多层粘接材料深层界面脱粘的超声谐振检测方法

徐先纯， 郝 娟， 郭灿志， 肖定国

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081; 2.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引 言

多层粘接材料在制造成型和服役状态期间容易产生大面积的脱粘现象，进而造成部件功能的失效以及产生极大的安全隐患，如果不及时发现这些缺陷，将会带来巨大的损失。因此，材料层间脱粘缺陷的无损检测具有重要的现实意义[1-3]。目前多层粘接材料结构检测的主要声学检测方法包括脉冲超声反射、脉冲超声穿透、声阻、声谐振、超声导波以及敲击等。当检测目标的声衰减较高或只允许在一侧进行检测时，超声反射和透射、超声导波、光学以及红外热波等检测技术方法难以得到应用。超声谐振检测技术能够克服这些问题且有较高的检测灵敏度，因此具有较好的应用前景[4]。

针对多层粘接材料界面声波传递理论模型，Thomson[5]和Brekhoviskikh[6]等将多层材料简化为半无限大的物体，利用斜入射法研究了反射透射与谐振频率之间的变化关系。王小民[7]等基于胶接结构的超声反射频谱的低频特征，使用分层系统的谐振率漂移量反演出胶结层厚度并对胶结层内聚强度做出评价。安志武[8]等建立了“铝-胶-铝”等厚粘接件的超声反射谱低频特征，指出了谐振频率的右峰漂移量反演粘接情况的胶层劲度系数的可能性。Yang[9]等建立了声波在多层介质中传播的频域模型，研究了层状碳纤维增强塑料(CFRP)在空隙内的超声脉冲信号共振特征。陈颖[10]等，利用等效的机电网络图分析了超声谐振检测技术原理，对编织石英/酚醛树脂复合材料粘接结构进行了检测技术研究。Dominguez[11-12]利用时频分析技术分析缺陷对超声共振的影响，并确定缺陷的位置。

目前关于声谐振检测技术主要集中于理论研究，在实际的检测应用中，也主要依赖于经验。本文通过弹簧质量系统分析了声谐振检测的基本原理，并使用有限元软件建立多层材料深层界面脱粘检测的简化模型，分析了脱粘和粘接良好两种情况下的时域和频域特性。对含有人工脱粘缺陷的某圆柱构件进行了检测实验，得到了典型频率下的A扫检测信号，使用机械手平台对人工缺陷样件进行了自动化C扫查。实验结果验证了仿真模型的可靠性，为多层粘接材料深层界面脱粘的研究提供了有效手段。根据一些学者[13-14]提出的缺陷信息量化表征方法，本文也提出了几种用于声谐振检测缺陷信号量化判别的方法，并由此得出了该构件的最优检测频率参数。

1 超声谐振检测理论基础

声谐振检测的数学模型可模拟为具有阻尼的弹簧质量系统单自由度结构模型，如图1所示。当激励力为F0sinωt时，该振动属受迫简谐振动。若给予系统的为一脉冲激励，可以将其模拟为一个具有初始位移或初始速度的自由振动，从而使脉冲激励响应具有与自由振动相同的形式。

图1 单自由度系统弹簧质量模型及典型频响曲线

在正弦力的作用下，图1 所示的单自由度结构振动方程为：

φ—起始相位，决定于起始条件。

倘若ζ很小，式（2）可以简化为：

单自由度系统的典型频率响应如图1所示。在输入频率作用下，被检结构作为换能器的负载，其声阻抗率的变化必然会改变换能器电信号输出的某些特性，如振幅、相位、谐振频率等。因而，测量换能器的振幅、频率或相位就能评定结构是否存在缺陷。

当被检测试件的厚度为λ/2[15]（λ 为波长）的整数倍时，试件下面的反射波与入射波互相叠加而形成驻波时，试件会在厚度方向产生谐振。由此可得被测件的厚度与谐振频率之间的关系：

式中：c— 被检测材料的声速；

fn— 声波谐振频率；

d —试件的厚度；

n— 半波长的倍数。

当n=1时， f1为所得的为基本谐振频率，即谐振发生在半波长的时候；当 n=2，3，4，···时，谐振发生在半波长的n 倍，n一般优先取较小值。

2 有限元仿真

2.1 有限元模型的建立

本文利用有限元软件COMSOL Multiphysics的固体力学模块建立了某构件的二界面脱粘低频谐振检测有限元模型。该构件主要由三层不同的材料组成，其中第一层为高强度钢，厚度2 mm；第二层为橡胶，厚度5 mm；第三层为药剂，直径为90 mm。考虑到模型的对称问题，将三维问题简化为二维的问题进行研究，从而极大降低了计算量。简化后的二维模型如图2所示。为进一步简化计算，选取有限的区域进行仿真，在图中的黄色区域设置了低反射边界以模拟半无限大的材料延伸。将构件的外轮廓设置成自由边界，在特定位置设置直径20 mm的超声检测探头激励源，在时域模式下的激励设置为1个周期的正弦信号，频率模式下的激励设置为固定位移。为模拟脱粘条件，在二界面处剪切适当尺寸的区域。并在探头与构件接触的中心位置插入二维点作为信号采集的参考点。

