Page 233 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 郭占玲等： 空气耦合超声检测复合材料研究综述 229

0.8 大影响。Murat 等 [30] 利用三维有限元模型研究了

௄Ꭵᬞ ܭՌ౜ᅾॎᎥᬞ 复合材料平板分层缺陷对 A0 模态 Lamb 波的散射
0.6 ᅾॎᎥᬞ ܫʽ᛫᭧ͯረ
特性。结果表明，分层缺陷的形状对整个散射声场
[90/G45/G-45]s 分布规律的影响不大；分层缺陷的宽度对散射指向
Abs(w) 0.4 性有很大的影响；散射声场的周向分布几乎与分层

长度无关，而分层深度对散射声场幅值有显著影响。
0.2
Pain等 [31] 提出了一种从空间特定区域内阵列接收
的数据中提取散射矩阵的方法，采用平均散射矩阵
0
0 2 4 6 8 10
x⊳H 法研究了由不同波纹度引起的散射变化，显示了检
(a) ᝍౢขᆑቃᅾॎᎥᬞங࠱ྲভ 测和量化碳纤维复合材料部件中小尺度离面方向
纤维波纹度的潜力。
10 ங࠱ڀฉ FBH ቈߘ
1.5 压 电 式 空 气 耦 合 超 声 换 能 器 制 造 技 术 研
YT void

0 ݃ࡏ
究现状

Eqsa void
ڀฉ૝ࣨ/dB -20 Kirchhoff void Eqsa+D2W 片 与 空 气 的 巨 大 声 阻 抗 差 异 (约 30 Mrayl vs.
-10
压 电 式 空 气 耦 合 超 声 换 能 器 中 压 电 晶
YT
Born+D2W
-30
Born ా᠏ 0.000425 MRyal) 导致极少的超声能量进入空气
-40 Eqsa 中，不利于信号的检测。制备压电复合材料减小晶
-50 片的声阻抗以及制备匹配层进行声阻抗匹配，可
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
ka 以增强入射到空气中的超声能量。1-3 型压电复合
(b) DDBAဝেᤃͫขവલᮕ฾තӑᨸ˗ాྭ 材料可以显著提高其厚度机电耦合系数，同时降低
6 机械品质因素和声阻抗，在实验研究和实践运用较
5 MBA 广泛。
SOV
4 如图 9所示，1-3型压电复合材料的制备方法主
3 要有排列填充法、切割填充法、失模铸造法、激光切
૝ࣨ 2 割法、水射流切割法、注塑法和 3D 打印法。切割填
1
充法相对简单，成本低且加工一致性好，被广泛应用
0
到商用 1-3 型压电复合材料的生产上。然而压电陶
-1
瓷在切割过程中因砂轮磨损严重、摩擦和振动导致
-2
-1.0 -0.5 0 0.5 1.0 槽宽变化、切槽两侧崩边现象、切口表面材料退极
௑ᫎ/ms
化、切割表面裂纹多，甚至出现切割过程中压电柱
(c) ᨂ˗ုॎ݃ాྭ (R=1.0 mm) ᄊᑢфڀऄ
的断裂。槽宽变化会影响压电柱的一致性，使压电
图 8 超声与复合材料缺陷交互特性研究 [24]
晶片的品质因数变差以及在共振频率附近的相位
Fig. 8 Ultrasonic and composite material defect
变化，最终导致发射和聚焦后的声波发散，影响检测
interaction characteristics research [24]
精度和效果。孙敏等 [32] 开展实验与仿真结果对比
郑阳等 [28] 对各向同性板中 Lamb 波与裂纹缺 发现主瓣宽度与理论计算结果存在误差，认为阵元
陷的交互作用时的模态转换及二维散射特性进行 的分布不均匀、相邻阵元的中心间距存在误差和单
了系统研究。Hervin 等 [29] 采用有限元模拟和实验 个阵元表面的振动状态不同是引起振动幅度一致
测量研究了准各向同性碳纤维增强复合材料层压 性误差的原因。而表面裂纹则易在振动过程中出现
板椭圆形分层缺陷处的导波传播及散射特性。结果 裂纹扩展加速老化最终导致压电柱断裂失效。目前
表明分层缺陷形状的微小变化对分层顶部的干涉 针对压电陶瓷切割机理的研究及其对压电复合材
图像有显著影响，但对离缺陷一定距离的散射波的 料性能的研究相对较少。对压电陶瓷的切割机理进
指向性影响有限；由于子层压板的不同叠层，分层 行研究，抑制切割产生的损伤，提高加工质量及压电
缺陷的深度对散射波的周向分布规律和幅值有很 柱的一致性，对提高其性能具有重要意义。