Page 96 - 《应用声学》2021年第4期
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合稳定性与耦合水柱“质量”直接相关，耦合水的流
0 引言
动状态、气泡、流速等因素都影响水柱“质量”。这些
在高速列车等先进制造领域，高性能金属材料 因素与喷水系统的设计相关，例如超声探头耦合喷
与具有优异性能的复合材料获得了广泛应用 [1] 。在 头的结构设计仍掌握在少数国外设备制造商手中，
这些先进材料的生产制备和加工成型过程中，难以 受国外专利保护 [8] 。复合材料由于衰减较大，常采
完全避免产生裂纹及内部界面分离等缺陷。这些 用低频(1 MHz)探头，其直径相对较大，影响检测分
缺陷的存在会导致材料的使用性能显著下降，而无 辨率，并需加长喷嘴长度才能形成层流，因此需要根
损检测技术是保障新材料及构件安全服役的重要 据应用需求进行探头结构设计。国内关于喷水系统
措施。 的设计依据和技术相关性的研究较少。本文计划基
喷水式超声检测是某些大型的金属构件和复 于喷水式超声耦合检测原理，开展喷水探头结构及
合材料制件无损检测的常用方法，甚至是唯一可行 耦合水循环系统设计研究工作，并结合试验分析检
方法。相比于水浸式超声检测，喷水式超声检测具 测工艺对检测性能的影响。
有以下优势：(1) 不需要庞大的耦合水槽；(2) 可以
用于检测某些不适合长时间浸泡在水中的材料构 1 喷水式耦合超声C扫喷水系统设计
件 [2] 。波音、空客等飞机制造商已普遍采用大型喷
1.1 喷水式耦合超声检测原理
水超声 C 扫描技术对大型复合材料构件进行快速
自动检测；ICI Fiberite公司采用九轴C扫描对蜂窝 喷水式耦合超声检测是将探头安装在特殊设
泡沫夹心等复杂结构的复合材料构件进行无损检 计的水套内，如图 1 所示。具有一定压力的耦合水
测。麦道公司专为曲面构件设计的第五代自动超声 在水套的腔体内汇集，然后经喷嘴喷出形成射流水
扫描系统可在 9 个轴向运动，并能同时保证探头与 柱。探头激发的超声波先后经过水套腔体、喷嘴流
工件表面垂直 [3−4] 。中国哈飞集团也采购了英国超 道、射水柱最后到达工件表面，再通过水 -工件界面
声波科学有限公司 (USL) 生产的超声波 C 扫喷水 进入工件内部，实现声耦合过程。
复合材料检测系统用于复合材料层压板和蜂窝夹 喷水式耦合超声检测的检测方法分为反射法
心材料的检测 [5] 。 和穿透法。反射法是只有一个喷头和一个探头，既
喷水耦合式超声 C 扫检测技术近年来发展迅 发射超声波又接收超声波。根据脉冲反射回波来判
速，国内相关学者已开展过相关研究。如王柄方 断是否存在缺陷，根据回波幅度对缺陷进行定量，
等 [6] 研究了检测工艺参数对喷水 C 扫检测结果的 根据回波时序对缺陷进行定位。穿透法是两个喷头
影响；周正干等 [7] 对检测系统的组成进行相关研究， 和两只探头分别置于工件相对的两侧，一个发射超
并自主研制了检测设备。与水浸超声检测技术相 声波，另一个接收超声波，根据脉冲波穿透工件之
比，喷水耦合超声的缺点是声耦合稳定性不高，因 后的能量变化来判断有无缺陷，根据超声波穿透工
此，研究喷水耦合超声检测的声耦合稳定性的影响 件后能量变化情况来判断工件的内部质量；当工件
因素是该技术得以应用的关键。喷水式超声的声耦 内无缺陷时，超声波穿透工件后被接收探头所接收；
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图 1 喷水式超声耦合检测示意图
Fig. 1 The detection method of ultrasonic squirter transmission
