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i

Z 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。