复合材料蒙皮-加强筋接头缺陷单脉冲超声表征与评估＊

刘菲菲，刘松平，2，李治应，李乐刚，杨玉森，傅天航，常海峰

（1.中国航空制造技术研究院，北京 100024；2.中航复合材料有限责任公司，北京 101300）

随着复合材料技术的发展，许多先进的飞机型号都设计采用了大量的复合材料结构[1-2]，一些非常关键的飞机结构，例如，机翼、机身等，均已设计采用了复合材料结构[2]。特别是基于各种复合材料蒙皮-加强筋连接的复合材料承力结构中的设计应用，普遍受到业内的广泛关注。一方面，这类复合材料结构的设计、制造难度大、尺寸大，结构也较为复杂；另一方面，这类结构通常属于承载比较大的受力结构，对其内部的缺陷/损伤的容限要求通常比较高。而复合材料结构中的连接部位在这类受力结构中又起到加强和载荷的传递作用。因此，复合材料壁板接头部位质量对整个结构的承载和受力传递尤为重要。由于这类复合材料结构的铺层曲率变化大，制造工艺复杂，纤维铺叠存在几何变化等，对成型过程中模具的贴膜度要求非常高，从而增加了在蒙皮-加强筋接头产生缺陷的风险。因此，复合材料蒙皮-加强筋连接区缺陷表征与评估一直是业内高度关注的焦点。

目前有关复合材料无损检测，行业内开展过超声检测[3-6]、X射线检测[7-9]、红外检测[10-12]、激光电子散斑检测 （ESPI）[13]、高频脉冲涡流检测[14]、微波检测[15]、Teraherz（THz）检测[16]等方面的研究。然而，这些研究没有涉及蒙皮-加强筋接头的无损表征与评估，而且仅从检测方法上，X射线、红外、ESPI、涡流、微波等检测方法也不适合复合材料蒙皮-加强筋连接接头的缺陷准确表征与评估。相比而言，超声是一种比较可行的检测方法，因为复合材料超声评估与超声波在其内部的传播行为密切相关[17]。而蒙皮-加强筋接头内部结构 （如铺层）及缺陷的存在将会改变入射声波在其内部的传播行为，基于此变化可以用于复合材料及其特殊部位的缺陷表征与评估。但通常需要针对被检测的复合材料接头部位及其特点，研究建立相应的连接部位超声评估方法。针对复合材料圆柱形筒体加强筋部位的粘接缺陷检测，Bastianini等[18]研究了超声接触回波法评估的可检性，但不适合本文中提出的蒙皮-加强筋接头的超声表征与评估。

由于复合材料铺层结构的特征，采用常规超声检测存在检测分辨率低和表面检测盲区大的问题。因此，超声检测中的分辨率和表面缺陷的检出能力一直是复合材料检测领域非常关注的技术问题[18-20]，蒙皮-加强筋接头的超声评估需要超声检测表面盲区和检测分辨率达到单个复合材料铺层的厚度。

本文针对复合材料蒙皮-加强筋接头铺层与几何特征、成型工艺特点、可能存在的缺陷行为，研究了一种单脉冲超声方法 （Mono-pulse ultrasonic technique，MU）；分析了入射声波在蒙皮-加强筋接头区的纵波反射行为、入射方向选择、回波信号接收和脉冲宽度确定方法；设计制备了含有预制缺陷和实际工艺缺陷的碳纤维复合材料蒙皮-加强筋接头试样；构建了MU检测系统；研究了含有不同缺陷的复合材料蒙皮-加强筋接头的超声信号特征与形成机制；分析了超声脉冲回波信号和成像特征形成规律；构建了复合材料蒙皮-加强筋接头缺陷超声表征与评估方法和判据。系列试验结果表明，采用MU新方法可以得到非常高质量的时域可分辨的单脉冲超声回波信号；显著地改善了入射声波在蒙皮-加强筋接头区形成的超声信号的时域可分辨性，更加有利于提高蒙皮-加强筋接头区缺陷检出和定性定量能力，大大改进了检出缺陷的深度定位的准确性；通过MU信号的时域特征及其成像特征可以有效地进行蒙皮-加强筋接头区富树脂、分层、脱黏的表征与识别及评估；表面检测盲区达到1个复合材料铺层厚度 （约0.125 mm）；检出缺陷大小偏差最小可达0.0 mm，最大不超过1.0 mm，检出缺陷的深度定位偏差和厚度测量偏差最小可达0.6%。为复合材料结构蒙皮-加强筋接头提供了一种非常有效的缺陷检测与评估方法，已经取得了很好的实际检测应用效果。

