碳纤维复合材料管超声检测的试验研究

在正式的检测前要进行相关的校准，而声速是衡量材料声学性质的重要参数。实际检测中需要测量材料中的声速。下面介绍本实验测量声速的方法。

透射法测声速如图1所示

               图1透射法测声速示意图

使用游标卡尺测出管壁的平均厚度为d=5.97mm，再由示波器显示的始波和一次透射波间的时间差，可得出纵波穿透工件所用平均时间t=2.29us，声速v=d/t=2607m/s.

超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻

声阻抗的单位为克/平方厘米*秒（g/cm2*s）。 Z=p/C

由上式可知，声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘机。由u=P/Z不难

看出，在同一声压下，Z增大，介质的振动速度下降。因此声阻抗Z可理解为介

质对介质振动的阻碍作用。这类似于电学中的欧姆定律I=U/R，电压一定，电阻增大，电流减小。

声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量。超声波在两种介质组成的界面上

的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关，其关系式如下

                       r=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)    （2）  

             式中：r---------声压反射率

                   Z1--------第一种介质的声阻抗

                   Z2--------第二种介质的声阻抗

由式2可知当两种介质的声阻抗差值越大，反射率越高，在所检测的复合材料中，碳纤维和环氧树脂之间的声阻抗有差异，因此回波中会出现二者间的反射波，如果有分层等缺陷，则碳纤维和分层里的空气声阻抗差值更大，反射率较高，回波较高，能够同碳纤维/环氧树脂层区分开来。

   对已知缺陷分布的工件进行检测，得到回波波形图，显然缺陷处和非缺陷处的回波波形不同，现将他们列出，进行单独分析，通过计算缺陷处回波与上界面回波的幅度差，当此值大于一定数值时即为缺陷。下图3为缺陷处1的回波情况。

由公式20lg(B2/B1)(其中B1为上界面波高度，B2为缺陷波高度)可计算出回波幅度差为20lg（1510/340）=12.9dB，缺陷处回波和上界面回波的时间刻度差值为1.8us，根据公式⊿t*v/2，可计算出缺陷处距离上表面的距离，则缺陷距离表面的距离为1.8us*2607m/s/2=2.3mm.则检测的结果就是距离上表面2.3mm处有分层缺陷。     

由图4可知上界面到下界面的范围内没有明显突出的回波，很多的草状回波是由于复合材料/环氧树脂层界面反射而来。

同理得到管子的另一个缺陷的检测结果是回波幅度差为10.5dB，距离上表面的距离为4.2mm。回波波形图如下图5

 依据上述方法对待检工件进行检测，检测到一处缺陷，其波形图如图6。计算得缺陷和上界面波的回波幅度差为11.3dB,距离上表面的距离为1.8mm。

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