碳纖維復合材料具有高強度、高模量、良好的抗疲勞性能和抗腐蝕性能等，被廣泛應用于航空、航天、汽車工業等領域。然而，由于碳纖維復合材料在制作工藝過程中的不穩定性與服役時易受載荷和復雜環境的影響，不可避免地產生分層、孔隙、纖維斷裂、纖維屈曲等損傷，如圖1所示。這些損傷將嚴重地影響碳纖維復合材料層合板的力學性能。
圖1 碳纖維復合材料常見損傷
超聲無損檢測技術因其檢測設備便攜、無污染危害以及檢測效率高等優點，是目前檢測復合材料損傷最為實用、有效的技術手段之一。然而，因碳纖維復合材料的各向異性和層狀結構的影響，增加了超聲檢測技術檢測復合材料層狀結構中損傷的難度。如圖2所示，利用超聲檢測技術圍繞四個環節實現碳纖維復合材料中損傷的檢測與成像：
(1) 建立碳纖維復合材料的聲場模型，研究損傷處的聲散射機理、聲傳播特性和聲能量衰減規律；
(2) 設計先進換能器的參數和傳感網絡的布設方式；
(3) 采用高效率高分辨率的超聲成像算法；
(4) 構建碳纖維復合材料層合板中損傷的評估標準與智能化損傷識別體系。
圖2 損傷檢測與成像的主要環節
碳纖維復合材料的聲學模型
碳纖維復合材料層合板是由多個具有不同纖維取向的碳纖維層按照一定順序堆疊固化形成的。根據碳纖維復合材料結構的特性，目前的研究工作將超聲在其中的傳播模型分為兩種，分別為基于體波在厚度方向或導波在面內方向檢測的聲學模型。
1 基于體波在厚度方向檢測的聲學模型
各向同性模型
在工業檢測領域，通常將碳纖維復合材料在厚度方向上簡化為各向同性介質，如圖3所示的xz平面，采用單探頭以垂直入射的方式測量的聲速為碳纖維復合材料的恒定聲速。
圖3 基于體波檢測的碳纖維復合材料各向同性聲學模型
然而，若采用超聲陣列檢測技術，對于不同鋪層方向堆疊的多向碳纖維復合材料層合板的檢測，不可避免地出現斜入射的聲傳播路徑。若基于各向同性聲學模型進行檢測，易造成損傷的誤檢和漏檢。
均質化模型
在常用的超聲波頻率（1——10 MHz）下的波長（0.3——3 mm）大于碳纖維復合材料的每層厚度（0.125——0.25 mm）。因此，如圖4(a)所示，可通過合成射線追蹤模型推導出的等效慢度面來獲得等效剛度常數，建立均質化聲學模型。通過底面反射法和穿透法，可獲取此模型在厚度方向上的速度分布曲線如圖4(b)所示。
圖4 均質化聲學模型示意圖(a)和速度分布曲線(b)
雖然基于射線理論的均質化聲學模型將碳纖維復合材料多向板所包含的整體均質化，從而簡化了計算過程。然而，該模型忽略了聲波在碳纖維復合材料多層結構中的反射和折射現象，從而降低了識別和定位損傷的精度。
各向異性非均質化模型
在考慮碳纖維復合材料的各向異性和多層結構的影響下，建立非均質化的各向異性聲學模型。對于單向鋪層的碳纖維復合材料，超聲波在其中的傳播符合各向異性彈性波的傳播規律。可根據彈性波動方程推導出Christoffel方程，用于表征相速度和群速度的分布。該方程表明了聲速空間分布與材料彈性剛度系數矩陣直接相關，Christoffel方程如下：
式中：ρ為介質密度；c為相速度；δij為Kronecker delta符號；Γij=Cijlmninj，為Christoffel矩陣；ui為質點位移；Cijlm為４階彈性剛度張量（i,j,l,m=1,2,3）；聲傳播單位矢量的分量。
通過求解Christoffel方程，可以得到關于相速度的三個解，分別對應準縱波（qP波），準垂直剪切波（qSV波）以及準水平剪切波（qSH波）三種波型。與各向同性介質不同的是，各向異性介質中的相速度與群速度在傳播方向和大小均不相同。圖5(a)為碳纖維鋪層角度分別為0°、±45°、90°方向的準縱波（qP波）群速度空間分布。
圖5 基于體波的碳纖維復合材料各向異性聲學模型
圖5(b)為基于各向異性聲學模型的聲傳播示意圖，可以明顯看出由于準縱波在不同方向鋪層中傳播時，垂直傳播的聲速相一致。因此，在垂直傳播的方向沒有層間反射和折射，反之，在偏離垂直方向的波產生了多次反射和折射的結構噪聲。
2 基于導波在面內方向檢測的聲學模型
準各向同性模型
超聲導波是由超聲波在邊界區域發生多次反射、折射并相互疊加而形成的。超聲導波不僅與材料參數相關，還與邊界條件有關，這導致超聲導波比傳統超聲體波更加復雜，具有多模態和頻散特性，例如板中傳播的Lamb波。Lamb波有對稱模態和反對稱模態。
