碳纤维复合材料(carbonfiberreinforcedplastic,CFRP)被广泛应用于航空航天工业。碳纤维复合材料的缺陷将降低其使用性能,因此有必要对碳纤维复合材料进行质量控制。无损检测是质量控制的重要手段,而其中尤以超声无损检测技术应用最为广泛。本文针对碳纤维复合材料的缺陷超声检测技术进行了研究,研究内容包括超声波在碳纤维复合材料层板中的传播特性、孔隙率检测方法、局部孔隙检测技术和细观缺陷检测技术。详细研究内容如下。(1)论文研究了超声波在碳纤维复合材料中的传播特性。基于声波在多层介质中的传播模型,论文应用数值方法研究了超声波的共振现象,分析了纤维体积比、名义层厚、孔隙和富树脂对反射系数的影响。在此基础上,论文提出了接收超声信号模型,分析了无缺陷、含孔隙缺陷和含富树脂缺陷的情形下,接收信号的时频分布。建立了接收超声信号的近似模型,可以为实现接收超声信号的稀疏表示提供参考,揭示了接收超声信号的多分量特性。(2)论文提出了基于非线性动力学分析方法的碳纤维复合材料孔隙率评估技术。论文研究了不同分析参数、不同尺度、不同距离准则下,孔隙率与递归图和递归定量分析、多尺度样本熵的关系,为无底波场合下的碳纤维复合材料孔隙率检测提供参考,实现同一批次CFRP的孔隙率反演。无底波情形在厚截面碳纤维复合材料和具有复杂几何形状的碳纤维复合材料的超声检测中较为常见。(3)论文提出了低孔隙率碳纤维复合材料中局部孔隙的检测技术。对于低孔隙率碳纤维复合材料,孔隙率满足要求,但局部孔隙富集现象将危害其使用性能。论文首先介绍了变分模态分解,后续讨论了包括高斯—牛顿算法、期望最大化算法和匹配追踪在内的超声回波的参数估计方法。在此基础上,论文提出了基于变分模态分解和超声回波参数估计的局部孔隙的检测方法。变分模态分解被应用于分离接收超声信号中的混合噪声、一阶共振结构噪声和含局部孔隙缺陷回波的低频成分。超声回波参数估计技术被应用于回波的分离。为缓解超声波在碳纤维复合材料中传播时的遮蔽效应,论文提出了能量函数和瞬时增益的概念,对局部孔隙的严重程度进行评估。(4)论文提出了复杂形状碳纤维复合材料中细观缺陷的检测技术。对于复杂形状碳纤维复合材料,在制造过程中较容易形成尺寸高于孔隙的缺陷,如接近毫米级别的孔洞、分层、细长裂纹等。细观缺陷不仅影响孔隙率评估,更严重的是将极大危害材料的使用性能。论文分析了超声回波在广义S变换下的时频分布,根据时频图像分析,提出基于自适应全局阈值、数学形态学、连续差分评价指标的超声回波还原方法。介绍了基于经验模态分解的消噪策略,分析了模态函数样本熵的分布,提出了基于模态函数样本熵的部分重建方法和基于窗函数的相干噪声抑制方法。介绍了支持向量机的基本理论和若干分类性能评价指标,提出了基于支持向量机的消噪方法。(5)论文提出了超声检测结果的可视化方案。论文讨论了可视化对象的选择、冗余和“遮蔽”的解决方案,提出了检测结果的多视图成像技术,实现缺陷快速识别。结合超声信号处理和检测结果可视化的需求,初步设计了超声检测系统。