1 单脉冲超声方法和检测系统

1.1 单脉冲超声方法

如图1（a）所示，利用超声换能器向被检测复合材料蒙皮-加强筋接头区发射脉冲超声波u0I，此脉冲超声通过耦合介质（如水），传播到蒙皮-加强筋接头区，并与蒙皮-加强筋接头相互作用，在其内部形成反射脉冲声波图1中，u0I表示入射声波；uiR表示反射声波，i=0，1，…，n；t为声波传播时间；viR为接收声波信号。由于unR是来自蒙皮-加强筋接头区内部材料对u0I的弹性响应，当蒙皮-加强筋接头区内部的微结构、界面连接行为发生变化或者出现缺陷时，会影响蒙皮-加强筋接头区对u0I的弹性响应，当这种弹性响应足够明显时，就会引起显著的声波反射行为，进而在蒙皮-加强筋接头区形成unR，unR经换能器压电转换为对应的脉冲回波信号如果能够使vnR中的每个脉冲回波信号viR在时域上可分辨，就有可能确定发生弹性响应变化的区域和位置，进而用于蒙皮-加强筋接头缺陷的表征与评估。影响viR时域可分辨行为的因素主要有：（1）viR的脉冲回波信号宽度tw（图1（b））； （2）构成viR的单个脉冲回波信号的宽度tT（图1（c））； （3）构成viR的脉冲个数，即脉冲周期数N（图1（b）和（c））。其中，tw与tT和N有关，即tw=N×tT。对于垂直入射超声纵波检测，tw直接影响超声波在复合材料蒙皮-加强筋接头区的表面检测盲区和纵向分辨率。如图1所示，使入射声波从蒙皮一侧垂直入射，为了能够提取到来自不同铺层间可能存在缺陷的超声反射信号，实现蒙皮-加强筋接头缺陷的超声表征和评估，尽量使入射声波脉冲宽度tw满足式 （1）的要求。

图1 蒙皮-加强筋连接接头单脉冲超声方法原理Fig.1 Principle illustration of mono-pulse ultrasonic (MU) method for composite skin-rib joint

式中，hp为单个复合材料铺层的厚度；vp为入射声波在复合材料铺层中的传播速度。

在其他条件一定时，提高超声波的频率有助于减小tw，但频率的提高会显著增加超声波在复合材料中的衰减，进而影响缺陷的检出和表征。在频率一定的情况下，减少脉冲周期数N就成为一种非常有效的方法。为此，采用具有单脉冲特性的脉冲超声信号作为入射声波信号，进行蒙皮-加强筋接头缺陷的超声表征和评估。

1.2 单脉冲超声检测系统

为了得到单脉冲超声波，可以利用单脉冲电子单元产生超声激励信号，此激励信号激励单脉冲超声换能器产生单脉冲超声波。这里采用自主研制的CUS-21J超声扫描成像检测系统和FCC-D-1复合材料检测仪器，构建复合材料蒙皮-加强筋连接区单脉冲超声检测试验系统，分别用于复合材料蒙皮-加强筋连接区单脉冲超声行为研究、信号特征分析和成像试验分析，CUS-21J和FCCD-1均可提供单脉冲超声波信号的发射和接收。其中，CUS-21J超声扫描成像检测系统主要由超声单元、信号处理单元、扫描机构、扫描控制单元、计算机单元等构成，其基本组成如图2所示。采用自主研制的FJ-1和FJ-2高分辨率复合材料超声换能器。利用FCC-D-1复合材料检测仪器对蒙皮-加强筋连接区试样进行扫查检测，以获取试样中对应每个检测位置点的超声特征信号和其对应的实际位置，以便进行取样分析，构建基于单脉冲超声回波信号特征的复合材料蒙皮-加强筋连接区缺陷表征与评估方法。利用CUS-21J对复合材料蒙皮-加强筋连接区试样进行单脉冲超声扫描成像检测，验证构建的复合材料蒙皮-加强筋连接接头单脉冲超声检测与评估方法。