图2 COMSOL环境下二界面脱粘声谐振检测模型

2.2 缺陷尺寸时域波形比较

为了研究脱粘缺陷尺寸对检测信号的影响，使用该有限元模型分别对无脱粘缺陷，脱粘缺陷尺寸10 mm、20 mm、30 mm的情况进行了仿真计算。并得到了相应的时域检测波形，如图3（激励频率0.5 MHz）所示。根据图示比较，我们能够明显得出无脱粘缺陷的信号的整体幅值较小，证明其衰减程度较大，因此能够根据这一特点辨别出脱粘和无脱粘的情况。脱粘粘缺陷的尺寸对检测信号的影响并不显著，无法直观辨别其差别。

图3 0.5 MHz激励源下不同大小缺陷检测信号仿真结果

2.3 谐振频率仿真分析

为探究检测频率对脱粘检测效果的影响，在频域下对无脱粘和有脱粘缺陷（缺陷尺寸20 mm）的模型进行仿真分析。根据式（4）可得该构件第一层（d=2 mm，v=5 200 m/s）的基本谐振频率理论值f11=1.3 MHz，第二层（d=5 mm，v=1 130 m/s）的基本谐振频率理论值f21=0.113 MHz。优先取第二层一阶谐振频率，同时也应避开第一层金属壳体的谐振频率，因此仿真选取的求解频率范围为0.01～1 MHz。根据图4中频率曲线可以看出，模型在0.1 MHz、0.5 MHz、0.7 MHz等几个频率附近出现了谐振峰值。根据理论分析，0.1 MHz接近橡胶层的基本谐振频率，其他均为高阶谐振频率。

图4 无脱粘和有脱粘缺陷的低频响应

分别在瞬态模式下计算0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz 3个典型频率激励情况下不同粘接情况下的时域波形。为更加直观地分辨信号之间的差别，分别对各波形信号取上包络曲线，以反映其接收信号的能量强度。如图5所示，根据仿真结果的对比可知，在0.1 MHz频率激励下，无脱粘和脱粘部位检测信号能量大小对比最为明显，在0.5 MHz和0.25 MHz正弦信号激励下，也能够明显辨别出无脱粘和脱粘的检测信号。

图5 典型频率激励下脱粘缺陷检测信号对比

根据图5观察相同激励下不同尺寸脱粘的检测信号趋势较为接近，无法直观辨别。为反映预制脱粘缺陷尺寸对检测信号的影响，由仿真模型计算得出信号总能量随缺陷尺寸变化的曲线，如图6所示。由此可见在仿真条件下，当缺陷出现时，局部刚度产生突变，随着脱粘面积的进一步扩大，其影响逐渐趋于平稳。

图6 典型频率激励下信号能量随缺陷尺寸变化的曲线

3 超声谐振检测实验

3.1 超声谐振检测系统及被测试件

为了验证超声谐振法对二界面脱粘检测的可靠性，按照某一型号构件制作了含有人工缺陷的样件，人工缺陷位于橡胶层和药剂粘接的二界面。人工缺陷一共4组（沿该构件圆周方向分布），每组中人工缺陷沿轴向分布，人工缺陷的尺寸大小分别为5 mm×5 mm、10 mm×10 mm、15 mm×15 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm，其分布如图7(a)所示，对缺陷进行编号，共有10个脱粘缺陷。

使用自研的超声谐振检测系统进行A扫实验，如图7(b)所示，该系统由超声收发仪和超声换能器组成，超声收发仪负责对超声换能器进行激励，激发换能器产生超声声束。换能器使用奥林巴斯公司的Videoscan纵波平探头系列产品，探头的中心频率为 0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz，带宽均大于65%。采用手持的方法，将探头置于缺陷样件外表面，并用耦合剂耦合好；采用自收自发的模式进行检测。

图7 多层粘接材料深层界面脱粘超声谐振A扫实验

3.2 典型频率下的A扫信号及其FFT波形

通过检测试验得到无脱粘部分、人工脱粘缺陷部位典型信号波形如图8所示。由于仿真和实验结果均显示，脱粘尺寸对A扫信号幅值影响并不显著，因此后续均使用脱粘20 mm×20 mm缺陷处的检测结果作为参考值。由图示检测结果可见，当样件二界面含有人工缺陷时，A扫检测信号与无脱粘缺陷时的A扫信号发生了明显的不同，尾波的能量均大于无脱粘时尾部的能量。可以观察到在时间120～125 μs处，存在微弱的回波信号，通过对其进行时域计算分析可知，该特征为圆柱构件径向对端边界的反射信号。当出现该特征时，证明接触探头法向入射且接触良好，检测信号较为可靠。

