飛機蒙皮超聲波相控陣技術及應用

（中國民用航空飛行學院,四川 廣漢 618307）

0 引言

飛機蒙皮在飛行過程中起承受局部氣動力并傳遞機身的剪力和扭矩，維持飛機外形的穩定性的作用。由于蒙皮長時間直接暴露于外界環境的同時還要承受交變應力，極易產生腐蝕、疲勞裂紋等損傷。若損傷未被及時發現，損傷將繼續擴展，形成航空安全隱患。

針對上述情況，基于超聲波相控陣技術對飛機蒙皮進行準確早期診斷提供了一種可靠的途徑，以確認蒙皮是否損傷以及損傷的位置和深度，對飛機使用的安全性具有重要意義。

1 超聲波相控陣概述

1.1 超聲波相控陣原理及特點

超聲波相控陣技術是通過計算機控制相位可控的多芯片探頭（換能器陣列）產生由時間聚焦法則界定的超聲波，該波束在被檢結構中在不同的角度輻射，以實現在不同深度上聚焦，多芯片探頭接受回波信號后將信號匯聚，形成傳送至探測器[1]。與傳統超聲波相對，相控陣主要優點包括，速度快、靈活性好、電子配置、探頭小巧、復雜檢測、缺陷檢出率高和多視聲成像。

1.2 超聲波相控陣掃描方式

超聲波相控陣可采用多種方式進行掃描，主要掃描方式有：雙向掃描、單向掃描、直線掃描、偏向掃描、螺旋掃描和周向掃描。超聲波相控陣掃描方式具體描述見表1。

表1 超聲波相控陣掃描方式

螺旋掃描適用于圓柱體端面的檢測。也需要兩個編碼器，用其中一個編碼器調整旋轉角度，另一個編碼器用于半徑方向的調整。適用于圓柱體工件的檢測。需兩個編碼器，一個掃描編碼器用于繞圓柱體的連續移動，另外一個進位編碼器用于沿圓柱體長度方向的連續移動。周向掃描

1.3 超聲波相控陣顯示模式

超聲波相控陣圖像顯示的大多數顯示模式類似于工程圖紙的平面投影圖，通常有5大類視圖：A顯示、B顯示、C顯示、D顯示和S顯示[2]，另外根據工作需要還可以組合顯示。各種基本顯示模式位置關系見圖1超聲波掃描圖像顯示。

圖1 超聲波掃描圖像顯示

（1）A顯示。A顯示的顯示方式有兩種。其中一種是矯正后的波幅，這種顯示方式是將正負軸的波幅的絕對值疊加顯示；另一種是未矯正的波幅，正負半軸都出現波幅。橫軸顯示的是聲程、時間或真實深度；豎軸顯示的是信號強度的百分比，非矯正幅值從-100%到100%，矯正幅值從0%到100%。（2）B顯示。B顯示的豎軸上顯示的是時間，深度或聲束路程，橫軸顯示的是探頭在檢查過程中移動的距離。視圖中的數據是編碼器收集的信息。（3）C顯示。C顯示的橫軸顯示的是探頭在工件表面移動的距離，豎軸顯示的是探頭在掃描方向的長度。視圖中顯示的是編碼器收集的信息。（4）D顯示。D顯示的橫軸顯示的是時間，深度或聲束路程，豎軸顯示的是探頭在掃描方向移動的長度。（5）S顯示。S顯示視圖中顯示的數據與相控陣探頭的特點（如聲束路徑，折射角，反射波和掃描軸）有關。橫軸顯示的是聲束與探頭的距離，豎軸顯示的是超聲軸。S顯示是A顯示的所有數據形成的扇形掃描的視圖，包括起始角度，終止角度以及角度的分辨率都與A顯示的特征一致。

1.4 相控陣探頭

超聲波相控陣檢測的關鍵是獲得通常由相控陣探頭（換能器陣列）產生的所需聲場。相控陣探頭將一系列聲學上獨立的換能器以一定組合排列。相控陣探頭晶片通常比常規超聲波探頭偏小，換能器陣列通過控制每個壓電晶片的激勵順序和時間延遲，控制聲束的方向和模式，從而控制聚焦點的位置和大小等、產生方向可控的波形。

