CFRP 层板低能冲击损伤的非线性超声兰姆波检测技术研究

李承庚，陈振华,2,*，陈伟兵，卢 超,3

（1.无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），南昌 330063；2.中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190；3.赣南师范大学，江西 赣州 341000）

0 前言

碳纤维增强树脂基类复合材料（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）由于质量轻、强度高、耐疲劳、耐腐蚀、易于设计和加工等优点，被广泛应用于航空航天及相关工业领域[1]。低能量冲击损伤的外观表现为小于0.5 mm 的复合材料表面凹坑，称为勉强可见 (Barely visible impact damage,BVID)或不可见损伤，BVID 损伤可能会使结构强度下降至60%以下[2-4]。为避免复合材料结构件由BVID 损伤引起的安全隐患，对其进行定期的无损检测显得特别重要。基于超声导波的非线性传播特性可对波导结构早期力学性能的退化和内部损伤进行检测，其最大优势是可通过激发低频、模态简单的导波实现高精度检测。邓明晰[5]提出了应力波损伤因子的概念，并将其应用于固体板结构中疲劳、高温蠕变和表面现状的检测。Li 等[6]将Lamb 波二次谐波非线性技术应用于板材中热损伤检测。Matlack 等[7]将非线性超声导波应用于金属板结构中塑形应变、疲劳损伤等缺陷的检测。Masurkar 等[8]使用低频S0 模式对在近似相速度匹配的条件下准确地估计了材料的非线性特征进而评估结构特征。Patra 等[9]基于非线性系数对复合材料板疲劳拉伸损伤进行表征，获得良好效果。W.H.Ong 等[10]研究结果证实，依据已发表的材料性质或准静态的标准测量方法不能准确地计算模拟编织复合材料中的Lamb 波频散曲线，给CFRP 层板的非线性超声Lamb 波检测带来极大困难。此外，关于导波检测理论的研究方面，Deng[11]、Lima[12]等基于解析方法提出相速度匹配以及功率通量不为0 是非线性超声Lamb 波检测的重要条件；Jacobs 给出了第3 个条件为基波和二次谐波的群速度相等（匹配），但是关于群速度匹配的必要性仍存在争议[13-15]。

受编织组织结构的复杂性及其声学各向异性特性的影响，非线性超声Lamb 波检测技术很难对编织CFRP 层板的微小损伤进行有效的检测。本研究搭建非线性超声Lamb 波检测平台，分析低频Lamb 波在CFRP 层板中传播的模态结构并提出模态激励方法，提取和分析检测信号的线性特征参数及相对非线性系数与损伤状态的关联，最后提出编织CFRP 层板中低能量冲击损伤的非线性超声Lamb 波表征方法。非线性超声Lamb 波检测技术对于提高复合材料板中低能量冲击损伤的检测能力，保障相关构件的安全运行具有重要的应用价值。

1 非线性超声Lamb 波谐波检测条件及特征参数定义

非线性超声导波检测需满足相速度匹配和功率通量不为0 的2 个条件[7]，即：

最常用的二次非线性系数[16]为：

其中，常用相对非线性系数定义为：

式中：A2是二次谐波幅值；A1为基波的幅值；k为波数；x是导波传播的距离；f是与声学非线性参数β相关的特征函数，其值仅由材料属性物理性质决定。由于在本研究过程中声波传播距离x和波数k均基本保持不变，因此，采用相对非线性系数β′代替β表示材料非线性系数。

2 试样制备与试验方法

2.1 试样制备

检测试样为507 mm×510 mm×2 mm 的3k 平纹200 g 编织CFRP 层板，质量规格为200 g/m2，单层碳纤维布的厚度为0.2 mm，铺层方向为[0/90]4，共8 层。碳纤维复合材料性能参数如表1 所示，其中，E1、E2、E3为材料弹性模量；G12、G13、G23为材料剪切模量；ν12、ν13、ν23为泊松比；ρ为材料密度。