理論上，因復合材料層合板的各向異性，Lamb波在復合材料中的傳播特性與方向有關。然而，如果選用足夠多的不同碳纖維方向的鋪層獲得的層合板可以被視為準各向同性模型。
各向異性非均質化模型
考慮碳纖維復合材料的各向異性，波在碳纖維復合材料層合板中的傳播出現了復雜的現象，如相速度和群速度方向不一致。在N層復合材料層合板中，各層內的波滿足Navier位移方程：
式中：ρ(n),λ(n),μ(n)為第n層的密度和拉梅常數（n=1,2,3,...N）。
如圖6所示，碳纖維復合材料的上下邊界為自由邊界條件，各層為剛性連接，可獲得頻散方程為：
圖6 基于導波的碳纖維復合材料各向異性聲學模型
通常采用有限元法、半解析有限元法、傳遞矩陣法、全局矩陣法和譜元法等求解復合材料中導波傳播特性。雖然有限元方法易于實現，且能夠適用于多個鋪層方向的碳纖維復合材料層合板，但是其計算時間太長。目前常采用傳遞矩陣法和全局矩陣法，傳遞矩陣法使用起來較為方便，但是在大頻厚積易于出現數值不穩定現象，可采用全局矩陣法以消除不穩定的現象。
研究人員針對復合材料中的導波衰減問題開展了一系列研究，包括衰減模型研究和導波衰減問題研究等。衰減模型有Hyteretic模型、Rayleigh模型和Kelvin-Voigt模型。
面向碳纖維復合材料的超聲檢測技術
超聲無損檢測技術分類的方法有很多，按照波型可以分為縱波、橫波、表面波、導波檢測技術等；按照掃描顯示方式可以分為A掃、B掃和C掃等。
現用于碳纖維復合材料層合板的超聲檢測技術，常用的有C掃描檢測技術、相控陣檢測技術、激光超聲檢測技術、空氣耦合檢測技術和光纖超聲檢測技術。
1 體波檢測技術
常規的超聲體波檢測方法利用超聲體波遇到損傷、邊界等異質界面會發生反射、折射現象，從而檢測出損傷。檢測方式有脈沖反射法和脈沖穿透法。
基于體波的C掃描檢測技術
如圖 7所示，目前基于超聲體波檢測技術有B掃描和C掃描檢測技術。
圖7 B掃描和C掃描檢測技術
C掃描檢測技術能夠實現碳纖維復合材料大面積的損傷成像。圖8為GE公司用于大型復合材料結構損傷檢測的超聲波水浸C掃描探傷系統，該技術具有顯示直觀和檢測速度快的特點。
圖8 超聲C掃描檢測系統
影響C掃描成像顯示的可靠性因素可能為檢測步進、檢測頻率和檢測增益。汪林娜等通過實驗驗證了這些因素的影響，結果表明檢測較薄的碳纖維復合材料損傷，需要減小檢測步進，采用高頻探頭，選擇合適的增益以提高檢測結果的可靠性。
基于體波的相控陣檢測技術
超聲相控陣檢測技術通過控制換能器陣列各陣元按照一定的延遲時間和幅值，激發（或接收）脈沖信號，實現聲束的偏轉和聚焦。
相控陣換能器的尺寸、陣列的間距、數量、換能器的排列方式、發射源孔徑的大小等都影響著損傷檢測的準確度。在無損檢測領域中，常采用線性排列的換能器陣列實現碳纖維復合材料在厚度方向的損傷檢測和定位，其換能器的寬度和陣列的間距參數的設計影響著縱橫波的輻射指向性。
因超聲相控陣檢測技術具有高檢測分辨率、高檢測準確度、高靈敏度等優勢，非常適用于高衰減和復雜形狀的碳纖維復合材料的分層、夾雜、裂紋、鉆孔、纖維屈曲等各種損傷類型進行檢測。例如對于碳纖維復合材料中的分層損傷，Nageswaran等對分層損傷進行檢測和分類，并評估其對在役部件完整性的威脅；進一步地，為驗證相控陣技術的檢測能力，Meola等將此技術與紅外熱成像技術進行對比，同時采用這兩項技術對預埋分層損傷進行了檢測，證明了相控陣技術能夠有效地檢測出較厚的碳纖維復合材料層合板中的預埋分層損傷的大小、尺寸和深度等信息。Caminero等在不同深度的碳纖維復合材料層壓板中嵌入不同尺寸和形狀的人工損傷，研究了鋪層的堆疊順序對損傷區域的影響。以上這些對于分層損傷的檢測，基于預埋損傷與復合材料聲阻抗差異較大，而診斷出分層損傷，但均沒有進行一個分層損傷的定量化評估。曹弘毅等利用超聲-6 dB法定量分析了C掃圖像中的損傷，結果表明了超聲相控陣對小損傷具有較好的檢測效果。
由于碳纖維復合材料的各向異性造成無法使用常規的時差法計算相控陣的延遲時間從而影響損傷的B掃描圖像，徐娜等提出聲速校正方法，并對比分析校正前后的B掃圖像，證明了經過聲速校正后有效提高了近表面區域的損傷檢出率。
因此，利用超聲相控陣檢測技術能夠檢測出碳纖維復合材料厚度方向的微小損傷和近表面區域的損傷，具有較高的空間分辨率。
基于體波的空氣耦合超聲檢測技術
