《Applied Acoustics》：Multilayer material damage imaging based on multiple reflection waves
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针对多层材料超声检测中多次反射波干扰问题，提出基于传递函数反演算法的缺陷检测方法，结合A/B/C扫描技术实现有效信号分析。
Bowei Chen | Yu Shangguan | Chong Chen
国家水下声学技术重点实验室，哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001，中国
摘要
对于多层材料的超声波无损检测，材料层数的增加通常会导致多次反射波的复杂性增加，这显著降低了传统超声波方法的检测效果。本文提出了一种基于多次反射波的多层材料传递函数反演算法，用于缺陷检测，并结合超声波扫描方法来表征缺陷的特征。
引言
多层复合材料具有轻质、高强度和优异的耐腐蚀性[1]、[2]，已迅速应用于航空航天、汽车制造、造船等工业领域[3]。然而，由于环境因素和服役过程中的机械应力，这些材料不可避免地会遭受内部损伤，如裂纹和分层[1]。这些隐藏的缺陷通常位于材料深处，传统检测方法难以触及，成为结构完整性的潜在威胁[4]。因此，开发一种高效精确的多层复合材料内部损伤无损检测（NDT）技术已成为一个紧迫的挑战，具有重要的学术和实际意义。目前的无损检测（NDT）方法主要包括热成像检测、射线检测和超声波检测[5]、[6]。超声波检测技术作为工业领域应用最广泛的方法[7]、[8]，通过分析材料内部的声波传播特性及反射或发射信号来检测内部缺陷[9]。该技术具有相对较低的检测成本[10]、广泛的适用性和操作简便性，非常适合多层复合材料的无损检测。
传统的超声波检测方法在检测多层复合材料时由于多次反射波的干扰而效果较差。为了提高检测精度，人们开发了新的超声波检测技术和算法。先进的信号处理方法，如小波变换[11]，在信号解释方面表现出巨大潜力，显著提升了超声波检测的精度和可靠性。此外，激光超声波检测（LUT）等技术为超声波检测带来了新的维度和方法，通过非接触式操作提高了在复杂环境中的适应性[12]、[13]。Zhou[14]提出了一种用于多层结构的阵列超声波检测方法，该方法利用振幅谱特性进行C扫描成像，有效提高了多层粘合结构的信噪比（SNR）和检测效率。在Li的研究[15]中，开发了一种基于匹配追踪的自干扰消除算法，成功消除了多层复合材料中的多次反射现象。Tiwari[16]利用低频超声波导波技术和二维离散小波变换来减少风力涡轮叶片检测中的噪声，提高了缺陷定位的准确性。Wan[17]指出，非线性超声波（NLU）技术已成为检测传统方法难以发现的微尺度损伤的有前景的前沿技术。然而，仍需要完成针对不同声场类型的非线性声学理论，以满足应用需求。
本研究提出了一种基于多次反射波的缺陷检测方法。通过分析多层材料中的声波传播过程，构建了一种多层传递函数反演算法。结合超声波扫描技术，该方法最终实现了对多层复合材料内部缺陷的有效检测。多次反射波是指当存在多个波阻抗界面时，在一个界面反射后可能在其他界面再次反射的波。2016年，Shen[18]提出了一种利用斜入射超声波多次反射来检测薄液层的方法，可以清晰区分水层的存在并估计水层厚度。2025年，Jiang[19]的研究提出了一种基于多层反演的缺陷检测方法，能够准确识别多层复合材料中的缺陷。
超声波扫描可以分为A扫描、B扫描和C扫描[20]。A扫描波形表示样品上某一点沿深度方向的所有回波信号。通过沿某个方向移动换能器并逐点进行A扫描，得到的图像就是B扫描。C扫描相当于对样品特定深度的横截面进行扫描[21]。多个A扫描可以形成B扫描，多个B扫描可以形成C扫描。通过超声波扫描技术，可以获取缺陷的形状信息。
本文研究了基于纵波的检测方法。由于垂直入射和接收的特点，换能器产生的入射波始终是垂直入射波，接收换能器也只能响应纵波。因此，纵波产生的剪切波会导致能量损失，但不会影响检测结果。尽管实际上会产生少量剪切波并散失，但对基于纵波的检测方法影响不大。
方法论
传统的多层材料超声波检测方法通常需要关联多次测量得到的波形数据。在这些方法中，没有研究波的传播细节，时间窗口的选择通常是随意的。为了完成相关性计算，检测前必须测量一个参考状态，这增加了噪声的影响。信号的相关性只能提供关于声场的粗略信息，从而导致检测精度较低
多层材料试样的制备
图4中的三层结构由不同材料组成，每层的长度为100毫米，宽度为100毫米，高度为5毫米。
在超声波探头的检测表面上建立了一个二维坐标系，该坐标系对应于第一层的上表面。超声波探头在第一层的上表面进行扫描测量，每次探头移动时都会记录位置坐标。假设缺陷出现在
发射信号的提取
图9显示了在试样上三个不同位置测得的3个接收信号。位置1和位置2对应无缺陷状态，位置3存在缺陷。在8微秒时发射一个信号，大约1.6微秒后接收到回波（在矩形框内标出），这与声波穿过5毫米厚铝层的往返时间延迟相符。这一观察结果证实了回波的对应关系
结论
本文分析了多层结构中超声波检测的原理，并建立了多层材料中声波传播过程的数学模型。为了定位复合材料中的缺陷位置，提出了一种从多次反射信号反演复合材料部分传递函数的算法，相应的脉冲响应可用于表征其中发生的缺陷
CRediT作者贡献声明
Bowei Chen：撰写——原始草稿、方法论、实验研究。Yu Shangguan：撰写——审稿与编辑、形式分析。Chong Chen：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、实验研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作是在哈尔滨工程大学的国家水下声学技术重点实验室进行的。研究得到了海洋信息获取与安全重点实验室的支持，并由哈尔滨工程大学水下声学工程学院资助。
