張 震，曾 亮，張永華，李秋鋒，習(xí)璐穎

(1.上海新力動(dòng)力設(shè)備研究所，上海 201109;2.湖北宜昌市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測所，湖北 宜昌 443005;3.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

0 引言

粘接結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度、比模量高及其他優(yōu)越的性能而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。由于粘接結(jié)構(gòu)在加工和使用過程中會(huì)出現(xiàn)粘接不良、氣孔、局部脫粘等缺陷，破壞了粘接結(jié)構(gòu)的完整性，使得界面粘接強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而造成產(chǎn)品失效引發(fā)事故，特別是在航空航天領(lǐng)域?qū)頌?zāi)難性后果，所以粘接質(zhì)量及可靠性問題日益突出，對粘接結(jié)構(gòu)無損檢測的技術(shù)要求也越來越高。

目前，對粘接件的無損檢測主要著重于對膠層的界面缺陷與內(nèi)聚強(qiáng)度的檢測與評價(jià)，方法主要有:超聲檢測方法、紅外熱成像法、射線照相法、滲透法，它們都各有優(yōu)點(diǎn)和局限性。紅外熱成像法具有圖像直觀、非接觸、檢測精度高、范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但因它的應(yīng)用成本高，對溫度等環(huán)境因素敏感，所以在使用紅外熱成像技術(shù)時(shí)要嚴(yán)格控制環(huán)境的影響［1］;射線檢測法是利用X射線和Y射線進(jìn)行遠(yuǎn)視拍片，通過膠層密度的變化來判斷粘接質(zhì)量的方法。射線透射過不同材料時(shí)有不同程度的衰減，通過觀察感光黑度不同的底片圖像判斷結(jié)構(gòu)的粘接質(zhì)量［2］。射線檢測法的優(yōu)點(diǎn)是檢測結(jié)果比較直觀、易判斷、可長期保存。但是它同樣也具有難以克服的缺點(diǎn)，比如它不能保證檢出界面處貼合脫粘，而且對孔隙缺陷并不敏感［3］。相比于超聲法，射線檢測法由于檢測周期長、費(fèi)用高而在應(yīng)用上受到了一定程度的限制。滲透法是用于檢測材料的表面缺陷的方法，效果直觀，可同時(shí)顯示各種表面缺陷;它的缺點(diǎn)是只能檢測開口暴露在試件表面的缺陷，不能檢測隱藏缺陷［3］。

相比其他常用的無損檢測方法，超聲法因具有使用方便、穿透能力強(qiáng)、靈敏度高、對人體無害、成本低、被測對象范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在粘接結(jié)構(gòu)的無損檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 超聲檢測法

目前常用于檢測粘接結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量的超聲檢測方法主要有脈沖回波法、斜入射法、超聲相控陣法、聲－超聲法、導(dǎo)波法。

1.1 脈沖回波法

超聲脈沖回波法是利用超聲波的反射特性對一界面脫粘情況進(jìn)行檢測的方法。它是指將持續(xù)時(shí)間很短的超聲脈沖波垂直入射到被測物體表面，當(dāng)脈沖波穿過氣泡或其它聲阻抗率不同于介質(zhì)本身的雜質(zhì)時(shí)，部分反射回來的聲波稱為缺陷波，另一部分繼續(xù)傳到介質(zhì)底面后再反射回來的聲波稱為底波，最后通過對反射波、缺陷波和底波在時(shí)間軸上的位置進(jìn)行分析來探測反射源在被測物體中的位置和大小。超聲波在粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播過程中遇到氣孔或脫粘等缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的回波［4］。對于金屬－非金屬粘接質(zhì)量的檢測，用脈沖回波法是十分有效的。20世紀(jì)50年代，Thomson［5］研究了彈性波在分層介質(zhì)中的傳播過程;20世紀(jì)70、80年代，超聲脈沖回波法已經(jīng)開始應(yīng)用于粘接結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量檢測。1991年，Billson等［6］采用脈沖回波法，再運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模分析，成功檢測出了粘接結(jié)構(gòu)中的缺陷。近幾年，脈沖回波法在粘接質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用越來越廣泛。Emeterio等［7］采用超聲脈沖回波法，通過分析鋼/橡膠/橡膠三層粘接結(jié)構(gòu)中兩界面的時(shí)間差來對不同界面的缺陷進(jìn)行定征。