上述的B掃描、C掃描和相控陣檢測技術，都需要借助水耦合、甘油耦合或者粘貼于結構表面耦合，才能實現碳纖維復合材料層合板中的超聲檢測。然而，在航空航天方面對產品的安全性能有著極高的要求，液體耦合劑會滲透進復合材料而破壞其力學性能和尺寸的穩定性。因此，需要采用非接觸的檢測技術，例如空氣耦合檢測技術和激光超聲檢測技術。
采用基于體波的空氣耦合檢測技術用于碳纖維復合材料中的損傷檢測的難點在于：
(1) 超聲波在空氣中衰減快；
(2) 在空氣與碳纖維復合材料的界面處會產生強烈反射，導致進入復合材料中的能量低；
(3) 由于碳纖維復合材料為高衰減材料，導致接收的超聲波含有較高的結構噪聲且損傷信號微弱。
國內在空氣耦合檢測換能器設計方面的發展，已取得了進步。周正干等針對空氣耦合超聲檢測中的信號微弱、信噪比低等問題，研究了調頻脈沖壓縮方法。此外，危荃等基于空氣耦合超聲檢測技術基本原理，建立了空氣耦合超聲檢測系統。為實現碳纖維復合材料的損傷檢測，殷曉康等和高雙勝等通過自研制的空氣耦合超聲檢測系統，分別實現了碳纖維復合材料中的平底孔和沖擊損傷的C掃描顯示。另外，對于碳纖維復合材料的脫粘損傷，董方旭等采用空氣耦合超聲檢測系統，基于穿透法實現了脫粘損傷的C掃描成像顯示。
國外對于空氣耦合檢測的研究起步早于國內，其檢測設備較為成熟。Imielińska等采用空氣耦合超聲換能器結合C掃描技術檢測碳纖維復合材料的沖擊損傷，并進行沖擊響應后的損傷尺寸評估，檢測結果與射線檢測結果進行對比，呈現出較好的一致性，如圖9所示。
圖9 檢測復合材料中的沖擊損傷：(a) 超聲波C掃描技術；(b) X射線技術
雖然，基于體波的空氣耦合超聲技術能夠很好地實現碳纖維復合材料中的脫粘損傷和沖擊損傷的檢測，但是空氣耦合超聲因其信號衰減很大，難以實現較厚的碳纖維復合材料層合板中微小損傷的檢測。
基于體波的激光超聲檢測技術
激光超聲檢測技術是非接觸式的超聲檢測技術，其檢測原理是利用激光脈沖照射到材料表面，發生熱彈性效應，形成熱應力，從而激勵出縱波、橫波和導波等超聲波，沿著結構表面或者內部傳播，利用激光接收超聲波，達到材料和結構無損檢測的目的。
激光超聲檢測技術具有遠距離、非接觸、高分辨力、大范圍檢測、激發超聲頻帶寬等優點，同時樹脂基復合材料對激光的吸收系數較大，可以滿足超聲轉換效率的要求，所以激光超聲檢測技術在碳纖維復合材料層狀結構檢測領域有很大發展潛力。但是，激光超聲在復合材料檢測領域有幾個問題：能量轉換效率較低、激光超聲信號微弱、增大激光能量可能導致材料燒蝕問題。
在國內，Sun等采用激光激勵與激光接收的檢測方式，基于自研的激光超聲檢測系統，實現了復合材料的分層損傷的檢測。郭佳等同樣基于激光激勵與激光接收的檢測方式，分別采用了脈沖反射法和穿透法，對碳纖維復合材料中不同大小的圓形損傷損傷進行檢測，如圖10所示，結果表明激光超聲檢測技術能夠檢測出直徑為2 mm的圓形損傷。劉松平等采用激光激勵縱波與超聲換能器接收信號的檢測方式，研究了復合材料中常見損傷的激光超聲信號特征與損傷識別評估方法。隨著幾十年的發展，國內激光超聲技術在激勵、接收、理論和技術等方面取得了極大進步。
圖10 激光超聲檢測復合材料的結果
在國外，洛克希德·馬丁航空公司獨立開發了自己的激光超聲檢測系統，名為LaserUT。該系統能夠實現厚度為44 mm的碳纖維復合材料損傷的檢測，被證實能夠實現先進的軍用飛機的復合材料的損傷檢測。對于大曲率的復雜型面結構的碳纖維復合材料工件，比利時列日大學Vandenrijt等結合機械手臂，采用激光超聲技術實現了其中的損傷檢測。此外，Zeng等結合激光和空氣耦合技術，開發出用于檢測編織碳纖維復合材料的空氣耦合激光超聲檢測系統，并分析了表面編織結構對激光超聲信號的影響，實現了碳纖維復合材料的淺層和深層的損傷檢測，并對比于相控陣檢測技術，具有更高的對比度和更少的檢測率。
以上的檢測技術將碳纖維復合材料視為各向同性聲學模型下對損傷進行成像，然而在明確各向異性聲學模型下的聲速空間分布之后，采用上述的B掃、C掃檢測技術、相控陣檢測技術、激光超聲檢測技術和空氣耦合檢測技術，能夠實現碳纖維復合材料中損傷更為準確的檢測。例如，大連理工大學林莉團隊考慮到碳纖維復合材料的各向異性與非均勻性，給出了三種波（qP波、qSV波和qSH波）的群速度的空間分布曲線，并成功地檢測出分層損傷。對于纖維褶皺這類與復合材料聲阻抗差異較小的損傷，周正干等利用準縱波，有效檢測出碳纖維復合材料層壓板中的纖維褶皺。