表1 碳纤维复合材料的性能参数Table 1 Performance parameter of carbon fiber composite material

采用自主设计的预制冲击损伤仪在复合材料板上制备3 个冲击能量各异的冲击损伤（图1a）。由半球形冲击弹头、光电计时器、弹道、底座、控制开关、皮管、电磁阀、计算机以及空气压缩机组成。其中，冲击弹头质量为304.4 g，长度为111 mm，弹头直径为16 mm，弹身直径为23 mm。通过调节电磁阀，控制空气压缩机出气口的压力；压缩机中的空气通过皮管进入弹道，推动弹头运动并冲击在试样上；光电计时器记录弹头的挡光时间并通过蓝牙传输至计算机，计算机根据式(4)自动计算得到试样受到的冲击能量：

图1 检测系统与试样Fig.1 Test system and sample

其中：m为冲击弹头质量，l为弹头长度，t为光电计时器记录弹头的挡光时间。

通过预制冲击损伤仪在复合材料板上冲击形成3、5、7 J 的冲击损伤，试样结构及各冲击位置如图1b 所示。图1c 显示7 J 冲击损伤处的复合材料背面出现冲击裂纹，图1d 显示5 J 冲击损伤处的未见可见的冲击裂纹，形成不可见损伤。

2.2 非线性超声检测系统搭建及试验方法

基于RITEC-RPR-4000 高功率脉冲发生和接收器搭建试验系统，系统工作频率为0.2～20 MHz，配备了低噪、宽带的接收器，其最大增益可达100 dB，可激发高达8 kW 且周期可调的高能射频脉冲信号。发射换能器为ϕ20 mm、中心频率为500 kHz的PZT 压电晶片；接收换能器为ϕ20 mm、中心频率 为1.25 MHz 的PZT 压 电晶片，−6 dB 带 宽为0.85～1.49 MHz，可有效接收二次谐波信号，接收换能器幅频特性曲线如图2a 所示。图2b 为非线性超声检测系统结构框图，输出端通过连接阻抗匹配将幅度280 V、频率500 kHz、4 周期的正弦激励信号输出至发射换能器，在CFRP 层板中激发Lamb波；为进一步提高二次谐波的接收灵敏度及抗干扰能力，接收信号还应输入至40 dB 的有源放大器、0.25～2 MHz 带通滤波器。两换能器的中心连线垂直于碳纤维编织经纱(y)方向相对布置，探头连线经过冲击中心，并使收发换能器中心间距为84.5 mm，换能器布置方式如图2c 所示。为避免随机因素对检测结果的影响，对于3、5、7 J 冲击处，每处重复测试10 次；此外，另选取3 个无冲击处提取检测信号，每处重复测试10 次。

图2 非线性超声检测系统示意图Fig.2 Schematic diagram of nonlinear ultrasonic testing system

3 复合材料板声学特征分析

通过试验方法测试CFRP 层板的声学各向异性特征，发射换能器放置在完好板中心位置，在以发射换能器为圆心、半径分别为50、75 mm 的1/4 圆周上接收Lamb 波信号（图3a）。定义纬纱x方向为0°方向，分别记录0°、45°、90°(经纱方向)圆周上的时域信号，并分析时域信号幅值随角度的变化（图3b）。由图3b 可知各方向的接收信号幅度有较大差异：0°方向测得的时域信号幅值最大，90°方向提取信号的幅度次之，而45°方向提取信号的幅度最小。超声Lamb 波在CFRP 复合材料层板中传播表现出明显的声学各向异性特征，Lamb 波沿纬纱方向传播的衰减最小。因此，在后续检测实验中，收发换能器连线应平行于纬纱布置以获得较高的检测波能量。

