摘要
针对铝面板泡沫夹芯结构材料脱粘缺陷的检测问题，开展了超声脉冲多次反射法检测技术研究。分析了超声脉冲多次反射法的检测原理，制作了人工模拟缺陷试样，进行了自动检测C扫描成像，通过灰度点数量统计方法分析和优化了缺陷识别的结果。研究结果表明，超声脉冲多次反射法能有效检出铝面板泡沫夹芯结构材料中的脱粘缺陷，为材料研制和质量评估提供依据。
铝面板泡沫夹芯结构材料具有良好的力学性能和隔热性能，被应用在运载火箭舱段、飞机机翼等产品部件
本文将超声脉冲多次反射法应用于铝面板泡沫夹芯结构材料脱粘缺陷检测，分析了超声脉冲多次反射法的检测原理，制作了人工模拟缺陷试样，使用超声自动检测系统得到了C扫描图像，通过灰度点数量统计方法讨论了不同缺陷图像差异的原因，并进行了缺陷识别方面的分析和优化。
在铝面板泡沫夹芯结构材料超声脉冲多次反射法检测中，声波从铝面板表面入射，声波传播路径示意图见
（a） 粘接完好处
（b） 脱粘缺陷处
图1 多次反射波声波传播路径示意图
Fig.1 Diagram of acoustic wave propagation paths for multiple echo-pulses
铝面板泡沫夹芯结构材料由上层、下层铝面板与中心泡沫材料胶接构成［
（a） 铝面板泡沫夹芯结构材料示意图
（b）
（c）
图2 人工模拟缺陷试样的结构和尺寸
Fig.2 Structures and sizes of artificial defects in samples
超声自动检测系统的主要组成部分包括机械扫查装置、探头、超声检测仪和C扫描成像软件。机械扫查装置包含X和Y两个运动轴，这两个运动轴能使探头在XY平面上的检测区域内自动逐行扫查，扫查间距和采样间距均为0.5 mm。经探头选择试验发现，在探头类型方面，聚焦探头的横向分辨力和C扫描成像分辨率均优于平探头；在探头频率方面，频率越高，相邻各次反射波重叠越小，越宜于反射波的选取和成像。成像效果最好的试验所用的探头是喷水聚焦探头，频率25 MHz，晶片直径10 mm，焦距50 mm，焦斑直径2 mm。
超声检测仪采用单探头反射法工作模式。检测时打开超声检测仪的跟踪闸门功能，此功能中成像闸门与跟踪闸门的相对位置保持不变，适用于选取入射界面之后，相对入射界面固定声程处的反射波。跟踪闸门设置为跟踪铝面板外表面反射波，成像闸门设置为跟踪闸门之后的第3次反射波。铝面板泡沫夹芯结构材料多次反射波波形如
（a） 粘接完好处
（b） 脱粘缺陷处
图3 铝面板泡沫夹芯结构材料多次反射波波形
Fig. 3 Multiple echo-pulse waveform on foam sandwich structure with aluminum panel
C扫描成像中，通过计算机同时读取来自超声检测仪的波幅度信息和来自机械扫查装置的探头位置信息，在颜色表上找到波幅度对应的颜色并根据位置信息将该颜色显示在图像上对应的位置点。最常用的颜色表为256阶灰度表，表中将波幅度线性映射到0~255内的整数，每个整数代表一个灰度值。颜色点随着探头位置的移动铺满图像全部区域，最后形成整幅灰度或彩色的C扫描图像。
一般来说，被检件的大部分区域为完好区，少数区域为缺陷区。对应的超声C扫描图像是较为均匀的灰色图上分布了若干浅色的小区域。缺陷识别时，认为若干浅色的小区域为缺陷区域。人工模拟缺陷试样C扫描图像见
（a）
（b）
图4 试样C扫描图像
Fig.4 Sample C-scan images
使用灰度点数量统计方式分析C扫描图像，统计中以0~255灰度值作为横轴，各个灰度值在图像中的灰度点数量作为纵轴生成统计图。对
（a） 灰度点数量统计图
（b） 纵轴放大图
（c） 缺陷判定结果
图5
Fig.5 Statistic of gray pixel numbers and defect recognition result of
统计图中包含了2个灰度点数量分布峰，其中一个是位于左侧的表示深色区域的分布峰，灰度值集中在50~100区间；另一个是位于右侧的表示浅色区域的分布峰，灰度值集中在200至250区间。结合C扫描图像可以发现，C扫描图像中表示完好区的灰度点为大多数，它们的颜色较深，灰度值近似相等，在统计图中对应于左侧的分布峰。同理，C扫描图像中表示缺陷区的灰度点数量较少，它们的颜色较浅，在统计图中对应于右侧的分布峰。分布峰的宽度与材料不均匀性相关，高度与检测面积相关。
对于
对
（a） 灰度点数量统计图
（b） 纵轴放大图
图6
Fig.6 Statistic of gray pixel numbers of
针对
将扫描图像中灰度值大于100的区域认为是缺陷区域并标记为黑色，结果见
（a） 灰度值大于120的区域
（b） 灰度值大于100的区域
（c） 灰度值大于95的区域
图7 不同灰度阈值的缺陷识别结果图
Fig.7 Defect recognition results by different gray thresholds
综合
（1）检测试验表明超声脉冲多次反射法适用于铝面板泡沫夹芯结构材料脱粘缺陷检测。检测时将超声波从铝面板表面入射，利用超声波在铝面板中的多次往复反射，放大粘接完好处和脱粘缺陷处反射波幅度的差异，提高脱粘缺陷的检测效果。
（2）在试验研究中，利用超声自动检测系统对人工模拟缺陷试样进行扫查检测，得到C扫描图像。试样上的人工缺陷采用不同方式制作，首先将缺陷制作位置的胶膜剪去，然后按传统制作方法置入对应尺寸的双层聚四氟乙烯薄膜圆片，或不置入薄膜圆片，模拟胶膜发生流动的情况。
（3）灰度点数量统计方式适用于扫描图像缺陷区域判定。在理想情况下，统计得出的完好区分布峰和缺陷区分布峰相互分开，判伤灰度阈值易于确定。在胶膜发生流动的情况下，完好区分布峰和缺陷区分布峰存在重叠，应根据缺陷轮廓和干扰点数量选择判伤灰度阈值，或通过后处理算法剔除干扰点，得到缺陷判定结果。
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