因此，基于體波結合C掃描、相控陣、空氣耦合、激光超聲等檢測技術，能夠較好地實現碳纖維復合材料層合板中的微小損傷，但其檢測效率有待提高。
2 導波檢測技術
相比于基于體波的檢測技術檢測范圍小，超聲導波具有檢測范圍廣，檢測效率高等特點，被廣泛用于航空航天領域大型碳纖維復合材料薄板的損傷檢測。在明確了導波的傳播特性后，可結合超聲C掃描、相控陣、激光超聲、空氣耦合檢測技術，激發出導波用于檢測碳纖維復合材料薄板中的損傷，從而實現大范圍的結構健康監測。
在20世紀90年代中期，Guo等首次將超聲Lamb波應用到復合材料層板中的分層損傷的檢測。
基于導波的相控陣檢測技術
基于超聲導波的相控陣檢測技術適合應用于薄壁結構的損傷檢測，具有大面積掃查、信噪比高、聲束方向靈活可控、檢測靈敏度高等優點。
近年來，研究人員逐步將相控陣檢測技術用于復合材料中的損傷檢測，由于復合材料的各向異性，難于實現波束形成。Yan等研究了復合材料板中線性陣列的波束轉向問題，選取準各向同性導波模態進行波束導向，以抑制各向異性的影響。Yan等利用弱各向異性導波模態，并假設相速度和群速度方向局部重合，基于單發多收陣列的數據定位復合材料板中的鉆孔損傷。Vishnuvardhan等人使用單發多收陣列檢測準各向同性復合材料板中撞擊分層損傷。Leleux等使用超聲相控陣探頭激勵中心頻率為0.5 MHz的S0模態，實現對復合材料板中的損傷進行檢測，但是該方法局限于相同方向的相速度和群速度。Purekar等研究了一維線性相控陣檢測復合材料層合板分層損傷的能力，結果表明，該陣列在相速度和群速度方向相同的方向上可以檢測到損傷。Yu等提出了一種考慮導波參數和能量偏斜效應的相控陣算法，在各向異性復合材料板上形成相控陣波束，實現多損傷的成像檢測。此外，Huan等研究了鋁板中基于SH0模態相控陣檢測技術，SH0模態無頻散，但是還未有學者利用該模態到復合材料的導波相控陣檢測中。
對于復合材料薄壁結構，基于超聲導波的相控陣檢測技術更加適合，該技術目前還未走向工程應用，需要研究人員在針對各向異性復合材料檢測的超聲導波相控陣列設計、信號處理與成像診斷、自動化檢測系統等方面繼續開展研究。
基于導波的空氣耦合檢測技術
采用基于導波的空氣耦合檢測技術，實現碳纖維復合材料的損傷檢測是近幾年的研究熱點。結合導波檢測范圍廣和空氣耦合非接觸檢測的特點，非常適合用于大尺寸的碳纖維復合材料的損傷檢測。
超聲導波的模態調諧潛力對復合材料分層等不同類型的損傷具有極好的靈敏度。如果選擇合適的入射角，可以使用空氣耦合換能器很好地生成和檢測Lamb波。Yan等通過調節入射波的角度控制Lamb波的模態，通過設置閾值級別來確定損傷的大小，并通過分析顏色映射大小來確定碳纖維復合材料中損傷的嚴重程度。進一步，Liu等研究發現通過空氣耦合換能器能夠定向接收分層損傷的反射波，從而通過反射波確定碳纖維復合材料梁的分層損傷兩端的大小和位置。吳霞等采用空氣耦合超聲換能器置于碳纖維復合材料層壓板的同側，激勵和接收A0模態的Lamb波，提出時頻域的損傷指數算法，實現了損傷的定位定量評估。
國內外對于空氣耦合超聲檢測技術應用于碳纖維復合材料的檢測方面，在算法和仿真方面都做了一些研究，但是，目前國內的研究還依賴于國外的設備。因此，為實現空氣耦合超聲檢測在航天航空領域的工業化的應用，還需根據碳纖維復合材料的特性，研發出一體化、自動化和智能化的空氣耦合超聲檢測設備。
基于導波的激光超聲檢測技術
激光超聲導波檢測技術具有非接觸，可遠距離、高效、可適用于復雜構件檢測等特點，被廣泛用于大曲率的渦輪葉片、機翼、鉆頭等復雜結構的檢測中。Zhang等基于激光超聲掃描技術，提出了一種基于異常入射波能量的改進成像方法，并根據能量分布圖以顯示碳纖維復合材料中損傷的大小和形狀。
雖然激光超聲檢測技術在復合材料損傷檢測方面具有優勢，但是其應用成本遠高于其他的檢測技術。因此，還需研發出低成本和小型化的激光超聲檢測設備。
基于超聲導波的檢測技術由于具有傳播距離遠、響應快、可以探測傳統超聲波檢測技術難以檢測的部位等優點，十分適合定性檢測復合材料大面積薄壁結構的脫粘、裂紋和腐蝕等損傷。然而，導波的檢測分辨率有限。
另外，在實用狀態下，復合材料結構可能會面臨溫度變化、振動等外部因素的影響，Salamone等開展了變溫度環境下的復合材料層合板的損傷檢測，包括溫度對導波頻散曲線的變化影響、溫度對換能器膠層傳導應變能力的影響、溫度補償等。
基于導波的光纖超聲檢測技術