1.2 斜入射法

斜入射法是通過研究粘接界面特性與不同聲波入射角之間的關(guān)系和變化規(guī)律，來檢測粘接界面缺陷［8］。超聲斜入射法的優(yōu)點(diǎn)是無需高頻率超聲波即可提高界面弱化探測靈敏度。Rokhlin等［9-10］采用斜入射法，針對粘接結(jié)構(gòu)的特性和劣化程度進(jìn)行表征和評價(jià)。安志武等［11］采用忽略了粘接層厚度的彈簧模型研究并分析鋁－膠－鋁等厚粘接工件的超聲反射頻譜的低頻特性。楊雪等［12］研究了在超聲波斜入射條件下，在多層高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)中，每層材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的變化以及幾何參數(shù)的變化作用于吸聲性能的影響。羅忠等［13］利用一次反射回波的斜入射技術(shù)建立了超聲波斜入射時(shí)水中隱身夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的聲學(xué)模型，同時(shí)分析了超聲波入射角的變化對反射系數(shù)和吸聲系數(shù)造成的影響。

1.3 超聲相控陣法

超聲相控陣換能器的工作原理是基于惠更斯－菲涅耳原理。超聲相控陣技術(shù)是運(yùn)用超聲探頭晶片的組合，由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組合成陣列，并且按照一定的規(guī)則和時(shí)序控制激發(fā)各個(gè)晶片，使得所有的晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)波陣面［14］。在接收反射波時(shí)，按一定的規(guī)則和時(shí)序控制接收晶片，再進(jìn)行信號(hào)合成，將合成的結(jié)果用適當(dāng)?shù)男问斤@示出來。超聲相控陣技術(shù)最初主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦來進(jìn)行檢測。國內(nèi)已有中國石油大學(xué)、中科院聲學(xué)研究所等單位將超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于聲波測井井下成像。陳友興等［15］利用相控陣超聲檢測技術(shù)對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)封頭構(gòu)件的粘接狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示該檢測方法在界面粘接檢測方面具有廣泛的應(yīng)用前景。蒲波等［16］對復(fù)合材料的粘接性能進(jìn)行檢測說明了超聲相控陣技術(shù)在檢測復(fù)合材料粘接性能上的應(yīng)用前景。李懷富等［17］通過超聲相控陣技術(shù)對復(fù)合材料樣板粘接進(jìn)行試驗(yàn)后提出超聲相控陣技術(shù)可以通過反射波很好地顯示出其缺陷位置。

1.4 聲－超聲法

聲－超聲(Acoustic-ultrasonics，AU)技術(shù)最早是由美國宇航局的Vary等于1976年提出。隨著AU技術(shù)在復(fù)合材料、粘接接頭等方面的應(yīng)用越來越廣泛，越來越多的研究機(jī)構(gòu)開始積極開展AU技術(shù)的應(yīng)用研究。聲－超聲技術(shù)檢測的適用性好，檢測時(shí)僅采用2個(gè)超聲換能器，按照一發(fā)一收的方式進(jìn)行檢測。AU技術(shù)利用超聲換能器或激光照射的方法以一定的方式向復(fù)合材料內(nèi)部輻射脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)經(jīng)過在復(fù)合材料內(nèi)部的多界面的反射與折射，發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生了橫波和縱波，橫縱波在傳播過程中與復(fù)合結(jié)構(gòu)粘接層發(fā)生復(fù)雜的相互作用，到達(dá)放置在材料的同一或另一表面的接收裝置。最后通過分析接收裝置中的AU信號(hào)，分析檢測材料內(nèi)部的各種力學(xué)性能的變化。鄧明晰等［18］采用聲－超聲技術(shù)對鋁板－粘接層－鋁板的粘接質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)基于聲－超聲技術(shù)的應(yīng)力波因子與粘接層固化時(shí)間存在單調(diào)對應(yīng)關(guān)系，由此表明用應(yīng)力波因子及聲信號(hào)的幅頻特性表征和評價(jià)復(fù)合結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量是可行的。艾春安等［19］運(yùn)用AU技術(shù)結(jié)合采用自適應(yīng)濾波法和小波變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量的檢測。

