复合材料T形连接区液体自耦超声合换能器及检测方法技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种复合材料T形连接区液体自耦超声合换
能器及检测方法。
背景技术
T形连接是复合材料壁板和整体结构中的一种非常重要的连接形式，也是复合材
料承力结构的重要组成部分，T形连接区在这类复合材料结构中起到载荷传递和结构支撑
作用，T形连接目前已在航空航天、交通等工业领域中复合材料结构中应用广泛。通常需要
对复合材料结构T形连接区进行可靠地无损检测。目前是基于超声方法进行复合材料结构T
形连接区的无损检测：一种是采用超声手工接触法扫查方法，换能器通过固体延时块与T形
连接筋条部位接触耦合，利用超声A-显示信号进行缺陷判别，其主要不足是，(1)这种硬接
触难以保证扫查过程中换能器延时块与T形连接区表面之间的声学，从而会导致超声波的
正常发射和接收，进而容易引起缺陷误判、漏检；(2)需要根据不同的T形连接区的曲率特
点，制备相应的换能器延时块，效率低，成本高；(3)对于一些曲率比较小的T形连接区，采用
这种固体延时块方法，难实在T形连接区形成合理的超声检测信号，从而难以实现T形连接
区的覆盖检测；(4)分辨率。为了改善其不足，另一种检测方法是，通过设计一些专门的超声
自动扫描检测系统或者超声相控阵方法，实现复合材料结构T形连接区的扫描检测，其主要
不足是，(1)成本非常高、技术难度大，需要根据不同的复合材料结构T形连接区的几何特
点，设计不同的扫描检测系统；(2)因自动扫描机构复杂和场地环境条件的限制，实现起来
较困难；(3)对检测场地要求高，需要占用较大的专用检测场地；(4)检测结果的核实实时性
不好；(5)对于一些开敞性不好的复合材料结构中的T形连接区，难以实现检测；(6)存在表
面检测盲区。为了改进其不足，中国专利“一种检测复合材料结构内腔R区的超声扫查器及
扫查方法”(ZL 201210235056.6)，用于解决复合材料结构中内腔R区的检测，其主要不足：
(1)采用了软膜耦合的R区超声探头，扫查过程中软膜容易损坏，导致无法实现声学耦合，进
而在扫查过程中需要不断更换R区探头的软膜，影响检测效果和检测效率。
发明内容
本发明的目的是针对复合材料结构T形连接区，提出一种用于复合材料结构T形连
接区的液体自耦合超声换能器及检测方法，实现复合材料结构T形连接区的超声覆盖扫查
检测，提高超声对复合材料结构T形连接区检测的覆盖率，进而提高缺陷的检出能力和检测
的可靠性。本发明的技术解决方案是，
液体自耦合超声换能器由超声传感单元、外壳、耦合腔、连接座、液体耦合剂和封
盖组成，
外壳由一圆柱体加工而成，外壳的上端加工一同轴半通孔φ2，外壳的下端加工一
贯通圆孔，贯通圆孔的内径为φ1，贯通圆孔的内径φ1大于半通孔内径φ2，在外壳的下端形
成内圆凸台，外壳的下端加工有外螺纹M1，外壳的上端面加工有4个均布的螺纹孔，
超声传感单元由压电晶片、声学透镜、阻尼块、正负电极连接线组成，其中，正负电
极连接线的一端分别与压电晶片的正负端连接，压电晶片上端再与阻尼块通过树脂胶接在
一起，声学透镜与压电晶片下端粘接，封闭为超声传感单元，将封装后的超声传感单元通过
树脂封装在外壳中，并使超声传感单元的下端面与外壳下端面凸台面齐平；
连接座与封盖固定在一起，正负电极连接线的另一端分别连接座上的正负连接，
封盖固定在外壳上端面，
耦合腔为一锥形体，此锥形体内部加工有一贯通的锥形通孔，此锥形通孔的上端
内径大小与φ1相同，下端内径为φ3，通孔的上端加工有内螺纹，此螺纹与M1匹配，耦合腔内