图2 MU超声检测试验系统基本组成Fig.2 Basic composition of MU ultrasonic test system

1.3 试样设计制备

为了利用单脉冲超声行为进行复合材料蒙皮-加强筋接头缺陷的超声表征与评估，设计了3类复合材料试样。

第1组试样 （试样1）：复合材料层压结构试样，模拟复合材料蒙皮-加强筋中的蒙皮区分层，在该试样中，分别在距离上 （近表面第1个铺层和第2个铺层界面之间）、下表面第1个铺层深度位置 （近底面第1个铺层和第2个铺层界面之间，即近表面第39个铺层和第40个铺层界面之间）和1/2深度位置 （第20 ～ 21个铺层界面） 预置有φ3 mm的模拟分层，用于验证在单脉冲条件下的超声波表面检测盲区极限和不同深度分层的检出能力。其中，C1为位于试样近表面第1 ～ 2个铺层界面的分层；C2为位于试样1/2厚度 （对应第19 ～ 20个铺层界面位置）的分层；C3为位于试样近底面 （对应第39 ～ 40个铺层界面位置）的分层。试样厚度约5 mm（40个预浸料铺层），试样的尺寸见表1。

表1 复合材料蒙皮-加强筋接头试样的几何特征参数Table 1 Geometric feature parameters of composite skin-rib joint specimens mm

第2组试样 （试样2）：典型的复合材料蒙皮-加强筋接头试样，在蒙皮-加强筋连接界面预置有R和C类两类脱黏，其中R类脱黏中的R1、R2、R3、R4为矩形脱黏，C类脱黏中的C4、C5、C6、C7为圆形脱黏，脱黏的分布如图3所示 （其中，h为试样的厚度；L1为试样的宽度；L2为试样的长度），R和C类脱黏分别位于复合材料接头两侧加强筋-蒙皮胶接界面，脱黏的大小见表2。采用聚四氟乙烯薄膜模拟蒙皮-加强筋胶接界面脱黏，用于验证所建立的单脉冲超声方法对蒙皮-加强筋接头区连接界面脱黏的检出能力和检出缺陷的准确性。

表2 复合材料蒙皮-加强筋接头的脱黏大小（试样2）Table 2 Debonding size of composite skin-rib joint (sample 2) mm

图3 复合材料蒙皮-加强筋接头及缺陷分布（试样2）Fig.3 Composite skin-rib joint and defect distribution (sample 2)

第3组试样 （试样3 ～ 5）：选自实际的复合材料蒙皮-加强筋接头，在蒙皮-加强筋连区没有人工预置的缺陷，主要用于验证所建立的单脉冲超声方法对实际蒙皮-加强筋接头区缺陷表征与评估的检测效果。得到复合材料蒙皮-加强筋连接界面实际工艺缺陷及其对应的单脉冲超声信号特征，以便建立面向实际蒙皮-加强筋接头成型工艺的单脉冲超声表征与评估方法及缺陷判据。

所有试样均为树脂基碳纤维复合材料多向铺层结构，由中国航空制造技术研究院复合材料技术中心制造，所用预浸料均由中航复合材料有限责任公司制造和提供。

2 试验结果与分析

2.1 蒙皮分层的单脉冲超声反射行为

图4是来自试样1的一组典型的单脉冲超声回波信号vnR，其中，黑色曲线是来自试样1中好区的单脉冲超声回波信号；红色曲线是来自试样1中深度为1个铺层厚度 （0.125 mm）的分层 （C1分层）的单脉冲超声回波信号；蓝色曲线是来自试样1中深度为距离试样底面1个铺层厚度（0.125 mm）的分层 （C3分层）的单脉冲超声回波信号；绿色曲线是来自试样1中1/2深度 （20个铺层厚度，约2.5 mm）的分层 （C2分层）的单脉冲超声回波信号。