1.5 導(dǎo)波法

作為一種有效的超聲檢測技術(shù)，超聲導(dǎo)波法在材料無損檢測與評價(jià)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。超聲導(dǎo)波是由超聲波在板狀體或管狀體的不連續(xù)交界面間經(jīng)多次反射、干涉、疊加和波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的。頻散和多模式是導(dǎo)波的最主要特點(diǎn)。通過研究導(dǎo)波的頻散特性就可以實(shí)現(xiàn)對材料的檢測和評價(jià)［19］。它的優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快，從單點(diǎn)激勵(lì)就可以進(jìn)行長距離檢測。在應(yīng)用方面，Rose［20］在深入系統(tǒng)的研究，且已經(jīng)形成專著。國內(nèi)在這方面的研究也取得了一些進(jìn)展。艾春安等［21］在進(jìn)行利用導(dǎo)波檢測固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多層結(jié)構(gòu)殼體的研究工作上，采用全局矩陣法，推導(dǎo)了多層結(jié)構(gòu)殼體的導(dǎo)波頻散方程，并且分析了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)剛層和絕熱層之間的層狀粘接結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量對頻散曲線的影響。張銳等［22］通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種新的對層狀粘接復(fù)合結(jié)構(gòu)層間界面力學(xué)參數(shù)定征的超聲導(dǎo)波方法。

2 超聲信號(hào)處理手段

目前，超聲檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于粘接結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量無損檢測，而對檢出的超聲特征信號(hào)進(jìn)行分析與處理是極其重要的。超聲檢測信號(hào)處理就是在了解超聲波在被檢對象介質(zhì)中傳播規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理手段，去除噪聲影響，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，提高采集到的信號(hào)質(zhì)量，時(shí)頻處理方法是目前應(yīng)用比較廣泛的方法，下面介紹幾種有效的時(shí)頻信號(hào)處理方法。

2.1 小波變換(Wavelet Transform，WT)

小波分析是通過對信號(hào)作伸縮平移逐步實(shí)現(xiàn)細(xì)化，高頻部分時(shí)間細(xì)分，低頻部分頻率細(xì)分，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)任意細(xì)節(jié)的聚焦［23］。敦怡等［24］運(yùn)用小波變換分析從多層粘接結(jié)構(gòu)深層界面提取的回波信號(hào)特征，來識(shí)別和定位深層界面的脫粘缺陷。高志奇等［25］使用小波變換分析薄板粘接結(jié)構(gòu)檢測信號(hào)，提出與粘接質(zhì)量相關(guān)的特征值，并使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對粘接質(zhì)量作出定量識(shí)別。陳振華等［26］在鎂合金超聲檢測中采用小波去噪技術(shù)獲得了不錯(cuò)的效果。

2.2 HHT 技術(shù)

HHT(Hilbert-Huang Transform)技術(shù)最早是在1998年由NASA的Norden E Huang提出，用于非線性系統(tǒng)的分析。HHT技術(shù)在處理非穩(wěn)定非線性信號(hào)時(shí)具有更高的時(shí)頻分辨特性，它是一種具有自適應(yīng)性的時(shí)頻局部化分析技術(shù)［27］。HHT技術(shù)由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?Empirical Mode Decomposition，EMD)和Hilbert譜分析2個(gè)步驟組成。按照這種方法得到的Hilbert譜可以在時(shí)頻域中對被處理的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)描述，其具有很高的時(shí)頻分辨率，并且由EMD分解獲得的每個(gè)IMF分量都含有非常明確的物理含義，其處理后的信號(hào)能夠很好地保留了原信號(hào)的局部特征。陳果等［28］采用HHT技術(shù)對粗晶材料的超聲檢測信號(hào)作時(shí)頻分析，并且通過分解噪聲，提取缺陷反射信號(hào)獲得較好的效果。付春等［29］應(yīng)用一種改進(jìn)HHT模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法進(jìn)行去噪，能夠更準(zhǔn)確的識(shí)別缺陷信號(hào)。