壁表面进行毛化处理，耦合腔内部容积为V1，液体耦合剂位于耦合腔内部，
耦合腔内部容积V1的确定方法为：
其中，
ρ为耦合剂的密度，
g为重力加速度，
Fr为液体耦合剂作用在耦合腔内壁径向力，
Fa为液体耦合剂在耦合腔内壁表面产生的吸附力，
K为液体耦合剂与耦合腔内壁直径的摩擦系数，
P0为大气压，
π为为常数，约为3.14159。
所述的超声换能器的耦合腔下端内径φ3和壁厚h根据被检测复合材料结构中T形
连接区的几何特征进行选择，φ3的取值范围为2mm-6mm，h的取值范围为0.5mm-2mm。
所描述的一种复合材料T形连接区液体自耦超声合换能器，根据被检测复合材料
结构中T形连接区的缺陷检出要求，选择非聚焦和聚焦超声传感单元，用于不同检测要求的
复合材料结构中T形连接区超声检测。
所描述的超声换能器选用宽带窄脉冲超声换能器，且
这里，
——为超声换能器的带宽，
——为超声单元的带宽，
——为超声换能器的中心频率。
利用所述复合材料T形连接区液体自耦超声合换能器进行扫查检测的方法，利用
液体自耦合宽带窄脉冲超声波从不同方向入射到复合材料结构T形连接区，通过接收来自
不同方向的宽带窄脉冲超声波信号，然后根据超声波信号的变化规律进行缺陷判别，实现
复合材料结构T形连接区超声检测，用于复合材料结构T形连接区超声覆盖检测的超声检测
系统包括液体自耦合超声换能器、超声单元、显示单元、扫描机构、控制系统，其检测步骤
是，
1)覆盖扫查
检测前将被检测T形连接区表面刷湿，将超声换能器置于被检测T形连接区表面，
通过超声单元激发超声换能器产生宽带窄脉冲超声波信号u0，u0通过超声换能器的内部的
液体耦合剂入射到被检测T形连接区内部，并在被检测T形连接区内部形成入射宽带窄脉冲
超声波信号ui，当在ui传播路径存在缺陷时，ui在缺陷周围产生反射宽带窄脉冲超声波信号
ur，ur被超声换能器所接收，并转换为宽带窄脉冲信号，经超声单元进行处理后，送到显示单
元进行超声检测结果的显示，改变超声换能器的摆角θ和其在T形连接区的位置，实现超声
换能器对T形连接区不同区域的超声覆盖扫描检测；
2)据显示单元中显示的ur的峰-峰幅值或图像和ur的传播时间tD，进行缺陷的判
别：
当ur＞uT时，判为缺陷，且此时缺陷的深度这里，υ为被检测复合材料T
形连接区中的声速，uT为设定的判别阈值；
当ur≤uT时，判为没有缺陷。
所描述的复合材料T形连接区液体自耦超声合换能器进行扫查检测的方法，所涉
及的超声单元，
1)超声单元要求与超声换能器匹配，产生具有单周特性的脉冲超声信号，要求来
自T形连接区表面的超声回波信号的时域占宽tw满足下式的要求：
tw≤1.5Tw，
这里，Tw为脉冲超声信号的单周占宽，即脉冲超声信号相邻正向峰值与负向峰值
之间的时域宽度；
2)超声单元增益选择范围为：-50dB-+100dB，且当来自T形连接区表面的超声回波
信号峰-峰值为满屏刻度90％时，其信噪比应小于2％满屏刻度；
3)超声单元具有模拟信号处理和数字信号处理功能及其相应的I/O接口。
所述的复合材料T形连接区液体自耦超声合换能器进行扫查检测的方法，选择非
聚焦和聚焦超声传感单元的超声换能器，用于碳纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等不
同增强体制造而成的复合材料结构中的不同T形连接区的超声覆盖扫查检测。
本发明具有的优点和有益效果，本发明方法根据T形连接区几何特征和缺陷可能
取向，基于宽带窄冲击脉冲反射检测原理，发明一种液体自耦合超声换能器，明显改善了超