相較于傳統的超聲波壓電陶瓷換能器易受電磁環境的干擾和不耐腐蝕的缺點，光纖超聲波換能器具有不易受電磁干擾，耐腐蝕，能夠埋入被測物體，換能器尺寸小等特點，成功應用于工業無損檢測、海洋地震勘探等領域。
光纖超聲檢測技術的研究始于1990年Alcoz等研發出的一種新型光纖超聲換能器用于復合材料損傷檢測，至今國內外對這方面的研究已開展了三十余年，從而使得光纖超聲檢測裝置在檢測頻率范圍和檢測靈敏度方面都得到了提升。光纖超聲檢測技術作為一種無損檢測新型檢測技術，被廣泛應用于金屬裂紋和復合材料的損傷檢測。
光纖超聲檢測技術的基本原理是利用超聲波與光纖之間的相互作用引起的光纖傳輸的光的強度、相位、波長、偏振狀態等的改變，從而獲取被測物體內部的信息。圖11為一種典型的光纖超聲檢測系統，在該系統中由壓電陶瓷超聲換能器激發出導波，利用光纖光柵接收導波信號。研究表明，對比于激發出的對稱模態波和反對稱模態波，光纖換能器對于對稱模態波更敏感。因此，Tsuda等利用激發出的對稱模態波檢測正交碳纖維復合材料中的沖擊損傷，通過比較壓電陶瓷和光纖換能器的接收信號響應，表明光纖換能器對信號響應的靈敏度更高，比傳統的壓電換能器更適合于超聲導波的檢測。
圖11 光纖超聲檢測系統示意圖
綜上所述，利用光纖超聲檢測技術可實現碳纖維復合材料沖擊損傷的檢測，然而，該技術在實際工程應用方面，還需在系統結構、換能器的性能和反饋控制器等方面進行優化。
3 各種檢測技術的比較
以上介紹的這些常用的超聲檢測技術各有特點，能夠實現相互結合檢測。例如Spytek等結合了體波和導波的優點，提出兩部損傷評估框架。首先，利用導波對于復雜構件的碳纖維復合材料板進行快速地大面積的掃查，再針對出現損傷的區域采用高頻的超聲激光超聲檢測技術，實現高分辨率的損傷成像。因此，需要根據實際檢測要求和環境，選擇相應的超聲檢測技術。
基于體波的檢測技術能夠實現厚度方向上微小損傷的檢測，現有研究檢測碳纖維復合材料的樣品厚度的范圍約為3——6.4 mm，在檢測頻率為20 MHz時，能夠檢測到的最小損傷直徑約為 0.5 mm。基于導波的檢測技術，檢測的樣品厚度范圍一般為2.54——4 mm的碳纖維復合材料層合板，該技術具有檢測范圍廣和檢測效率高等優勢，能夠檢測最小損傷直徑約為3 mm。
面向碳纖維復合材料的損傷成像方法
利用超聲成像算法對損傷進行診斷，能夠更加直觀地表征損傷的嚴重程度。然而，由于超聲波信號在碳纖維復合材料中呈現出高衰減的現象，造成接收回波幅值信號小，不易提取損傷特征信息。對接收的信號在成像之前進行預處理，就顯得十分重要。根據超聲信號是一種典型的非線性和非平穩的信號特征，常采用時頻域的分析方法提取損傷信號的特征。
超聲回波的時頻分析主要用于去掉測量噪聲的干擾、區分重疊的回波和識別出信號特性的變化三大方面。常用的時頻分析方法有小波變換、短時傅里葉變換、S變換、希爾伯特-黃變換等方法。其中小波變換被廣泛應用于無損檢測領域之中，利用小波變換對超聲回波信號進行降噪，結合模極大值進行了信號奇異點的檢測，從而提高了損傷回波信號的檢出能力。進一步，為解決復合材料中臨近表面的分層損傷的檢測問題，利用S變換和希爾伯特-黃變換提高檢測損傷的分辨率。
1 全聚焦成像
全聚焦方法通過處理采集的全矩陣數據，對于待檢測空間中的每一點進行虛擬聚焦成像顯示。具體實現步驟如下：將待測試塊所處的二維空間劃分為離散的坐標點，將每一個坐標點視為虛擬聚焦的焦點，對于發射陣元i(ai,0)和接收陣元j(aj,0)的組合，從接收陣元j(aj,0)接收的信號中，確定空間的某點X(x, z)所歷經的同等時間的回波幅值，就是該點X的成像幅值。
由全聚焦成像方法的原理可知，精確地計算聲時是影響成像效果的主要因素。而目前針對碳纖維復合材料的聲時計算，基于的模型分為三類：第一類是將復合材料視為各向同性介質；第二類則是將復合材料均質化處理；第三類則是考慮了復合材料的非均勻性和各向異性，采用一些聲線示蹤的方法進行聲時的計算。
為了實現褶皺損傷的精確表征，張海燕等基于上述第一類各向同性聲學模型，結合超聲波在傳播時聲場能量與聲束擴散方向的關系，對全聚焦成像方法進行了校正，校正后的褶皺損傷成像圖和實物圖較為一致。
由于超聲檢測波長大于復合材料層狀厚度，符合均質化理論。據此，Yan等和Li等對于復合材料中的三個不同深度的橫通孔進行了全聚焦成像，結果表明成像效果優于各向同性的模型，但是因鋪層反射的結構噪聲的影響，使得成像信噪比較低。