图4 来自试样1的典型单脉冲回波信号及其时域特征Fig.4 Typical MU echo signals and its time domain characteristics from specimen 1

从单脉冲超声回波信号 （黑色曲线）的vnR可以非常清晰地看出：（1）入射声波u0I在试样1中形成非常清晰且幅值足够大的回波信号vnR，vnR中包括来自试样表面的回波信号v0R、底面回波信号vbR以及其二次反射信号vbR'，且没有出现其他的额外声波信号，这表明，在单脉冲超声波条件下，入射声波在试样1内部无缺陷部位具有很好的穿透行为；（2）从vnR的时域特性可以非常清晰地看出，v0R和vbR具有非常好的单周特性，用v0R{N≈1，tT≈0.26 μs，vpp≈4.52 V}、vbR{N≈1，tT≈0.32 μs，vpp≈3.20 V，tb-0≈3.22 μs}表示v0R和vbR的时域特性，这里vpp表示v0R和vbR的峰峰值，V，tb-0表示v0R和vbR之间的时间差；（3）vbR的时域宽度（0.32 μs）比v0R的时域宽度（0.26 μs）明显变大，这主要来自声波在复合材料中频散现象。利用tb-0≈3.22 μs和试样1的厚度（约5 mm），可以得出单脉冲超声在复合材料中的传播速度约为3106 m/s。

从图4中单脉冲回波信号（红色曲线）中的vnR则可以非常清晰地看出：（1）当分层C1出现在近表面第1 ～ 2个铺层界面时，来自分层的单脉冲超声信号在时域上仍然清晰可分辨，如信号所标示的脉冲回波信号所示，且{N≈1，tT≈0.36 μs，vpp≈2.20 V，tC1-0≈0.10 μs}，根据tC1-0可以估测分层C1的深度约为0.155 mm，约合1.24个铺层，与C1的理论厚度仅相差0.03 mm，0.24个铺层；（2）vbR仍然可见，同样也具有很好的时域单周行为vbR{N≈1，tT≈0.50 μs，vpp≈0.58 V，tb-0≈3.22 μs}，但相比黑色曲线中回波信号vbR，其幅值明显减小，约减小14 dB，而且，此时仍然可见，这主要是由于有少量的入射声波穿过了分层C1； （3）相比黑色曲线回波信号v0R，红色曲线中回波信号v0R{N≈1，tT≈0.22 μs，vpp≈4.55 V}略大，而且在v0R附近出现了，由于与v0R之间仅相差1个复合材料铺层 （约0.125 mm，即0.08 μs），因此，与v0R在时域上非常紧贴，出现了部分叠加，造成的波形失真，不过，这完全不影响对近表面第1 ～ 2个铺层界面之间的分层（C1）的判别检出，也没有改变它们的时域单周特性，根据与v0R之间的传播时间tC1-0可以估测分层C1的深度（约0.155 mm）。

从图4中蓝色曲线回波信号则可以非常清晰地看出：（1）当分层C3出现在近底表面第1 ～ 2个铺层界面时，来自分层C3的单脉冲超声信号在时域上清晰可分辨，如蓝色曲线回波信号所标示的脉冲回波信号所示，此时有{N≈1，tT≈0.22 μs，vpp≈1.70 V，tC3-0≈3.12 μs}，这里，tC3-0表示与v0R之间的时间差；（2）vbR消失，非常微弱；（3）相比黑色曲线回波信号v0R，在黑色曲线回波信号中的v0R幅值有轻微的下降，但是其他时域特性没有出现明显变化，即此时有v0R{N≈1，tT≈0.24 μs，vpp≈4.37 V}； （4）根据tb-0（3.22 µs）和tC3-0（3.12 μs），以及所测量的声速 （3106 m/s），分层距离试样1底面的深度约为0.155 mm，约合1.24个铺层，非常接近单个复合材料的标称厚度0.125 mm。

