环形阵列超声换能器的全聚焦成像方法及其应用

在检测高衰减的大厚度构件时，相控阵超声声束在非聚焦区域的声能量损失严重，采用线阵或矩阵超声换能器的检测精度和最大检测深度常难以满足要求。首先，建立了合成声束三维声场分布模型，分析了不同阵列超声换能器的空间声场能量分布特点，发现环阵超声换能器在相同聚焦深度处的声场特性更好，同时具有阵元数量少、声束焦斑沿轴线中心完全对称等特点。然后，建立了一种采用环阵超声换能器的全聚焦方法（TFM，Total Focusing Method），并基于试样群速度测量结果对各向异性材料中的聚焦算法进行了优化。在这种方法中将所采集到的全矩阵数据沿换能器中心轴线进行重建，可实现沿深度方向的逐点无穷聚焦。最后，利用所研制的阵列超声C扫描自动检测系统对预埋有缺陷的3D打印钛合金试样进行了对比检测实验，结果表明采用全聚焦成像算法的环阵超声换能器能实现55 mm试样内部直径0.8 mm、深度5.0 mm平底孔和横孔缺陷的精确检测，相对于常规的动态聚焦算法有更高的检测信噪比和定量精度。     

先进无损检测技术在复合材料缺陷检测中的应用

针对飞机复合材料构件全生命周期无损检测问题,介绍喷水超声C扫描技术、相控阵超声技术、空气耦合超声技术、激光超声技术和红外热成像技术在复合材料检测中的最新应用.研制大型喷水超声C扫描系统和新型超声、红外检测系统并开展试验研究,采用喷水超声方法,实现了蜂窝夹芯复合材料构件的C扫描检测;采用相控阵超声检测方法,实现了碳纤维复合材料R角检测;采用空气耦合超声方法,实现了蜂窝夹芯复合材料检测和PMMA板的导波检测;采用激光超声方法,实现了碳纤维复合材料分层检测;采用红外热成像方法,实现了蜂窝夹芯复合材料结构检测.研究表明,提出的超声、红外检测技术可以用于飞机复合材料构件全生命周期的大型结构检测、复杂结构检测、非接触检测、高精度检测和外场快速检测.     

航空复材构件R区相控阵超声检测研究进展

航空碳钎维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)构件通常具有几何形状复杂的R区结构,提高该区域缺陷检测质量对于保证航空构件的承载性能至关重要。本文结合声学建模及声传播规律仿真分析,确认了CFRP构件R区同时存在叠层、曲面及弹性各向异性3方面特点,导致超声波垂直入射难、声传播路径扭折、结构噪声强和声耦合效果差等问题。基于相控阵超声检测(Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT)技术,针对R区尤其是变厚度、变曲率和变角度情况下缺陷检测难题,重点综述了换能器研发、基于信号后处理的超声成像、固体柔性耦合介质及辅助工装研发等方面的研究进展,分析了当前研究存在的主要问题及未来发展方向。     

复合材料帽型结构热压共固化成型质量研究

在共固化工艺条件下,采用不同结构芯模制备了复合材料帽型加筋构件。基于超声相控阵无损检测技术,分别开展了帽型结构不同部位成型质量检测与分析。针对帽型构件帽顶处的表面形状利用相控阵B扫进行了表征;通过闸门定位技术检测了帽边成型精度;查明了帽型结构卧边和蒙皮结合界面质量与超声衰减系数间的关联规律,提出了利用超声衰减系数表征共固化成型界面质量的量化模型。同时,在无损检测基础上,结合显微金相分析,对超声相控阵检测结果从微观的角度进行了验证,最终确定Φ12mm孔硅橡胶芯模为该工艺条件下的最佳芯模结构。     

超声换能器脉冲波声场数值计算与测试

 对超声无损检测中影响缺陷检出率和缺陷评价准确性的换能器脉冲波声场分布特性进行了研究。提出了一种计算超声换能器脉冲波声场声压分布的新方法,计算了不同带宽的换能器脉冲波声场声压分布。研制了测量换能器脉冲波声场的实验系统,实验结果与通过理论计算得到的声场声压分布有较好的一致性。研究结果为仿真换能器脉冲声场提供了一种新方法,同时为提高超声检测的缺陷检出率和缺陷评价的准确性提供了理论依据。     