图3 声学特征分析Fig.3 Acoustic feature analysis

4 复合材料板Lamb 波模态分析

通过高低通滤波可将检测信号分离为基波信号和二次谐波信号，基波信号和二次谐波信号均由2 个在时域上相互分离的波包组成，按时间先后分别标示为波包1（时域范围为16～32 μs）、波包2（时域范围为32～48 μs），如图4a 所示。通过Disperse 软件绘制的2 mm 厚复合材料层板理论群速度频散曲线，采用Choil-Williams 时频分布与频散曲线相对比的方法，分析超声Lamb 波检测信号的模态构成，图4b、4c 中显示的是频散曲线与时频分布对比图，由图可知：检测信号中基波与二次谐波信号主要是S0 和A0 模态，且S0 模态群速度大于A0 模态群速度，即波包1 为S0 模态、波包2 为A0 模态。由图4d 的相速度频散曲线可知：S0 模态在0.5 MHz 时的相速度为3781 m/s，在1.0 MHz 时的相速度为3764 m/s，两者差距约为5‰，满足基波与二次谐波相速度近似匹配条件；A0 模态在0.5 MHz 时的相速度为1527 m/s，在1.0 MHz时的相速度为1860 m/s，两者差距约为21.8%，不满足基波与二次谐波相速度近似匹配条件。

图4 模态分析Fig.4 Modal analysis

5 超声Lamb 波检测特征参数分析

5.1 线性超声Lamb 波检测特征参数分析

为了在检测过程中获得足够的检测信号能量并降低材料自身非线性及材料不均匀性对检测结果的影响，同时又兼顾较大的检测范围，将换能器间距设置为84.5 mm，分别提取各冲击损伤及无冲击损伤的原始信号中波包1 幅度及其最大值、最小值、平均值，结果如图5 所示。图5a 中，各冲击状态下多次测量的检测信号波包1 的峰值随测量次数呈现随机波动，各损伤状态间的测量值也相互混杂以致无法区分。图5b 中，各损伤状态的检测信号中波包1 幅度的最大值、最小值、平均值随冲击损伤状态呈无规律的变化；因此，无法通过波包峰值评价冲击损伤程度，即基于线性超声的Lamb 波波包峰值不能表征编织CFRP 层板的冲击损伤程度。

图5 线性超声Lamb 波检测特征参数分析Fig.5 Feature parameter analysis of linear ultrasonic Lamb wave detection

5.2 非线性超声Lamb 波检测特征参数分析

基于波包1 计算每处损伤及未损伤区域的10 次采样信号的相对非线性系数，并统计多次采样信号的相对非线性系数的最大值、最小值以及平均值。图6a 显示多次采集的相对非线性系数确实存在一定波动，但还是能够反映损伤情况，表现为：从3、5 J 冲击损伤处提取的相对非线性系数最大，无损伤处提取的非线性特征次之，7 J 冲击损伤处提取的相对非线性系数最小。图6b 为相对非线性系数最大值、最小值以及平均值随损伤情况的变化趋势，以平均值为例：非线性系数在3 J 冲击能量处最大（为无冲击的200%），5 J 冲击试样的特征值略有降低（为无冲击的187%），而7 J 冲击损伤试样最小（为无冲击的57%）。因此，由较小冲击能量形成的不可见冲击损伤使得相对非线性系数明显增大，而较大的冲击能量形成的宏观裂纹使得相对非线性系数下降，CFRP 层板的微损伤对超声Lamb 波的非线性响应强得多。

图6 非线性超声Lamb 波检测特征参数分析Fig.6 Feature parameter analysis of nonlinear ultrasonic Lamb wave detection

6 结论

1）自主搭建非线性超声Lamb 波检测平台，通过将中心频率为0.5、1.25 MHz 的PZT 晶片作为收发探头，可在CFRP 层板中激发和接收S0 模态非线性超声Lamb 波，该模态Lamb 波满足相速度匹配条件。

2）相对非线性系数可用于表征线性超声无法检测的复合材料板3、5 J 不可见冲击损伤，并可评价不可见冲击损伤程度。

3）在7 J 较大冲击能量下形成的宏观可见冲击损伤的非线性超声Lamb 波响应很弱，非线性超声Lamb 波特征参数对宏观可见的冲击损伤并不敏感，不可用于宏观冲击损伤检测。