从图4中绿色曲线回波信号则可以非常清晰地看出：（1）当分层C2出现在试样1的1/2深度位置时，来自分层的单脉冲超声信号和部分来自试样底面的vbR在时域上非常清晰可分辨，如回波信号和vbR所标示的单脉冲回波信号所示，此时有{N≈1，tT≈0.20 μs，vpp≈3.72 V，tC2-0≈1.58 μs}，vbR{N≈1，tT≈0.40 μs，vpp≈1.04 V，tb-0≈3.20 μs}，和vbR在时域上时间差tb-C2≈1.62 μs；（2）相比黑色曲线回波信号vbR（vpp≈3.20 V），绿色曲线回波信号vbR（vpp≈1.04 V）明显减少，这是因为大部分声波在分层C2处产生了反射；（3）绿色曲线回波信号的时域特性与其他3种回波信号完全一致，而且v0R{N≈1，tT≈0.26 μs，vpp≈4.45 V}几乎与黑色曲线回波信号v0R相同；（4）根据tC2-0（1.58 μs）以及所测量的声速 （3106 m/s），分层C2距离试样1表面的深度约为2.454 mm，约合19.630个铺层，与实际预置的分层深度 （20个铺层）仅相差约0.370个铺层。因此，在单周超声波条件下，可以非常准确地确定检出分层所在的铺层位置，这对准确找出分层产生原因、进行工艺优化以及制定修补方案和分析分层对结构的力学性能影响等都具有非常现实的意义和指导作用； （5）根据tb-0（3.20 μs），可以得到vbR距离试样表面约4.970 mm，约合39.757个铺层，与试样3的40个铺层厚度仅相差0.243个铺层。结合vbR中的tT（≈0.40 μs）及其波形特征，表明vbR是来自试样底面的反射，而不是的二次反射。为入射声波在C2与试样底面之间的反射信号，且{N≈1，tT≈0.36 μs，vpp≈0.20 V}，明显比vbR小。为的二次反射。因此，利用单脉冲超声技术可以帮助准确地确定检出缺陷的深度和判别来自缺陷的多次反射行为，这非常有利于提高缺陷检测准确性。

图4中结果还表明，来自分层的单脉冲超声信号的相位与vbR相同，与v0R相反，而且来自分层的单脉冲超声信号的tT要比来自试样底面超声信号的tT小0.14～0.30 μs。可见，在实际检测中，单周超声波条件非常有利于根据超声信号的时域宽度判别是来自近底面的分层还是底面反射，从而为近底面缺陷的可靠检出提供了一种有效识别机制。

因此，利用单周超声技术不仅可以实现近表面和近底面一个铺层深度分层的准确检出，还可以准确给出实际分层所在的铺层深度，其最大偏差为0.370个铺层，最小偏差为0.243个铺层，均小于1个铺层。非常有利于准确确定检出缺陷所在的铺层位置。

2.2 蒙皮-加强筋接头的单脉冲超声反射行为

图5是来自复合材料蒙皮-加强筋连接试样3位置① （对应黑色曲线）和位置② （对应红色曲线）的单脉冲超声试验结果。从黑色曲线回波信号可以非常清晰地看出，vnR主要由组成，分别来自入射声波在试样3蒙皮表面、蒙皮-加强筋连接接头以及加强筋底面的单脉冲超声波u0R、、回波信号，以及在蒙皮-加强筋连接接头—加强筋底面之间的一次反射、二次反射、三次反射。分别表示为

图5 试样3检测位置①和②及其对应的单脉冲超声回波信号vnRFig.5 MU echo signal vnR from position ① and ② in specimen 3

