声振检测

声振检测法近年来，随着复合材料和复合结构的应用不断加强，对检测的要求也不断提高，一些常规的无损检测方法往往难以满足要求，如纤维增强复合材料的疲劳裂纹和冲击损伤，就是不容易检测的缺陷。

此外，复合材料中的残余应力常将裂缝的两侧压在一起，形成所谓的“无间隙裂缝”，这种裂缝不能承受除了压力载荷外的其他载荷，但是低幅度的超声检测技术也都几乎无能为力，而采用声振检测方法检测上述缺陷时，却往往能取得比较满意的结果。

声振检测是激励被检件产生机械振动，通过测量被测件振动的特征来判断其质量的一种无损检测方法。

一、检测原理及方法我们知道一个物体的振动状态不同，表现为发出的声音不同，在物理上是由于他们振动的幅度、振动的频率、Ａ振动持续的时间以及单一振动和复合振动等的不同。

这些在物理量与振动物体的材料和结构等的性能是相关的。

作为一个振动系统，在单一频率情况下，机械振动的基本方程为=∙F Z u式中，F——机械振动的驱动力u——质点的振动速度Z——等效力阻抗Z的表达式为iZ jwM R jX R=++=+jwC式中，N——等效质量，C——等效柔顺性，R——等效损耗阻，Z 的数值与胶接状态密切相关。

通过测量Z，或在F一定时测量u，就可以相对地堆胶接质量进行检测。

所谓声阻检测法就是用电声能器激发样品振动，而反应样品振动特性的力阻抗反作用于换能器，构成换能器负载。

当负载有变化时，换能器的某些特性也随着变化。

换能器不同特性的测量有振幅法、频率法和相位法。

（一）频率检测法当对构件施加一冲击力时，它将在其所有的振动形态下振荡，不同形态的相对强度视冲击性质和位置而定，因此，构件响应是系统所有形态自然频率和阻尼的函数。

采用高速A/D（数-模）转换或数字瞬态捕捉设备，可以将系统响应的瞬态信号以数字形式存储于计算机内存中。

存储的数据可以在检测后进行处理，获得每一种模态的对数减幅率。

也可以采用快速傅里叶变换方法，将幅值-时间数据变换成幅值-频率数据。

利用上述技术，可将构件受冲击所产生的响应时间记录变成响应的频谱。

这样一来，在时间域很难分辨的被检构件的自然频率，在频谱中很容易从其最大值中加以辨认。

纤维增强塑料中的损伤，不论是单一裂缝还是分布在零件整个体积上的裂缝，都会使零件的刚度降低，这种刚度的改变必然引起零件自然频率的降低。

由高速傅里叶变换得到的典型频谱图6—5，对其进行分析可以了解被检工件的质量。

（二）局部激振法局部激振法是对被测结构的一点或多点施加激励，使其发生振动，并对所有预测的各点测量其结构的局部性能。

1.单点激振（1）振动热图法纤维增强塑料中损伤的存在往往导致形成裂缝和微裂缝，当对损伤的复合材料施加周期应力时，在各种裂缝和边缘之间会发生相对运动而产生热量。

如果构件内存在不同形式的局部且严重的损伤，阻尼总体水平变化不大，但小的局部区域内的阻尼变化则可能比较大。

检测周期应力形成的局部温升可以判断结构的质量，常用的方法是采用扫描红外摄像机。

红外摄像机能以灰度等级或伪彩色方式显示表面温度。

这种方法对复合材料紧贴型的裂缝具有良好的检测能力。

振动热图检测适用于热扩散率低的工件，以便有效地阻止损伤区的热量快速传导，因此，这种方法很少用于热导率高的金属。

由于碳纤维复合材料的热扩散率明显高于玻璃纤维复合材料，如GFRP （玻璃纤维增强塑料）等，因为使用效果就不如后者好。

热图法在实际应用中虽然还会遇到很多问题（特别是热导率、杂散热源、温度灵敏度和表面热辐射系数等），但它作为一种非结束测量技术，具有一定的特色，而且还能够监视裂缝的扩展，所以在复合材料的无损检测中有着广阔的应用前景。