為精確實現損傷的診斷成像，還需對復合材料中的聲傳播路徑和聲時進行分析與計算。目前用于層狀結構的復合材料的聲時計算有正演與反演兩大類的聲線示蹤方法。正演類聲線示蹤方法通過分析入射聲波經過異種各向異性材料的分界面的反射和折射現象，建立聲線傳播路徑。
反演類聲線示蹤方法則是基于費馬原理在已知聲波發射源的位置和目標點的位置的條件下，反演出他們之間的聲傳播路徑和聲時。這與計算機領域中搜索最短路徑算法的目的相一致，因此，不少學者將Dijkstra算法、A*算法和Viterbi算法用于奧氏體剛焊縫和碳纖維復合材料等各向異性材料的檢測中。
Dijkstra算法是從一個頂點到其余各頂點的最短路徑算法，解決的是有權圖中最短路徑問題。而A*算法在Dijkstra算法的基礎上增加一個啟發式函數來進行射線追蹤，提高了搜索效率。這些算法采用了求解路徑規劃問題的策略，適合于沿給定節點尋找路徑。
橫通孔、分層、夾雜等損傷與復合材料的聲阻抗差異較大的損傷易于檢出。而對于纖維褶皺這類與復合材料聲阻抗差異較小的損傷，若使用常規超聲方法則會出現漏檢和誤檢等現象。利用超聲相控陣與全聚焦方法的結合，如圖12所示，有效檢測出多向碳纖維復合材料層壓板中的纖維褶皺損傷。除此之外，Dijkstra算法也被應用于復合材料角部件結構和混凝土中的損傷診斷。
圖12 碳纖維復合材料中的褶皺損傷的TFM成像
綜上所述，全聚焦成像應用于平板類碳纖維復合材料的研究較多，對于復雜結構的碳纖維復合材料中損傷的成像研究較少。另外，目前的全聚焦成像技術，沒有考慮聲衰減的變化，若考慮了能量的變化，再優選聲傳播路徑或者對衰減的能量進行補償，能夠進一步提高全聚焦成像的效果。
2 三維可視化成像
現有的超聲圖像可視化表征基本是二維圖像，例如B掃、C掃描顯示和全聚焦成像結果。為更加立體地呈現出復合材料中損傷的大小、位置和形狀等方面的信息，可采用三維可視化成像技術。對比于傳統的二維成像技術，超聲相控陣三維成像的主要優點是：
(1) 提高了損傷檢出的準確率，減少了誤檢和漏檢的風險；
(2) 精確表征損傷的體積；
(3) 檢測范圍廣，成像效率高。
因此，三維可視化成像技術具有廣闊的市場應用前景，是當前工業無損檢測的一個研究熱點。
三維超聲圖像的重構主要基于兩種采集方式的數據 ，一種是基于帶有位置編碼器的一維線性相控陣探頭采集的數據，另一種則是基于二維矩形排列的相控陣數據。因一維線陣換能器成本低，被廣泛應用于復合材料中的三維超聲圖像的重構。
由于復合材料的多層邊界造成的結構噪聲，使得采用三維可視化表征的損傷大小不夠精準。對此，Mohammadkhani等提出基于小波變換和提取結構噪聲統計均值和標準差的智能閾值技術，更為精確地實現了損傷的三維成像。另外，為實現快速且實時化的損傷三維成像，如圖13所示，Bulavinov等利用相控陣基于合成孔徑技術獲取B掃描圖像，再將這些B掃描圖像合成為損傷的三維圖像。基于一維陣列探頭采集的數據，也實現了復合材料中沖擊損傷和孔隙損傷的三維可視化成像。
圖13 碳纖維復合材料損傷的三維可視化成像
如圖14所示，利用二維面陣對待測物體發射聚焦光束進行體積掃描，從而實現損傷的三維可視化表征。基于面陣探頭的三維圖像重構的優點就是掃查速度快和高的空間分辨率。
圖14 三維相控陣掃描示意圖
3 層析成像
超聲層析成像是基于超聲傳播理論，由檢測設備從物體外部實測獲得投影數據，通過建立投影數據與超聲傳播路徑和聲速參數分布組成的模型方程之間的關系，反演出物體內部的二維圖像。
超聲層析成像按照采集方式的不同，可以分為透射式和反射式。透射式層析成像最先被提出和應用，最初的假設聲波按照直線傳播，類似于X射線，但在實際中聲波往往存在折射和衍射的特征，在不同的介質的界面處會發射折射和衍射的現象。因此，Lytle等基于射線追蹤方法，反復迭代更新超聲波以反演出實際的超聲波的傳播路徑，從而獲得物體內部損傷的成像。
反射式層析成像則用于大尺度結構的損傷成像，基于置于檢測物體一側的換能器的測量數據，通過濾波-反投影法以重建損傷的形貌。Jansen等在反射式采集方式下，利用Lamb波的聲時和能量衰減等信息為層析成像所需的投影數據，實現了碳纖維復合材料中分層損傷的層析成像。然而，采用射線近似的假設，不適用于復合材料中的微小損傷，因為此時的損傷在投影的方向尺寸不大于低頻導波的波長，從而出現較大的誤差。對此，一些學者提出了基于波動方程的衍射層析成像方法。Wang等基于波函數給出了由不均勻性引起的拉伸和彎曲平板波的散射現象的精確解。
