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第 38 卷 第 1 期 曾雪峰等： 基于空耦超声的复合材料黏弹性评价方法 111

得出两种方法对于橡胶材料的黏弹性的评价结果 铺层方向分别为 0 、45 /0 和 45 / − 45 。碳纤维
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是一致的，验证了空气耦合穿透法对材料黏弹性评 复合材料的示意图如图13所示。
价的可靠性和准确性。
2.2 实验及数据分析
2 检测系统及对碳纤维复合材料黏弹性 2.2.1 铺层方向为0 的碳纤维复合材料
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评价 (1) 求超声波在空气中的衰减系数a 1 (f)
将两探头之间的距离分别调节为 65 mm 和
2.1 检测系统及实验对象
空气耦合超声检测系统原理图如图 12 所示， 90 mm时，将探头接收到的超声波分别记为波形A 1
和波形A 2 ，其波形如图14所示。
由计算机 (基于 LabVIEW 的系统控制软件 NUAT-
21)、 NI 数 据 采 集 器 (PXT-1033)、 高 功 率 超 声 0.8
信号发射接收器 (Japan Probe Co., Ltd. JPR- ฉॎA 1
600C)、前置放大器 (增益为 60 dB)、空气耦合专 0.4
用平板探头 (频率为 0.4 MHz，压电晶片的尺寸为
14 mm×20 mm)等组成。 ॆʷӑࣨϙ 0
在材料黏弹性评价实验中，实验材料为碳纤
-0.4
维复合材料，其制作工艺为热压成型技术，且固化
工艺都是相同的，即：真空袋压，固化温度 120 C， -0.8
◦
200 220 240
固化时间 45 min。为了了解不同铺层方向对材料 ௑ᫎ/µs
黏弹性的影响，做了一批不同铺层方向且厚度为 (a) ฉॎA1
3 mm 的碳纤维复合材料，其中碳纤维复合材料的 0.8
ฉॎA 2
ᝠካ఻ 0.4
ॆʷӑࣨϙ
ᰴҪဋηՂԧၷଌஆ٨ ஝૶᧔ᬷӵ 0
ᰴܙᄞҒᎶஊܸ٨
-0.4
ԧ ଌ
࠱ ஆ
ଊ ଊ -0.8
݀ ݀ 260 280 300 320
௑ᫎ/µs
(b) ฉॎA2

图 12 空气耦合超声检测系统原理图 图 14 波形 A 1 和波形 A 2
Fig. 12 Air coupled ultrasonic testing system
Fig. 14 Waveform A 1 and A 2
schematic
接下来，对波形 A 1 和波形 A 2 第一个包络点画
线区域内进行频谱分析后，分别得到波形A 1 和波形
ᩔࡏவՔ 0O
A 2 的幅度谱，再根据超声波在空气中的衰减系数计
ᩔࡏவՔ 45O/0O
算公式，可求出衰减系数a 1 (f)，a 1 (f)与频率之间的
关系如图15所示。
ᩔࡏவՔ 45O/-45O
(2) 求超声波在材料中的衰减系数和相速度
将两探头之间的距离调整为 90 mm 时，在两
探头之间，放入与不放入复合材料时，将探头所接

图 13 碳纤维复合材料实物图 收到的超声波分别记为波形 B 和波形 A，如图 16
Fig. 13 Carbon fiber composite material diagram 所示。