声换能器与被检测复合材料结构T形连接区表面的声学耦合效果和检测信号的稳定性检测
结果的准确性，通过采用手动或机械自动扫描方式，实现对复合材料结构T形连接区的覆盖
检测，进行缺陷判别方法。实际检测效果表明，可准确检出T形连接区的分层、气孔、夹杂、富
脂等缺陷，显著地提高了超声对复合材料结构T形连接区的缺陷检出能力，提高了检测的可
靠性，表面检测盲区和纵向分辨率可达到单个复合材料铺层厚度，约0.13mm。本发明还具有
如下特点，
1.针对复合材料结构T形连接区的几何特征和缺陷可能取向，基于宽带窄冲击脉
冲反射检测原理，提出了一种具有液体自耦合功能的超声换能器，显著改善了超声换能器
与复合材料零件表面之间的声学耦合效果和检测信号的稳定性，从而显著提高了检测结果
的可靠性；
2.利用所发明的液体自耦合超声换能器及检测方法，通过手动或机构扫描方法，
对复合材料结构T形连接区不同方向进行超声组合扫描检测，可以实现复合材料结构T形连
接区的覆盖扫查检测，显著地提高了超声对复合材料结构T形连接区的缺陷检出能力和检
测的可靠性；
3.利用所发明中的T形连接区超声检测缺陷判别方法，可以通过超声A显示信号和
成像显示等不同显示方式，通过建立针对性和清晰的T形连接区缺陷判别方法，可以根据复
合材料结构T形连接区的覆盖扫查检测结果，进行准确的缺陷判别和定量分析，可准确检出
T形连接区的分层、气孔、夹杂、富脂等缺陷，大大提高了检测可靠性，明显提高了复合材料
结构T形连接区超声缺陷定性定量检测的准确性；
4.通过采用本发明中的超声换能器和超声单元的匹配组合，用于T形连接区的高
分辨率超声扫描检测检测，表面检测盲区和纵向分辨率可达到单个复合材料铺层厚度，约
0.13mm，即没有表面检测盲区，大大提高了超声对复合材料结构T形连接区表面及近表面缺
陷的检出能力；
5.利用本发明，采用超声手动扫查和自动扫查不同的覆盖扫查检测方式，可以用
于不同场合复合材料结构T形连接区的覆盖扫查检测，成本低、技术上容易实现，也可以用
于对于开敞性不好的复合材料结构中的T形连接区的检测。
附图说明
图1是本发明的复合材料结构T形连接区液体自耦合超声换能器及检测方法原理
示意图。
具体实施方式
1.液体自耦合超声换能器1由超声传感单元1A、外壳1B、耦合腔1C、连接座1D、液体
耦合剂1E和封盖1F组成，如图1所示，
外壳1B由一圆柱体加工而成，外壳1B的上端加工一同轴半通孔φ2，外壳1B的下端
加工一贯通圆孔，贯通圆孔的内径为φ1，贯通圆孔的内径φ1大于半通孔内径φ2，在外壳1B
的下端形成内圆凸台，外壳1B的下端加工有外螺纹M1，外壳1B的上端面加工有4个均布的螺
纹孔，参见图1所示，
超声传感单元1A由压电晶片、声学透镜、阻尼块、正负电极连接线组成，参见图1所
示，其中，正负电极连接线的一端分别与压电晶片的正负端连接，压电晶片上端再与阻尼块
通过树脂胶接在一起，声学透镜与压电晶片下端粘接，封闭为超声传感单元1A，将封装后的
超声传感单元1A通过树脂封装在外壳1B中，并使超声传感单元1A的下端面与外壳1B下端面
凸台面齐平；
连接座1D与封盖1F固定在一起，正负电极连接线的另一端分别连接座1D上的正负
连接，封盖1F固定在外壳1B上端面，
耦合腔1C为一锥形体，此锥形体内部加工有一贯通的锥形通孔，此锥形通孔的上
端内径大小与φ1相同，下端内径为φ3，通孔的上端加工有内螺纹，此螺纹与M1匹配，耦合腔
1C内壁表面进行毛化处理，耦合腔1C内部容积为V1，液体耦合剂1E位于耦合腔1C内部，参见
图1所示，
