《无损检测》课件10 声震检测

1、第十讲 声振检测法 对应教材内容： 6.2 声振检测法 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，在物理上这是由于它们振动的幅度、振动的频率、振动持续的时间以及单振动和复合振动等的不向。这些物理量与振动物体的材料、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：式中，F机械振动的驱功力，u质点的振动速度，Z等效力阻抗的表达式为：式中，M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就可以相对地对胶接质量进行检测。 声阻检测法就是用电声换能器激发样品振动，而反映样品振动特件的力阻抗反作用于

2、换能器，构成换能器的负载。当负载有变化时，换能器的某些持性也随着变化。根据换能器不同特性的测量有振幅法、频率法和相位法等。 频率检测法 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。 可将构件受冲击所产生的响应时间记录变换成相应的频谱，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许多裂缝，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，从而引起模量的降低。由高速傅立叶变换得到的典型频谱示于右

3、图，对其进行分析可以了解被检工件的质量。 频率检测法 局部激振法 局部激振是对被测结构的一点或多点施加激励，使其发生振动、并对所有欲测的各点，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(阻尼)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、阻尼总体水平的变化不大，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

4、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，因而使用效果就不如后者好。 单点激振(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的环境，而且设备的价格较高。但是由于可实现快速检测，而且一次能检测的构件面积较大，在一些构件(如飞机的机翼等)中得

5、到应用。 振幅测量法 多点激振法 在每一被测点施加激励，且在同一点上测量振动的响应，可用来测量胶接结构的脱粘、分层和叠层构件的气孔以及有缺陷的蜂窝结构。 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，主要优点是在探头和构件之间一般不需要耦合剂，使检测工作更加快速和方便。 多点激振法应用较多的是声阻法和扫描法。 (2)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有异常的结构存在。测量在单一振动频率下进行，常见的频率在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，它是利用由两个压电晶片组成的检测器

6、(个晶片激振，另个接收信号)， 以点源形式激发样品作弯曲振动，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。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联值。 式中，Kc换能器与工件表面的接触刚度，Kd缺陷区的刚度。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，Kd由下式给出：式中，d缺陷的直径。此处，E杨氏摸量；h板厚；泊松比如用dB表示阻抗变化量，则有：式中，r缺陷半径。检测灵敏度与缺陷

7、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，只要给被测件个有效的激励信号，根据接收到的电压信号的大小、相位和谐振频率的变化，即可确定胶接层的质量状态。检测灵敏度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(即胶接结构的上板厚度)有关。(2)单片声阻法 一个晶片激振和接收返回信号，主要用来检测粘接质量。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，使换能器的共振谐频和幅度随不同的负载而变化。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

8、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。 扫描声振检测技术声谐振检测技术：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，并用比换能器自然频率低的扫频连续波激励。 当此连续波通

9、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交流电流的增加。检测时，将压电换能器置于被测工件表面，并用耦合剂进行声耦合，利用仪器内部的扫频振荡器，将一个从低频端到高频端进行快速扫频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。有共振点，点阻抗突然降低，利用这一现象即可测量共振频率。 扫描声振检测技术当换能器置于被测工件上时，共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。 树脂基胶接结构胶层的弹性与它们内聚强度之间存在的近似线性的统计关系。 可以通过对由树脂和胶层弹性所引起的电声换能器特性影响的测量，并

10、借助破坏性试验的统计关系曲线来估算内聚强度。 扫描声振检测技术二、声振检测的应用蜂窝结构具有较高的比强度，在导弹、火箭和卫星上得到广泛的应用，如火箭和卫星的玻璃钢蜂窝整流罩、铝蜂窝仪器舱等。蜂窝结构件成形工艺复杂，脱粘缺陷不可避免。1.蜂窝结构检测检测时，探头激发产生的声波进入被测试件，并使被测点基材振动，接收部分将根据接收信号相位和幅度的差别来判断被测件的质量。 粘接质量的变化使得阻抗刚性系数产生很大的变化。通过和标准试样进行对比，可见在某个频率点上，粘接良好区和缺陷处的相位与幅度有最大的差别，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。 这种方法在使用时无需要液体耦合，不污染产品，可对曲面和微小点进行测试，有较小的接触点和使用灵活性，适用于形状不规则或弯曲的表面。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，特别适合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6l0是采用脉冲激励方法，在激光脉冲传播至构件时取几微秒间隔的视图组成全息图