式中，Sgn（φ0）为v0R的相位，Sgn（φ0）=1表示v0R先出现负半周，再出现正半周；Sgn（φb1）为的相位，Sgn（φb1）=-1表示与v0R相位相反；Sgn（φb2）为的相位，Sgn（φb2）=-1表示与v0R相位相反；tb1-0为v0R与之间的时间差；tb2-0为v0R与之间的时间差；tb2-b1为与之间的时间差。

从黑色曲线单脉冲回波信号可以看出：（1）当换能器位于试样3的位置①时，在vnR中出现了3个明显的特征信号，分别如黑色曲线单脉冲回波信号中v0R、、所指示的脉冲信号，其对应峰峰值AF、Ab1、Ab2及其相对变化ΔAFb1、ΔAFb2如表3所示，Ab1比AF明显小（约小3.75 V），Ab2比AF小约2.73 V，而Ab2比Ab1明显大（1.02 V），这表明有足够的入射声波可以穿过蒙皮-加强筋胶接界面传播到加强筋底面形成反射声波，这将非常有利于利用单脉冲超声波进行蒙皮-加强筋胶接界面的缺陷检测与评估；（2）和具有相同的相位特性，且其相位与v0R的相位相反； （3）根据tb1-0可以得出试样3的蒙皮厚度约为2.982 mm，约合23.85个铺层，这与试样3的加强筋蒙皮厚度h3（3.0 mm，24个铺层，见表1）仅相差0.018 mm （约合0.15个铺层）；（4）根据tb2-b1可以得出试样3的加强筋厚度约为1.678 mm，约合13.42个铺层，比试样3的加强筋厚度h2（1.5 mm，12个铺层，见表1）大0.178 mm，约合1.42个铺层，这是因为利用tb2-b1估测加强筋厚度时，包含了蒙皮-加强筋之间的胶膜厚度 （胶膜的标称厚度约0.15 mm），因此，如果减去胶膜的影响，估测试样3的加强筋厚度约为1.528 mm，约合12.22个铺层，与加强筋蒙皮厚度h3的厚度仅相差0.028 mm。为了消去胶膜对h3的影响，可以利用、、、之间的时间差tb2-b2'≈0.99 μs、tb2'-b2''≈0.91 µs、tb2''-b2'''≈0.90 μs的平均值0.93 μs进行h3的准确测量，此时，试样3的加强筋测量厚度约1.449 mm，约合11.60个铺层，与h3的理论厚度仅相差0.051 mm，约合0.400个铺层。再次表明在单脉冲超声波条件下，非常有利于得到蒙皮-加强筋的准确几何厚度值，这将对固化工艺的优化和复合材料接头厚度精细控制非常有帮助。

表3 试样 3中位置①和②的v0R、、、vDR幅值和相位分布Table 3 Amplitude and phase of v0R,,,vDR in specimen 3 position ① and ②

表3 试样 3中位置①和②的v0R、、、vDR幅值和相位分布Table 3 Amplitude and phase of v0R,,,vDR in specimen 3 position ① and ②

注：ΔAFb1=20lg ，dB；ΔAFb2=20lg ，dB；ΔAFD=20lg ，dB。

位置AF/VAb1/VAb2/VAD/VΔAFb1/dBΔAFb2/dBΔAFD/dBSgn（φF）Sgn（φb1）Sgn（φb2）Sgn（φD）①4.510.761.78—15.58.1—1—-1—②5.020.57—0.7118.9—17.01-1—1

图5中的单脉冲回波信号（红色曲线）是来自复合材料蒙皮-加强筋连接试样3位置②的单脉冲超声试验结果，可以同样非常清晰地看出，vnR主要由v0R、、vDR、组成。显然，v0R'、vbR1'分别来自入射声波在试样3蒙皮表面、蒙皮-加强筋连接界面的单脉冲超声波u0R、ubR1的反射。分别表示为