無損檢測中，傳統超聲波探頭通常有兩種類型：一種僅包含一個晶片，該晶片既用于產生又用于接收高頻聲波;另一種包含一對晶片，即一個晶片用于發射聲波，另一個用于接收聲波。相控陣探頭通常是一個換能器組件。該組件包含16到256個不同尺寸的小型獨立晶片，每個晶片都可以單獨觸發。

相控陣探頭根據陣列排列的不同，主要排列為線形、環形和面形，如圖2換能器陣列幾何示意圖。

圖2 換能器陣列幾何示意圖

其中，線陣探頭的應用最為廣泛，因為它易于加工，發射和接收的延遲電路控制簡單。環形陣列由于不能通過聲束偏轉來控制，因此大多用于醫學領域。

現在用于航空NDI（Non-Destructive Inspection）檢測的相控陣探頭是由壓電復合材料制成，其結構為一系列壓電棒均勻分布在環氧樹脂當中。與傳統探頭相比，相控陣探頭的換能器在靈敏度方面高出10～30 dB。

相控陣探頭工作頻率通常在2 MHz至10 MHz的范圍內，低頻換能器穿透力強，高頻換能器分辨率及清晰度高。和傳統的超聲波探頭一樣，相控陣探頭可以安裝楔形物，形成一個用于直接接觸檢測的角梁組件。

2 飛機蒙皮檢測的典型應用

2.1 檢測方法

超聲波相控陣技術在波音飛機的應用中目前主要在蒙皮搭接處下蒙皮，檢測因劃傷產生的裂紋。檢測的蒙皮厚度范圍為0.81～6.35 mm，表面允許有厚0.18 mm以下的漆層。蒙皮厚度0.81～1.10 mm范圍內可檢測厚度50%深的裂紋，1.10～6.35 mm范圍內可以檢測0.51 mm深的裂紋，檢測裂紋長度約為5 mm[3]。典型的蒙皮搭接處及裂紋檢測部位見圖3所示。

波音推薦的相控陣儀是RD Tech公司生產的型號MX儀，如果使用其他型號儀器需經波音評估和批準。相控陣為彩色扇形掃描（S掃描）圖像，缺陷是紅色（綠色本底）。收用10MHz頻率，橫波聲束角度35°～80°，使用兩個探頭楔塊，N60S（中心聲束角度60°）用于檢測0.81～3.94 mm厚蒙皮；N45S（中心聲束角度45°）用于檢測3.96～6.35 mm厚蒙皮。為覆蓋裂紋檢測區，試塊的刻槽有A、B、C三個位置，A槽在下蒙皮的搭接內、B槽在搭接處、C槽在搭接的附近?？滩坶L度有5 mm，深度分別為0.25 mm、0.38 mm和0.51 mm，用于檢測不同厚度的蒙皮。使用低粘度輕質的對蒙皮無腐蝕的耦合劑。

圖3 典型的蒙皮搭接及裂紋檢測部位

2.2 檢測

去除探頭掃描去的漆層（寬約20 mm左右）和搭接處的密封膠。搭接處不能涂過多的耦合劑，以免漏檢或產生假顯示。掃描時，探頭應始終接觸在上蒙皮，掃描速度不能超過限定掃描速度。如果圖像中沒有顯示緊固件，可以適當提高增益，直到出現顯示，但評價缺陷時，應恢復原檢測靈敏度水平。如果在刻槽附近位置出現顯示，在相應位置上作標記。

2.3 結果評定

位于刻槽附近±5°角和楔塊前沿到各刻槽距離（PA距離）的-1.8 mm至0.95 mm范圍內的顯示應懷疑是裂紋顯示，進一步判斷如下：（1）將儀器恢復至相應的校準靈敏度重新掃描。（2）如果仍有顯示的話，將探頭移離上蒙皮端，探頭移動時顯示不隨之移動，則表明不是裂紋而是噪聲顯示。（3）檢描并清除搭接處殘留的膠或多余的耦合劑重新掃描，有漆層的話，去除漆層重新檢測。打開懷疑有裂紋顯示的搭接區，使用渦流方法確認。

3 結束語

超聲波相控陣不僅提高檢測效率，而且還通過S、C掃描視圖輕松發現和確定缺陷。飛機蒙皮損傷的及時檢出保障了民航飛行安全。隨著超聲波向著便攜化、自動化的發展，超聲波相控陣將得到更加廣泛的應用。