复合材料T-形R区超声反射法检测与缺陷判别

R区缺陷的检测是碳纤维复合材料结构中无损检测的焦点,针对此问题,以T-形R区为例,通过研究入射超声波在复合材料结构T-形R区产生回波信号及其特征,在典型超声检测试验验证分析基础上,提出了一种适用于复合材料结构T-形R区在线超声检测方法。系列超声检测与验证结果表明:采用水膜耦合超声检测技术,通过选择不同的声波入射方向,可有效地实现复合材料结构中T-形R区的覆盖检测;根据来自T-形R区的超声回波信号的时域特征可有效地进行缺陷的判别和确定检出缺陷所在铺层位置;表面检测盲区可达0.13mm(即单个复合材料铺层厚度)。解剖验证结果显示了超声检测结果与实际工艺缺陷的良好一致性。     

搅拌摩擦焊焊缝阵列超声全聚焦成像检测技术

针对航天薄壁铝合金搅拌焊焊缝的高精度、高分辨率检测应用需求,开展了阵列超声全聚焦成像检测技术研究。基于斜楔块耦合下横波多次反射全聚焦优化算法搭建了阵列超声检测系统,利用该系统对厚度为6 mm搅拌摩擦焊焊缝不同位置处的Φ0.35 mm横孔进行了相控阵超声扇形扫描成像和阵列超声全聚焦成像检测对比试验。试验结果表明,两种方法均能够有效检测出焊缝中心或热力影响区的横孔,但阵列超声全聚焦成像检测技术在信噪比和纵向分辨力方面更具优势,该技术的发展为航天领域复杂构件高精度、高分率、高可靠性检测难题的解决提供了新的思路和途径。     

相控阵超声检测技术在某型飞机撑杆焊缝检测中的试验研究

焊缝是飞机起落架承受交变应力和冲击力较多的部位,常常是疲劳裂纹的多发部位.根据起落架焊缝损伤特点,在比较多种检测方法的基础上,确定了相控阵超声检测方法,制作了与检测件完全一致的对比试块.经建模与试验,相控阵超声检测可以有效地检测焊缝疲劳裂纹,根据试验过程提出了在实践检测中需要解决的问题.     

超声相控阵在飞机RTM复合材料结构中的应用

在役飞机RTM复合材料结构的缺陷检测是保障飞机安全的必要工作,本文介绍了飞机RTM复合材料结构,并采用超声相控阵方法对RTM试验件结构和冲击损伤进行了检测。试验结果表明:超声相控阵技术能够对RTM结构和缺陷进行有效检测。     

T 形焊缝超声相控阵检测的计算机辅助技术

超声相控阵技术在T形焊缝中的应用表现出其明显优势,但声波在T形焊缝中的辐射区域不能形象界定,且回波来源的位置得不到准确地判断。针对T形焊缝的结构编译了超声相控阵检测辅助软件,对试样中的人工孔检测表明:采用计算机辅助技术可以实现T形焊缝超声相控阵扇扫声束覆盖及回波信号的识别。     

分布式数字相控阵通道一致性校准方法

基于分布式数字相控阵通道一致性校准需求,提出了一种新的有效解决方法。首先基于时域相干的时延估计算法纠正通道间时延差,而后利用基于最小二乘拟合的频域均衡算法实现通道间幅相一致性校准。利用MATLAB平台进行仿真分析,结果表明,利用此方法校正后,失配通道与参考通道在通带内的幅度差值在0.015d B内,相位差值在0.1°内,有效地实现了通道间一致性校准作用。该方法已成功应用于实际工程项目中。     

Ka波段高增益圆极化机载微带天线阵的设计与实现

设计、分析、制作了一种工作在Ka波段的4单元高增益、圆极化机载微带天线阵列。利用顺序旋转阵列和串并馈方式的微带线网络馈电,显著改善了天线的轴比带宽和驻波带宽,减少了馈线损耗,实现了高增益。采用L型微带调配枝节对贴片单元进行匹配,便于组阵,解决了阵列空间布局不合理的难题;馈电网络和天线单元集成在同一介质基板上,易于加工和制作。测试结果表明:该天线阵具有高增益和良好的圆极化特性,从而证实了该方法的正确性和实用性。本文所设计的天线由于具有体积小、质量轻、结构紧凑、易于集成等优点,在机载相控阵雷达以及卫星通信系统中具有很好的应用前景。     