耦合腔1C内部容积V1的确定方法为：
其中，
ρ为耦合剂1E的密度，
g为重力加速度，
Fr为液体耦合剂1E作用在耦合腔1C内壁径向力，
Fa为液体耦合剂1E在耦合腔1C内壁表面产生的吸附力，
K为液体耦合剂1E与耦合腔1C内壁直径的摩擦系数，
P0为大气压，
π为为常数，约为3.14159。
其中，V1由式1至式5得出：
m＝ρ×V1 (1)
这里，m为液体耦合剂1E的质量，
ρ为耦合剂的密度，
Fm＝ρ×V1×g (2)
这里，Fm为液体耦合剂1E由于自重产生的向下的重力，
g为重力加速度，
F1＝Ff+Fa (3)
这里，Ff＝Fr×K
Fr为液体耦合剂1E作用在耦合腔1C内壁径向力，
K为液体耦合剂1E与耦合腔1C内壁直径的摩擦系数，
F1为液体耦合剂1E与耦合腔1C内壁相互作用，产生的向上的作用力，可以近似视
为液体耦合剂1E在耦合腔1C内壁产生的摩擦力Ff和液体耦合剂1E在耦合腔1C内壁表面产
生的吸附力Fa之和，
这里，P0——为大气压，
F2为在耦合腔1C的下端，液体耦合剂1E受到来自大气作用的向上的作用力，
由式(1)至(4)得，维持液体耦合剂1E在耦合腔1C内部的平衡条件表示为：
F2+F1≥Fm (5)
由式(1)至(5)即可确定V1。
2.超声换能器1的耦合腔1C下端内径φ3和壁厚h根据被检测复合材料结构中T形
连接区的几何特征进行选择，φ3的取值范围为2mm-6mm，h的取值范围为0.5mm-2mm。
3.根据被检测复合材料结构中T形连接区6的缺陷检出要求，选择非聚焦和聚焦超
声传感单元1A，用于不同检测要求的复合材料结构中T形连接区6超声检测。
4.超声换能器1选用宽带窄脉冲超声换能器，且
这里，
——为超声换能器1的带宽，
——为超声单元2的带宽，
——为超声换能器1的中心频率。
5.复合材料T形连接区液体自耦超声合换能器进行扫查检测的方法，利用液体自
耦合宽带窄脉冲超声波从不同方向入射到复合材料结构T形连接区，通过接收来自不同方
向的宽带窄脉冲超声波信号，然后根据超声波信号的变化规律进行缺陷判别，实现复合材
料结构T形连接区超声检测，用于复合材料结构T形连接区超声覆盖检测的超声检测系统包
括液体自耦合超声换能器1、超声单元2、显示单元3、扫描机构4、控制系统5，其检测步骤是，
1)覆盖扫查
检测前将被检测T形连接区6表面刷湿，将超声换能器1置于被检测T形连接区6表
面，通过超声单元2激发超声换能器1产生宽带窄脉冲超声波信号u0，u0通过超声换能器1的
内部的液体耦合剂1E入射到被检测T形连接区6内部，并在被检测T形连接区6内部形成入射
宽带窄脉冲超声波信号ui，当在ui传播路径存在缺陷时，ui在缺陷周围产生反射宽带窄脉冲
超声波信号ur，ur被超声换能器1所接收，并转换为宽带窄脉冲信号，经超声单元2进行处理
后，送到显示单元3进行超声检测结果的显示，改变超声换能器1的摆角θ和其在T形连接区6
的位置，实现超声换能器1对T形连接区6不同区域的超声覆盖扫描检测；
a)对于手动扫查检测，手持液体自耦合超声换能器，将超声换能器1分别置于T形
连接区6位置①、②、③，对T形连接区6进行扫查，实现复合材料结构中T-形连接区6的超声
覆盖扫查检测，扫查过程中，超声换能器1与T形连接区6的表面之间采用液体自耦合，从而
确保稳定的声学耦合；
b)对于自动扫查检测，检测液体自耦合超声换能器安装在自动扫查结构上，通过
控制系统5对扫描机构4控制与之相连接的超声换能器1，使超声换能器1分别在图1所示的T
形连接区6位置①、②、③进行扫查，由控制系统5将超声换能器1的位置坐标实时传送到显