（2）振幅测量法构件内的局部损伤往往使振动模态形式有所改变，采用激光全息照相系统可以获得蜂窝结构件的缺陷视图。

这种方法需使构件振动至谐振，并产生运动的时间平均全息图，它特别适宜于蜂窝壁板中蒙皮与芯脱粘的检测。

这种方法要求必须建立无振动环境，而且设备的价格较高。

但是由于可以实现快速检测，而且是一次能检测的构件面积较大，在一些构件（如风机的机翼等）中得到了应用。

2.多点激振法这种方法是每一被测点施加激励，并在同一点上测量输入的力或振动的响应，可用来测量胶结结构的脱粘、分层和叠层构件的气孔以及有缺陷的蜂窝结构。

缺陷都是“平面”状地，形成一个或几个与基层分离的结构层。

这种方法不适合检测纵向裂缝（其延伸方向垂直于检测面）。

上述“平面”状地缺陷是复合材料构件常见的缺陷，并且有较大的危害性，因此这类无损检测方法已成为目前生产中最简便易行和最常用的方法。

该技术与频率较高的超声检测相比，另一主要优点是在探头和构件之间一般不需耦合剂，使检测工作更见方便快速。

它们同样能比较容易地用于蜂窝结构的检测。

多点激振法应用较多的是声阻法和扫描法。

（1）声阻法声阻法是利用测量结构件被测点振动力阻抗的变化来确定是否有异常的结构存在。

测量在单一振动频率下进行，常用的频率在1—10kHz之间。

声阻法又可分为双片声阻法和单片声阻法。

双片声阻法又称为声阻抗法，它利用两个压电晶片组成的检测器（一个是晶片激振，另一个是接收信号），以点源形式激发的样品作弯曲振动，并将样品振动的力阻抗通过触头转移为检测器的负载，通过对检测器特性的测量，来检测样品力阻抗的变化，达到检验目的。