為避免Lamb波在碳纖維復合材料中傳播的產生的復雜反射信號的特征提取困難，Su等提出了基于希爾伯特能譜和Lamb波層析成像的損傷識別方法，如圖15所示，分別在仿真模擬和實驗兩方面都實現了碳纖維復合材料的單損傷和多損傷的定位成像。
圖15 碳纖維復合材料的損傷層析成像結果
4 逆時偏移成像
逆時偏移方法被認為是地質勘探領域中高精度的地質構造輪廓的成像方法。它是一種基于波動理論的深度域偏移方法，可以呈現出極其復雜的地層結構模型的輪廓圖像。按照處理資料的不同，可以分為疊后和疊前逆時偏移成像。
目前，在超聲無損檢測領域，疊前逆時偏移方法廣泛用于均勻介質和分層介質中的損傷成像。常用的疊前逆時偏移成像條件有激發時間成像、振幅比成像和互相關成像條件。其中互相關成像條件應用最為廣泛。
對于較薄的碳纖維復合材料層合板，采用頻率相對較低可近似于Mindlin板理論的波模型，從而利用疊前逆時偏移結合激發時間成像條件實現損傷的成像。進一步，為了提高成像的分辨率和效率，采用零延遲互相關成像條件對復合材料層合板中的損傷進行逆時偏移成像。
逆時偏移方法對于較薄的碳纖維復合材料板中的損傷，能夠不受其頻散的影響，較好地實現損傷成像，但是使用該方法時耗費的計算時間較長，計算數據量大，不適合用于損傷的在線監測。
5 概率成像
上述的三種成像算法中，全聚焦成像算法、三維可視化成像方法以及逆時偏移成像方法都可用于基于體波檢測技術的信號，實現損傷的檢測成像。而概率成像則主要用于基于導波檢測數據的損傷成像。該方法不依賴于結構的先驗知識，如導波的傳播模態和群速度等。該方法是基于概率的損傷檢測重構算法，通過引入空間概率分布函數和信號損傷指數表征損傷。空間中某點的成像點的幅值是以各路徑的損傷指數因子乘上加權函數的結果，當成像幅值越大，則該點位置出現損傷的概率就越高。
概率成像方法因在成像過程中無需導波在結構中的模態和群速度的空間分布等先驗知識，具有計算效率高，并且能夠有效識別碳纖維復合材料結構上的各種類型的損傷。如圖16所示，Liu等結合虛擬時間反轉和概率成像方法，對碳纖維復合材料中梯形、矩形和圓形等不同形狀的損傷進行成像。由于基于導波的檢測數據，其損傷形貌的成像結果不如C掃描的成像結果，然而其成像效率遠高于C掃描技術。Mustapha等還研究了變厚度的碳纖維環氧樹脂層壓板和高性能泡沫夾芯組成的夾芯板中的導波傳播規律，定義了單個傳感路徑的損傷指數，以檢測錐形復合夾層板中的脫粘損傷。
圖16 碳纖維復合材料不同形狀的損傷的概率成像結果
然而，影響概率損傷成像診斷效果的因素有頻率、傳感路徑網絡以及有效橢圓分布區域的大小等。對此，Wu等提出采用多個頻率融合圖像的方法以消除不同頻率的影響，并針對其他影響因素提出了提高損傷識別效果的優化方案，成功提高了碳纖維復合材料加筋板上的損傷定位精度。對于傳感網絡的密度影響概率成像效果的問題，Liu等結合全求和方法和全乘法方法這兩種圖像融合方法，對概率成像方法進行了改進，以消除不均勻概率分布的影響，從而提高檢測的準確性和可靠性。Zhu等基于機電阻抗結構健康監測方法提出了改進的概率加權損傷成像算法，有效地檢測出蜂窩夾層復合材料結構內部的脫粘。
概率成像方法能夠在未知導波的傳播模態和群速度等先驗知識下，基于引入的空間概率分布函數和實際測量到的信號差異對損傷的嚴重程度進行診斷。然而，在真實服役環境下，各接收信號之間產生差異的原因可能不僅僅來源于由損傷引起的超聲導波散射信號，因此，損傷診斷成像效果易受檢測環境的影響。
主要的挑戰和未來的發展方向
應用于碳纖維復合材料的超聲陣列檢測技術在近幾十年的發展中取得了很大的進步，且新技術和新手段的出現為該領域帶來了新的發展動力和方向。但是，面臨不斷推出復雜結構的新型碳纖維復合材料，如何高效、可靠、精確地檢測并評估出這些材料中各種類型的損傷仍然面臨挑戰。
01 主要的挑戰
(1) 構建復雜環境下不同材料結構的聲學模型
碳纖維復合材料可以分為樹脂基、金屬基、陶瓷基和橡膠基這4種常用形式，不同分類的基體材料所具備的性能優勢并不相同，而且差異巨大。另外，一些由碳纖維復合材料組成的外形結構也十分復雜，例如L形、T形、Ω形等結構。未來的研究方向需要考慮在復雜環境條件下，建立這些不同材料結構的碳纖維復合材料中的聲學模型，例如在水或者覆蓋冰層中的碳纖維復合材料復雜結構的損傷檢測。