图8 不同激励下粘接良好与脱粘缺陷处的A扫波形

通过对上述 0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz检测频率下的A扫描信号进行快速傅里叶变换（FFT）得到图9所示的频谱图，同一频率下对比粘接良好与脱粘缺陷信号的频谱，总体上频率曲线幅度有脱粘缺陷的较粘接良好的大。其中，得到频谱峰值点（0.266，0.362），（0.112，0.976）；（0.18，0.386），（0.113，0.692）；（0.304，0.343），（0.311，0.672）。对比各组峰值数据可以看出，当有脱粘缺陷时频谱的峰值较粘接良好的明显增大。

图9 不同激励下粘接良好与脱粘缺陷处的A扫波形FFT频谱

3.3 脱粘检测的对比度分析与对比

超声谐振检测主要是通过对比脱粘区域信号与正常粘接区域的信号的区别来判断缺陷的。当信号的区别越大时，证明检测的效果越好。因此，为进一步量化检测效果，在此处定义检测信号的区分度=（脱粘值–粘接良好值）/脱粘值。在表1中，分别通过对实验的检测信号取幅值积分，取上包络线积分，信号FFT峰值，以及信号的总能量四种评价标准来比较不同频率下信号的区分度。从表中可以看出，几种方法均能够分辨出脱粘区域信号。其中，信号能量的区分度最高，信号上包络积分能够更好地反映A扫波形的总体趋势，信号FFT峰值更加直观，都具有较好的效果。

表1 不同频率下信号的区分度的比较（脱粘20 mm×20 mm）

图10为 0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz 3个典型频率下检测效果的实验值和仿真值，该对比度值均为求信号上包络积分得到。通过图10分析可知，由于0.1 MHz更加接近橡胶层的基本谐振频率，因此其检测效果最好。其对比度超过0.6。仿真值与实验值接近，总体规律也一致，仿真模型在一定程度上具备可靠性。

图10 3个典型频率下实验值与仿真值的对比度

3.4 脱粘缺陷的机械手超声谐振检测

基于机械手的自动化无损检测系统是一种通用的多自由度柔性检测平台，适合复杂表面构件的无损检测，该平台可以搭载接触式耦合剂超声、水浸耦合超声、喷水耦合超声、空气耦合超声、激光超声、电磁与涡流、热波检测、磁粉或渗透、图像光学测量、射线穿透等无损检测技术，在航空航天、兵器、船舶等领域的大型复杂构件自动化检测中具备极高的应用价值。

如图11所示，使用机械手平台搭载超声谐振检测仪对人工脱粘缺陷样件进行自动化C扫描检测实验，检测探头的中心频率为0.1 MHz。检测前需要将耦合剂均匀涂抹在待检测表面，并通过专用的超声探头夹具使探头和工件表面具备一定的预紧接触力，保证接触面耦合良好。

图11 机械手超声谐振检测实验

图12为人工脱粘缺陷样件的C扫描结果，从图中可以观察到，一共4组，编号1～10的10个二界面脱粘缺陷中，除8号缺陷未检测出，其余的缺陷均有较好的检测效果。

图12 人工脱粘缺陷的C扫结果

4 结束语

根据弹簧质量模型分析了多层粘接材料声谐振检测的基本原理。脱粘缺陷的存在会显著改变构件的声阻抗率，必然会改变换能器电信号输出的某些特性，如振幅、相位、谐振频率等。因而，可通过换能器的该特性来评定检测部位是否存在缺陷。本文的主要研究工作如下：

1）基于有限元软件的固体力学模块建立了某多层粘接材料二界面脱粘的声谐振检测有限元模型。计算得出模型的谐振频率曲线，通过时域仿真结果显示，在 0.5 MHz、0.25 MHz、0.1 MHz谐振频率的激励下，含有脱粘缺陷模型的检测信号能量强于无脱粘模型的检测信号能量。其中，0.1 MHz激励下，总体的检测信号幅值较大，检测信号能量幅度对比也较为明显。

2）使用了自研的低频超声谐振检测系统对含有人工缺陷的某一型号构件样件进行了检测实验。使用0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz探头得到了无脱粘部分、人工缺陷部分的检测信号波形。通过引入对比度这一概念量化检测效果，并分别通过对检测信号取幅值积分，取信号上包络线积分，信号FFT峰值，以及信号的总能量4种评价标准来比较区分度，其中取信号的总能量的方法效果较好。通过对比可知，试验结果和仿真结果具有较高的一致性。在0.1 MHz检测频率下的效果较好。因此，对于多层材料界面脱粘检测时，因优先选择接近脱粘层的基本谐振频率作为检测频率。

3）使用机械手平台搭载超声谐振检测系统对人工缺陷样件进行了自动化扫查。C扫结果显示，1～10号缺陷中，除8号缺陷外其余缺陷均能够较好的检测出。因此，该系统能够检测出Φ5 mm以上的脱粘缺陷。