2.3 Wigner分布

Wigner分布于1932年由Wigner提出并用于量子力學(xué)領(lǐng)域，在1948年首次用于信號(hào)分析與處理領(lǐng)域。Wigner分布是以變量時(shí)間和頻率在能量域平面的時(shí)頻表示，是雙線性變換。WVD因可以靈活地選擇窗函數(shù)，故它可以滿足高時(shí)頻分辨率的要求［30］。Wigner在頻域和時(shí)域具有明顯的對稱形式，WVD沿時(shí)間軸的積分等于在該頻率處的瞬時(shí)能量［31］。對任一信號(hào)都可以求解它的Wigner分布函數(shù)。信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)對頻率積分后在某一時(shí)間帶內(nèi)對時(shí)間積分得到的積分值就表示信號(hào)在該時(shí)間帶內(nèi)的能量，同理，在頻率帶內(nèi)的積分也是如此。其次，信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)在整個(gè)時(shí)間－頻率平面上的積分就是信號(hào)的總能量，也就是說Wigner分布是信號(hào)能量在時(shí)頻平面上的分布。聶守平等［32］利用Wigner分布函數(shù)將整數(shù)域的傅里葉變化推廣到了非整數(shù)域，并且描述了光場從空間域到頻率域的演變過程。田豐等［33］利用WVD的良好的時(shí)頻聚焦性，提出了一種選帶細(xì)化WVD的數(shù)值計(jì)算方法，WVD與此方法結(jié)合應(yīng)用能夠大幅提高選定窄帶內(nèi)高分辨率WVD分析的計(jì)算效率。

3 結(jié)束語

1)在粘接結(jié)構(gòu)超聲檢測方法中，各種檢測方法都不同的特點(diǎn):脈沖回波法是利用超聲波的反射特性對界面脫粘情況進(jìn)行檢測的方法，對于金屬－非金屬粘接質(zhì)量的檢測，用脈沖回波法十分有效。而超聲斜入射法最突出的優(yōu)勢就是無需高頻率超聲波即可提高界面弱化探測靈敏度，且超聲波斜入射時(shí)對粘接界面特性的改變更為靈敏。超聲相控陣技術(shù)依靠電子掃描和動(dòng)態(tài)聚焦，檢測速度快，實(shí)現(xiàn)了全方位和多角度的自動(dòng)檢查，也可以檢測形狀復(fù)雜的工件。AU技術(shù)多數(shù)用來檢測和評價(jià)復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)的粘接質(zhì)量，它是在分析表征粘接強(qiáng)度的信號(hào)幅頻特性和應(yīng)力波因子的基礎(chǔ)上來對粘接強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)。采用超聲導(dǎo)波法進(jìn)行檢測的關(guān)鍵是對導(dǎo)波的傳播規(guī)律的掌握，頻散和多模式也是導(dǎo)波技術(shù)的最主要特點(diǎn)，通過研究超聲導(dǎo)波的頻散規(guī)律的變化知道管材或板材物理參數(shù)和幾何參數(shù)的變化，從而對材料進(jìn)行無損檢測和評價(jià)，隨著研究的深入，超聲導(dǎo)波檢測方法在粘接結(jié)構(gòu)檢測中正在逐漸展現(xiàn)其突出的檢測能力。

2)在對超聲檢測信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，常用的時(shí)頻處理方法主要小波分析、HHT技術(shù)和WVD技術(shù)，這些方法對檢測信號(hào)處理都有不同的側(cè)重，可根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求選擇相應(yīng)處理方法:運(yùn)用小波變換達(dá)到時(shí)頻局部化分析的目的，且可以放大回波信號(hào)局部特征，所以對信號(hào)的特征有充分的認(rèn)識(shí)。HHT技術(shù)局部性能良好且是自適應(yīng)的，適用于非線性非平穩(wěn)信號(hào)分析，能描繪出信號(hào)的時(shí)頻譜圖、邊際譜、能量譜等。WVD技術(shù)因采用雙線性變換而具有理想的時(shí)頻分辨率，它最大限度地利用了時(shí)域信號(hào)，是應(yīng)用最為廣泛的時(shí)頻分析方法。

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