基于Lamb波相控阵和图像增强方法的损伤监测

利用Lamb波和超声相控阵理论对结构进行损伤监测。选择合适的低频窄带激励信号,产生单一模式Lamb波,结合超声相控阵技术对结构进行多方位监测。针对原始损伤图像不完美的问题,研究基于点运算的对比度增强方法,改善图像质量,提高图像的可识别度和分辨率。在复合材料板结构和铝板结构中针对不同损伤类型的实验研究证明,运用图像增强技术后的损伤图像表征清晰、识别度高。     

相控阵天线方向图仿真与分析

相控阵天线目前广泛应用于雷达中,促进了多目标、多任务雷达的发展。但随着电扫描角度的变化,其诸多指标也随之变化,对雷达的性能产生直接影响,因而对相控阵天线方向图进行实时定量分析具有重要意义。文章基于相控阵天线的基本原理,利用LabVIEW语言开发了相控阵天线方向图仿真软件。软件设置了相控阵天线各影响参数的输入控件,通过图形和数值2种方式进行仿真结果的显示,并以表格文件存储。通过不同条件下的仿真结果对比分析,软件可合理有效地对相控阵天线方向图进行实时定量的仿真分析,可应用于相控阵雷达的性能分析和评估中。     

相阵列技术在民机机体气动噪声研究中的应用

麦克风相阵列测量技术是进行民机机体气动噪声研究的主要手段。针对民机机体气动噪声,开展了闭口风洞麦克风相阵列测量技术研究。提出了一种适用于闭口风洞气动噪声测量的阵列优化设计方法,分别设计了适用于民机增升装置、起落架气动噪声测量的阵列。将麦克风相阵列技术应用于某飞机增升装置缩比模型、起落架缩比模型气动噪声闭口风洞试验。研究结果显示：利用侧壁阵列清晰地识别出了增升装置主要气动噪声源,并显示出降噪措施的降噪效果;利用组合阵列,实现了较宽频率范围内起落架气动噪声源探测,识别出了起落架主要气动噪声源。     

相控阵雷达导引头波束稳定技术研究

 相控阵雷达导引头已成为新型空空导弹制导系统的首选,相控阵雷达导引头应用在空空导弹上需要首先解决导引头波束稳定的技术难题。本文基于波束指向在惯性空间不变性原理提出一种相控阵雷达导引头波束稳定算法,对影响相控阵雷达导引头隔离度性能的主要因素进行了仿真分析。仿真结果表明:该算法可以实现相控阵雷达导引头波束惯性空间指向稳定并且满足工程应用要求;通过减小速率陀螺数据周期和波束控制周期,及引入速率陀螺传输延时补偿算法可以提高导引头的隔离度性能。     

常规闭口风洞相阵列气动声学试验

传统气动声学研究观点认为,精确的声学测量要求风洞背景噪声和洞壁反射足够低,传声器测量结果有足够高的信噪比,这是大多数风洞无法达到的要求。近些年,基于声纳和雷达技术发展起来的麦克风相阵列技术可以通过增加阵列的传声器数目从而大幅提高声学测量的信噪比,具有噪声源研究和定位能力,并被成功地应用于非声学固壁风洞噪声源测量和噪声物理机制研究。作者基于相阵列波束生成频域算法研制出常规闭口风洞相阵列系统及相关技术,在FD-09风洞尝试进行了相阵列校准试验和某民机噪声测量试验。结果表明：相阵列技术能够准确捕捉到真实的校准声源,并从技术上验证了相阵列系统在常规闭口风洞测量气动噪声是有效的。     

弹载共形相控阵天线拓扑结构分析

以弹载多模复合制导雷达导引头为应用背景,在未考虑极化的情况下,首先建立了任意有向阵列的方向图函数;然后,采用同心圆等角度、同心圆等间距以及矩形栅格 3种不同配置方式,建立了锥面共形相控阵天线模型,推导了不同配置方式下天线阵列方向图函数;通过比较其方位面及俯仰面的副瓣电平,得出结论:同心圆等间距配置方式是锥面共形相控阵雷达导引头天线单元的最优配置方式。