碳纤维复合材料作为一种高性能新材料，具有比强度高、比刚度大、耐腐蚀、可设计性好等优点，可满足特殊结构所需的轻质、高强、重载等要求，在航空航天、轨道交通等领域获得了广泛应用。复合材料结构设计及制造工艺复杂，在制造过程中容易出现制造缺陷，此外，由于基体本征脆性和层间强度相对较弱，在受外界冲击载荷作用时容易产生冲击损伤。制造缺陷和冲击损伤会降低复合材料结构件的残余强度和使用寿命，导致结构整体失效或其它灾难性后果。
　　无损检测与评估技术能够提供复合材料内部损伤的特征信息，是对制造缺陷和冲击损伤进行定性分析与定量评估的有效手段。超声相控阵技术作为一种常用的无损检测技术，具有分辨力高、准确度高和对复杂结构件适用性好等优势，在复合材料无损检测领域受到越来越多的关注。
　　本文针对碳纤维复合材料制造缺陷和冲击损伤的准确检测与评估问题，开展了超声相控阵无损检测技术的声场建模方法、超声信号处理方法和超声三维可视化成像方法研究，并进行了典型分层缺陷和冲击损伤的实验测试验证，主要研究内容包括:
　　(1)超声相控阵声场模型构建及声场特性分析。首先，针对超声相控阵固固界面条件下的声场建模问题，基于瑞利积分方法，建立了超声相控阵多点源三维声场模型。然后，通过模型仿真对声场特性进行可视化分析，研究了激活孔径、聚焦深度对声场聚焦深度、声场聚焦区域、主声轴能量等声束聚焦特征的影响。最后，提出了一种基于声场模型的检测参数优化方法，并对该方法进行实验验证。
　　(2)基于HHT的超声信号处理方法研究。针对超声回波到达时间的准确计算问题，提出了一种基于希尔伯特-黄变换(HHT)的自适应超声信号时频分析方法。首先对超声信号进行经验模态分解，通过筛选最优本征模态函数，实现了信号去噪与有效特征提取，利用Hilbert变换获取的重构信号包络来实现超声回波到达时间的计算。通过对加噪超声仿真信号到达时间的计算，验证了所提方法的准确性及抗干扰能力。
　　(3)基于缺陷深度信息的超声三维可视化成像方法研究。针对超声信号缺陷回波的准确识别问题，提出了一种基于类间方差的自适应信号阈值确定方法，实现了缺陷回波的自适应识别。在研究超声回波到达时间计算方法和缺陷回波识别方法的基础上，提出了一种基于缺陷深度的超声三维可视化成像方法，实现了缺陷空间特征的三维展示和智能化评估。对分层缺陷标准试样超声相控阵检测结果进行三维可视化表征，并对分层缺陷进行定量评估，验证了所提方法的可行性与准确性。
　　(4)碳纤维复合材料层压板低速冲击损伤特性研究。针对复合材料层压板冲击损伤特征的准确识别问题，利用超声相控阵无损检测方法，结合超声C扫图像、S扫图像与三维可视化图像，对低速冲击损伤特征及扩展方式进行研究。分析了冲头直径对冲击响应参数、表面损伤特征和内部损伤特征的影响，并对三者之间的相关性进行研究，建立了不同冲击参数下吸收能量、凹坑深度及损伤面积之间的关联模型。
　　论文研究进一步优化了超声相控阵无损检测技术与方法，实现了复合材料内部缺陷和损伤特征的智能化识别，提高了无损检测与评估的准确度和效率，对复合材料结构件生产工艺优化及运行安全保障具有重大工程实用价值。