超声背散射信号递归定量分析无损表征CFRP孔隙率研究

摘要

目前常用超声衰减法分析底面回波信号，实现碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastics,CFRP)孔隙率表征。当孔隙率较高、存在大尺寸孔隙或孔隙严重偏聚时，底面回波信号降低，该方法表征效果不佳。孔隙散射引起的超声背散射信号持续存在，从本质上可认为是由n个质点组成的非线性动力学系统。本文引入一种非线性动力学系统的分析方法——递归定量分析(Recurrence Quantification Analysis,RQA)方法处理超声背散射信号，开展CFRP孔隙率表征研究。在明确RQA基本参数选取方法和量化指标意义的基础上，对孔隙率范围0.2%～5.1%的含孔隙CFRP模型进行仿真计算，获得量化指标递归度RR与孔隙率P之间的相关关系。由于孔隙形貌在一定程度上影响孔隙率表征结果，进而给出RR与孔隙形貌特征（孔隙尺寸和位置分布）之间的联系，并利用孔隙率范围0.6%～4.2%的CFRP层板进行实验验证。主要研究内容如下： 1.针对厚度3 mm，3.6 mm和4 mm的CFRP层板中61个采样点，使用接触式脉冲反射法采集超声信号。借助金相法获得CFRP金相照片后统计孔隙率，利用孔隙平均宽度Wmean、最大孔隙宽度Wmax定量描述孔隙尺寸这一形貌特征。 2.针对孔隙率范围0.2%～3.6%的CFRP模型仿真计算得到的超声检测信号，采用超声背散射信号最大幅值A2和样品上表面回波信号幅值A1之比k定量描述超声背散射信号幅值变化。利用RQA方法分析超声背散射信号，得到可描述信号幅值变化的递归图(Recurrence Plot,RP)。观察RP图中均匀结构、周期结构、对角线段、水平/垂直线段等特征结构，确定适合采用RQA方法分析的超声背散射信号特征。 3.建立孔隙率范围0.7%～5.1%的规则球形孔隙CFRP模型，采用RQA方法分析仿真计算得到的超声背散射信号获得P与RR之间呈单调递减关系。在已有模型基础上，建立2组仅孔隙位置分布不同的模型，对比RQA方法分析结果：孔隙位置分布相同时，RR随孔隙直径D增加而下降；孔隙尺寸相同时，RR与孔隙中心间距d呈反比关系。 4.基于孔隙率范围0.6%～4.2%的真实形貌孔隙模型(Real Morphology Void Model,RMVM)，仿真结果显示RR随P增加而减小；采用分形维数F定量描述孔隙位置分布，发现相同P时RRmin对应模型F和Wmean最小而Wmax最大，说明该模型中孔隙位置分布和尺寸等形貌最为异常。基于孔隙率范围0.6%～4.2%的CFRP层板验证了RMVM仿真结果的有效性。利用P-RR散点图中上下限拟合线的欧氏距离ED归一化结果度量RR表征P的准确性，同超声衰减系数?相比，结果表明P较低时EDRR高于EDα，α表征P准确性较高，随P增加，RR表征效果更好。

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