从单脉冲回波信号 （红色曲线）中的vnR可以看出，当换能器位于试样3的接头立筋上方位置②时，在vnR中出现了3个明显的特征信号，分别为v0R、vb1R、vDR所指示的脉冲信号，其对应峰峰值AF、Ab1、AD及其相对变化ΔAFb1、ΔAFD如表3所示，Ab1比AF明显小 （约小18.9 dB），AD比AF小约17.0 dB，而AD比Ab1则略大，vDR与v0R具有相同的相位特征。从图4红色和绿色曲线的试验结果可以看出，对于分层缺陷，其对应的单脉冲超声信号的相位相对于v0R的相位会出现反转，而在图5红色曲线回波信号中，vDR没有出现明显的相位翻转，这表明vDR不是来自分层的声波反射。而且在vDR之后还出现了多个微小的反射信号，这表明vDR也不是仅仅来自蒙皮-加强筋连接界面的反射声波。由于位置②位于蒙皮-加强筋连接接头填充区，因此，vDR和的出现及其特征应与蒙皮-加强筋连接接头填充区带来的微结构变化有关。

图6是来自蒙皮-加强筋连接试样4位置②的典型单脉冲超声回波信号vnR。在vnR中，同样可以明显地观察到v0R、、vDR（由和组成），与图5红色曲线回波信号不同的是，在图6中，与vDR在时域上彼此非常靠近，而且还出现了来自蒙皮区的单脉冲超声反射信号，如vdR所指示的信号，其特征参数为

图6 试样4检测位置②及其对应的单脉冲超声回波信号vnRFig.6 MU echo signal vnR from position ② in specimen 4

根据tb1-0可以得到试样4的蒙皮厚度h3约为5.964 mm（比h3的理论厚度6 mm小0.036 mm），约合47.712个铺层 （比h3的理论48个铺层小0.288个铺层），厚度和铺层偏差约0.6%。根据tD2-D1可以估测对应树脂区的厚度约为0.513 mm。

图7是来自试样5中蒙皮-加强筋连接部位的一组典型单脉冲超声回波信号，其中蓝色曲线回波信号来自试样5中蒙皮-加强筋连接部位好区的单脉冲超声反射信号，包括v0R（来自蒙皮-加强筋连接试样表面的单脉冲超声反射）、（来自蒙皮-加强筋连接界面的单脉冲超声反射）和（来自加强筋蒙皮底面的单脉冲超声反射），为的二次反射，其特征参数为

图7 试样5中检测蒙皮-加强筋连接部位好区和检出分层的单脉冲超声回波信号vnRFig.7 MU echo signal vnR from defect-free and detected delamination zones in specimen 5

图7蓝色曲线回波信号及其特征表明，在正常蒙皮-加强筋连接界面区：（1）会同时出现和，且比大；（2）会出现的多次反射信号；（3）会呈现“M”形状。根据tb1-0可以得到试样5的蒙皮厚度h3约为5.560 mm（比h3的理论厚度5.5 mm大0.06 mm），约合44.48个铺层（比h3的理论44个铺层大0.48个铺层）。根据tb2-b1可以估测加强筋蒙皮的厚度h2约为1.832 mm，根据tb2'-b1估测h2约为1.620 mm，更接近h2的理论厚度1.5 mm。

图7红色曲线回波信号来自试样5中蒙皮-加强筋连接部位检出分层的单脉冲超声反射信号，包括v0R（来自蒙皮-加强筋连接试样表面的单脉冲超声反射）、vdR（来自蒙皮-加强筋连接界面附近分层的单脉冲超声反射）和（来自vdR的二次反射）。其特征参数为

图7红色曲线回波信号及其特征表明，在蒙皮-加强筋连接检出分层部位：（1）会消失；（2）vdR比明显大；（3）Sgn(φd)=-1；（4）vdR不会呈现“M”形状。根据td-0可以估测检出分层的深度约为5.280 mm，约合42.242个铺层。根据td'-d估测检出分层的深度约为5.498 mm，约43.981个铺层。均比试样5的蒙皮的理论厚度h3的44个铺层小，这表明分层位于蒙皮-加强筋连接界面近上表面铺层界面。