图6-6为一典型的胶接结构件，图6-7为构件的阻抗-频率曲线，从图中的曲线可以看出，声阻法可以清楚地检测出缺陷。

声阻法检测缺陷的可能性取决于换能器在良好区上的等效接触刚度与缺陷区上等效刚度的差。

等效接触刚度是实际接触刚度与结构件刚度的并列值，见图6-8.因而缺陷的等效刚度ke，可由下式给定：式中，换能器与工件表面的接触刚度，缺陷区地刚度。

缺陷区的刚度应根据缺陷上部的板的边界条件来计算，若缺陷上部为边界钳紧的板，在频率明显低于板的第一共振频率时，k由下式给出：式中，d——缺陷的直径。

此处，E——杨氏模量；h——板厚；v——泊松比。

如用dB表示阻抗变化量，则有：式中，r——缺陷半径。

根据上式可计算缺陷检测的灵敏度。

由式6-7可见，检测灵敏度与缺陷半径的平方（缺陷的面积）成正比，与缺陷埋藏深度的立方成反比。

在实际检测中，通常利用换能器将这种阻抗变化转换成相应的电压信号。

因此只要给被测件一个有效地激励信号，根据接收到的电压信号的大小、相位和谐振频率的变化，即可确定胶结层的质量状态。

检测灵敏的则与其阻抗的变化有关，因而可以得知能检出最小缺陷的灵敏度与缺陷的埋藏深度（即胶结结构的上层板厚度）有关。

（2）单片声阻法它采用一个晶片激振和接收返回信号，主要用来检测粘接质量，其检测作用如图6-9所示。

它用电声换能器激发样品振动，而反映样品振动特性的力阻抗反作用于换能器，构成换能器的负载，使换能器的共振频率和幅度随不同的负载而变化。

单片声阻法用来检验胶接内聚强度，为检测胶接层的拉伸强度，激发样品主要作纵振动，同时测量换能器共振时的幅值大小。

对剪切强度的检验，主要是通过激发样品作弯曲振动，对换能器的共振基频进行测量。

单片声阻法对胶接强度检测的实际作用，是通过对换能器特性的测量来检测样品力阻抗的变化。

大量实践证明，对于用同一种胶剂和同一种工艺胶接的同一种产品，该方法的测试结构与胶接强度存在着某种统计关系。

实际检测中，通过大量的破坏性实验，绘出换能器某些特性与胶接强度之间的统计关系曲线，作为校准曲线来实现强度的检测。

图6-9为检测示意图。

（2）扫描声振检测技术声谐振检测技术也是复合材料构件常用的质量检测方法。

声谐振技术实质上是声阻抗的一种特例。

它们的共同点是：通过电声换能器激发被测件，并测试以被测件为负载的换能器的阻抗特性。

声谐振检测通常可分为两种类型，以频率随时间变化的扫频连续波入射工件和以可调的单一频率的波入射工件。

扫描声振检测技术的基本原理是，检测换能器与被检工件耦合，并用此换能器自然频率低的扫频连续波激励。

当此连续波通过被检工件的基频谐振或谐波振动时，换能器所承受的载荷要比其他频率大得多，载荷的增加会引起激励电流的增加。

检测时，将压电换能器置于被检工件表面，并用耦合剂进行耦合，利用仪器内部的扫频振荡器进行扫频，将一个从低频端到高频端的快速扫描的交流电压加于换能器，形成压电晶体机械振荡，同时测量晶体导纳。

在谐振点，电阻抗突然降低，利用着一现象即可测量谐振频率。

当换能器置于被检工件（复合材料板或胶结结构）上时，谐振频率和阻抗均将发生变化，而这些变化都与作为换能器负载的工件阻抗特性相关。

检测时，利用决定工件阻抗的复合材料树脂基和胶结结构胶层的弹性与他们内聚强度之间存在的近似线性的统计关系，从而可以通过有树脂和交接弹性（或柔性）所引起的电声换能器特性（谐振频率、幅值等）影响的测量，及借助破坏性试验的统计关系来估计内聚强度。

二、声振检测的应用1.蜂窝结构检测蜂窝结构具有较高的比强度，在导弹、火箭、卫星和卫星上得到广泛应用，如火箭和卫星的玻璃钢蜂窝整流罩、铝蜂窝仪器舱等。

由于蜂窝结构检测成形工艺复杂，脱粘缺陷时不可避免的。

检测时，探头激发产生的声波进入被检试件，并使被测点基材振动。

接收部分将根据接收信号和幅度的鉴别的差别，既结构所承受谐振力后产生的机械阻抗变化来判断被检测件的质量。

粘结质量的变化使得阻抗刚性系数产生很大的变化。

通过标准试样进行对比，结果在某个频率点上，粘接良好区和缺陷处的相位与幅度有较大差别，它取决于脱粘的尺寸和蒙皮的厚度，通过机械阻抗分析法，能够检测出单层或多层面板的蜂窝胶接结构中粘接层之间的脱粘缺陷。

采用上述方法可以检测出0.5mm+H+0.5mm的铝面板+铝蜂窝（H代表蜂窝夹心）结构中直径10mm的脱粘缺陷；0.6mm+H+0.7mm的铝面板+玻璃钢蜂窝结构中的直径15mm的缺陷。

这种方法在使用时无需液体耦合，不污染产品，可对曲面的微小点进行检测，有较小的接触点和使用灵活性，适用于形状不规则的弯曲表面。

通过在探头顶端加载弹簧或接触压力并配合C-扫描系统，可实现连续式机械扫描，特别适用于检测形状复杂的大型蜂窝结构件，可提高检测效率。

2.复合材料检测图6-10是采用脉冲激励方法，在激光脉冲传播至构件时取几微妙间隔的视图组成全息图它是以CFRP为板面的蜂窝壁板的检测结果，其中含有两个缺陷。

声阻法在国外航空制造工业得到了广泛应用，它可以检测出复合材料层和板中一层或几层与基层的分离，这种形式的局部缺陷对构件整体动态特性影响很小，但构件局部刚度的下降时很显著的。

3.胶接强度检测胶接强度检测的应用并不限于复合材料层复合板结构，它们能提供树脂结合构件的质量信息。

表6-1给出了部分应用检测实例。