(2) 研究超聲波與不同損傷類型的作用機理
為了提高超聲檢測技術的損傷診斷能力，研究超聲波與不同損傷類型的作用機理是十分重要的。這些研究內容包括超聲波遇到不同的損傷類型的聲散射能量和傳播模式的變化等。
(3) 建立多場耦合傳感網絡
由于碳纖維復合材料的固化工藝與服役工況復雜，狀態參數多，單一的傳感技術難以獲得定量表征復合材料結構狀態所需的信息。因此，需要建立多場耦合傳感網絡。
(4) 優化損傷成像算法，實現在線實時成像
近年來，一些學者將并行計算、GPU加速、多線程采集、FPGA等現代計算機科學技術與陣列超聲后處理成像技術相融合，初步實現了金屬損傷的實時成像。然而，由于碳纖維復合材料的各向異性，其聲時計算方法較為復雜，需優化損傷診斷成像算法，實現基于各向異性聲學模型的碳纖維復合材料的工業化實時成像。
(5) 建立定量評估損傷大小形狀的標準
國內外主機廠對碳纖維復合材料平板中的分層等面積型損傷檢測，已形成了相應標準，如國外ASTM E2580和E2533，我國GJB 1038.1和HB 7825等。而對于其他類型的損傷檢測沒有統一標準，主要依賴檢測人員的專業水平，從而無法一致地定量評估損傷的類型、大小和形狀。
(6) 建立壽命評估與預測體系
隨著碳纖維復合材料的大量使用，為節省維修成本和充分利用這些復合材料以達到經濟利益最大化，對這些服役材料壽命的評估與預測是具有廣闊的市場應用需求的。
2 未來的發展方向
隨著計算機技術的快速發展，使得超聲檢測技術和成像方法在算法方面朝向更高精度、更便捷、更高效、更準確的方向去發展。
(1) 結合機器學習的損傷診斷算法
以機器學習為核心的人工智能在近幾年高速發展，受到很多領域的廣泛關注。在復合材料無損檢測領域，先進傳感技術與數據挖掘技術相結合是未來發展的一個趨勢。傳統的無損檢測技術對專家經驗過度依賴，底層信號特征易受環境因素影響，不同損傷或者條件下的損傷指數不通用。在“大數據”時代，將機器學習應用于無損檢測領域，對龐大的數據進行訓練，從而提高檢測效率、精度和可靠性。
應用于無損檢測領域的機器學習方法有人工神經網絡（ANN）、深度神經網絡（DNN）和支持向量機（SVM）等方法。ANN是模仿大腦神經網絡結構和功能建立起來的信息處理系統，包含輸入層、隱含層和輸出層。DNN與ANN類似，通過建立多層隱含層的模型并訓練龐大的數據集，以此獲取更深層的信息。楊宇等人利用偏斜感知的數據增強方法，建立了分布式時序神經網絡模型，成功識別出碳纖維復合材料加筋板的沖擊損傷。在缺乏訓練數據的情況下，低維空間中建立非線性映射，從而將樣本轉換為高維空間，SVM具有較強學習能力和泛化能力。此外，高東岳基于隨機森林回歸模型，建立復合材料結構的損傷識別模型。楊宇等通過多機器學習模型對數據監測，提高了結構損傷識別的泛化能力，建立復合材料結構損傷識別方法。
機器學習在超聲無損檢測技術已經初步表現出準確性高、效率快等優勢，但是在檢測領域使用機器學習還面臨一些挑戰：
1）監測數據不完備，樣本數量不足；
2）數據偏斜嚴重；
3）數據的采集和分析沒有統一標準。
面對這些挑戰，在無損檢測領域和結構健康監測領域需要做一系列的應對策略，例如建立大數據庫，支持數據共享、完善核心算法、統一數據信息化標準等。
(2) 結合數字孿生模型的結構健康監測技術
損傷評估有四層：損傷檢測/識別、損傷定位、損傷量化、對結構剩余使用壽命的預測。無損檢測/結構健康監測技術目前關注點在損傷評估的前三層，即制造和服役過程中檢測到的損傷輸出。盡管前三個層次很重要，但是將檢測結果輸入到結構剩余壽命模型中，從而構建結構狀態預測的數字孿生模型，也是未來具有挑戰性的工作。
結論
超聲檢測技術是一種可靠的無損檢測/結構健康監測手段，在碳纖維復合材料損傷檢測領域具有廣泛的應用前景。可有效地解決碳纖維復合材料的各種損傷類型的檢測，具有操作簡單、高效、成本低、檢測精度高等特點。綜合國內外發展的不足，關于碳纖維復合材料層合板損傷的超聲檢測與成像方面的后續研究建議需要從以下五個方面開展：
復雜構件的聲場模型的建立；
損傷成像算法的優化；
智能/高效/實時化的檢測和成像系統的構建；
損傷定量評估標準的建立；
基于機器學習和數字孿生技術的應用。
來源：楊紅娟，楊正巖，楊雷，單一男，林奎旭，武湛君
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