2.3 蒙皮-加强筋缺陷的单脉冲超声C扫描检测与评估

图8是试样2中的单脉冲超声C扫描结果，水平方向为扫描方向（蒙皮-加强筋连接接头长度方向），垂直方向为步进方向 （蒙皮-加强筋连接接头宽度方向）。从蒙皮一侧进行C扫描，扫描速度为50 mm/s，步进量为1.0 mm，数字增益8 dB。从单脉冲超声C扫描结果可以非常清晰看出脱黏的大小及其分布，检出脱黏大小如表4所示。从图8的C扫描结果可以看出，位于试样2中蒙皮-加强筋胶接界面之间的矩形脱黏R1、R2、R3、R4和圆形脱黏C4、C5、C6、C7均能有效地检出，且实际检出脱黏的大小与脱黏的设计大小基本一致。脱黏的设计值与C扫描检出大小最大偏差为1 mm，见表2和表4。可见在单脉冲条件下，不仅可以得到非常清晰的C扫描图像，而且还非常有利于准确地对蒙皮-加强筋连接界面的检出缺陷进行定量评估。

表4 试样2中的脱黏单脉冲超声C扫描检出大小及其偏差Table 4 Sizes and variation of detected debonding in specimen 2 by MU C-scan mm

图8 试样2的单脉冲C扫描结果Fig.8 MU C-scan results of specimen 2

从图9的试验结果可以看出，在单脉冲超声条件下，蒙皮-加强筋连接区和蒙皮-加强筋填充界面区同样具有不同的C扫描灰度分布特征：（1）蒙皮-加强筋连接区，灰度分布整体上比较均匀，这是因为此时用于产生C扫描的来自试样的底面单脉冲超声反射，当试样内部没有缺陷时，不会出现明显的变化；（2）在蒙皮-加强筋连接区对应的灰度总体说要比蒙皮-加强筋填充区的灰度要明亮，这是因为在单脉冲超声波条件下，入射声波在蒙皮-加强筋区底面产生了更为明显的反射行为；（3）在蒙皮-加强筋填充区，呈现出不同的C扫描图像的灰度分布，如图9中D所指示的长条形白色灰度区，这与蒙皮-加强筋填充界面区的树脂层有关，因为随着蒙皮-加强筋连接区的微结构变化，vDR会发生变化 （图5和6），但这种变化与试样1中的分层的单脉冲超声信号存在非常明显的时域特征差别 （图4）。因此，在单脉冲超声条件下，利用来自vDR的C扫描及其灰度分布规律，同样可以实现对蒙皮-加强筋胶接界面的超声表征与缺陷评估。

图9 来自试样3中的单脉冲超声C扫描结果Fig.9 MU C-scan results of from specimen 3

3 结论

（1） 在垂直纵波条件下，利用单脉冲超声波与复合材料蒙皮-加强筋连接区相互作用产生的反射行为，可以获得高质量单脉冲回波信号，在此条件下，入射声波在蒙皮-加强筋胶接界面、分层、脱黏区产生的回波信号具有不同的幅值、相位、波形等时域特征，依据这些时域特征及其变化，可以有效进行蒙皮-加强筋连接部位的缺陷表征、识别和准确的定性定量评估。

（2） 系列的单脉冲超声检测结果表明，在单脉冲超声条件下，复合材料表面检测盲区可以达到单个铺层厚度；可以有效检出复合材料中的分层、蒙皮-加强筋胶接界面脱黏、胶接界面层、蒙皮-加强筋连接部位的树脂区；可以实现分层、脱黏及胶接界面以及树脂层的判别；可以确定分层、脱黏、胶接界面的准确铺层深度位置、蒙皮-加强筋界面铺层微结构的变化；分层深度定位偏差小于0.5个预浸料铺层。

（3） 利用单脉冲超声C扫描，可以实现蒙皮分层、蒙皮-加强筋胶接界面脱黏的准确定量评估，其检出大小与设计大小的最小偏差0.0 mm，最大偏差在1.0 mm内。从而为复合材料蒙皮-加强筋胶接界面提供了一种非常有效的超声检测与缺陷定性定量评估方法。