞行安全。随着超声波向着便携化、自动化的发展，超声波相控阵将得到更加广泛的应用。