示单元3，由显示单元3将来自超声单元2的反射超声信号1B和控制系统5的超声换能器1的
位置信号进行成像显示，根据显示单元3显示的超声检测结果图像进行缺陷判别，从而实现
复合材料结构中T形连接区6的超声覆盖扫查检测，扫查过程中，超声换能器1与T形连接区6
的表面之间采用水膜或水柱非接触耦合，确保稳定的声学耦合。
2)据显示单元3中显示的ur的峰-峰幅值或图像和ur的传播时间tD，进行缺陷的判
别：
当ur＞uT时，判为缺陷，且此时缺陷的深度这里，υ为被检测复合材料T
形连接区中的声速，uT为设定的判别阈值；
当ur≤uT时，判为没有缺陷。
也可以将ur转换为超声扫描图像进行缺陷判别：
通过显示单元3将来自超声单元2的超声信号(ur，tD)和来自控制系统5的超声换能
器1的位置信号Pi(θi,yi)转化为图像显示信号Qj(xj,yj,cj)，即
Pi(θi,yi)→Qj(xj,yj,cj) (6)
这里，
θi——为超声换能器1在第i角扫描位置时对应的角度坐标，
yi——为超声换能器1在第i个T-形连接区断面的位置坐标，
xj——为θi在图像显示中对应的x方向的坐标，且xj＝Kxrθi，
yj——为yi在图像显示中对应的y方向的坐标，且xj＝KYyi，
Kx——为x方向的坐标转换系数，
Ky——为y方向的坐标转换系数，
cj——为图像显示中(xj,yj)点所对应的颜色值，且其中Kc为颜色值转
换系数，与显示单元3对应的灰度或者彩色分辨率有关，uR为对应显示单元3满刻度时ur的最
大值,
根据显示3中显示的图像坐标和图像颜色值，进行缺陷的判别和确定检出缺陷的
大小。
6.复合材料T形连接区液体自耦超声合换能器进行扫查检测的方法所涉及的超声
单元(2)，
1)超声单元2要求与超声换能器1匹配，产生具有单周特性的脉冲超声信号，要求
来自T形连接区6表面的超声回波信号的时域占宽tw满足下式的要求：
tw≤1.5Tw，
这里，Tw为脉冲超声信号的单周占宽，即脉冲超声信号相邻正向峰值与负向峰值
之间的时域宽度；
2)超声单元2增益选择范围为：-50dB-+100dB，且当来自T形连接区6表面的超声回
波信号峰-峰值为满屏刻度90％时，其信噪比应小于2％满屏刻度；
3)超声单元2具有模拟信号处理和数字信号处理功能及其相应的I/O接口。
7.复合材料T形连接区液体自耦超声合换能器进行扫查检测的方法选择非聚焦和
聚焦超声传感单元1A的超声换能器1，用于碳纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等不同增
强体制造而成的复合材料结构中的不同T形连接区6的超声覆盖扫查检测。
实施例
采用本发明专利，选择中航复合材料有限责任公司生产的UPowr-1、MUT1、FCC-B-
1、FCC-D-1手动超声检测仪器和CUS-6000、CUS-21J自动扫描检测设备，选择对多种复合材
料结构中的T形连接区进行了系列的实际检测应用，其中，换能器频率选择5MHz和10MHz，采
用本发明专利中的T形筋条扫描方法，采用手动和自动扫查方式，对不同复合材料结构T形
连接区进行系列的扫查检测，被检测带T形筋条的复合材料结构的大小在100×100mm—
1500×5000mm不等，系列实际检测结果表明，可检测出复合材料结构T形连接区中的蒙皮
区、填充区以及蒙皮-填充区界面的缺陷，可以非常清晰地检出单个复合材料铺层深度的Ф
3mm的分层、气孔、富脂、夹杂等缺陷，超声检测信号质量和检测结果图像非常清晰，取得了
很好的实际检测应用效果。