粘接結構質(zhì)量超聲檢測和信號處理方法

張 震，曾 亮，張永華，李秋鋒，習璐穎

(1.上海新力動力設備研究所，上海 201109;2.湖北宜昌市特種設備檢驗檢測所，湖北 宜昌 443005;3.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063)

0 引言

粘接結構具有比強度、比模量高及其他優(yōu)越的性能而廣泛應用于航空航天領域。由于粘接結構在加工和使用過程中會出現(xiàn)粘接不良、氣孔、局部脫粘等缺陷，破壞了粘接結構的完整性，使得界面粘接強度達不到設計要求，從而造成產(chǎn)品失效引發(fā)事故，特別是在航空航天領域將帶來災難性后果，所以粘接質(zhì)量及可靠性問題日益突出，對粘接結構無損檢測的技術要求也越來越高。

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)聚強度的檢測與評價，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，但因它的應用成本高，對溫度等環(huán)境因素敏感，所以在使用紅外熱成像技術時要嚴格控制環(huán)境的影響［1］;射線檢測法是利用X射線和Y射線進行遠視拍片，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構的粘接質(zhì)量［2］。射線檢測法的優(yōu)點是檢測結果比較直觀、易判斷、可長期保存。但是它同樣也具有難以克服的缺點，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、費用高而在應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，可同時顯示各種表面缺陷;它的缺點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、靈敏度高、對人體無害、成本低、被測對象范圍廣等優(yōu)點，在粘接結構的無損檢測中得到了廣泛的應用。

1 超聲檢測法

目前常用于檢測粘接結構粘接質(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行檢測的方法。它是指將持續(xù)時間很短的超聲脈沖波垂直入射到被測物體表面，當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，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、缺陷波和底波在時間軸上的位置進行分析來探測反射源在被測物體中的位置和大小。超聲波在粘接結構內(nèi)的傳播過程中遇到氣孔或脫粘等缺陷時，會產(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70、80年代，超聲脈沖回波法已經(jīng)開始應用于粘接結構粘接質(zhì)量檢測。1991年，Billson等［6］采用脈沖回波法，再運用計算機進行建模分析，成功檢測出了粘接結構中的缺陷。近幾年，脈沖回波法在粘接質(zhì)量檢測方面的應用越來越廣泛。Emeterio等［7］采用超聲脈沖回波法，通過分析鋼/橡膠/橡膠三層粘接結構中兩界面的時間差來對不同界面的缺陷進行定征。

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，針對粘接結構的特性和劣化程度進行表征和評價。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，在多層高分子復合結構中，每層材料的動態(tài)力學參數(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建立了超聲波斜入射時水中隱身夾芯復合材料結構的聲學模型，同時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。超聲相控陣技術是運用超聲探頭晶片的組合，由多個相互獨立的壓電晶片組合成陣列，并且按照一定的規(guī)則和時序控制激發(fā)各個晶片，使得所有的晶片發(fā)射的超聲波形成一個波陣面［14］。在接收反射波時，按一定的規(guī)則和時序控制接收晶片，再進行信號合成，將合成的結果用適當?shù)男问斤@示出來。超聲相控陣技術最初主要應用于醫(yī)學領域，通過聲束的偏轉和聚焦來進行檢測。國內(nèi)已有中國石油大學、中科院聲學研究所等單位將超聲相控陣技術應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對固體火箭發(fā)動機封頭構件的粘接狀態(tài)進行仿真分析，結果顯示該檢測方法在界面粘接檢測方面具有廣泛的應用前景。蒲波等［16］對復合材料的粘接性能進行檢測說明了超聲相控陣技術在檢測復合材料粘接性能上的應用前景。李懷富等［17］通過超聲相控陣技術對復合材料樣板粘接進行試驗后提出超聲相控陣技術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)技術最早是由美國宇航局的Vary等于1976年提出。隨著AU技術在復合材料、粘接接頭等方面的應用越來越廣泛，越來越多的研究機構開始積極開展AU技術的應用研究。聲－超聲技術檢測的適用性好，檢測時僅采用2個超聲換能器，按照一發(fā)一收的方式進行檢測。AU技術利用超聲換能器或激光照射的方法以一定的方式向復合材料內(nèi)部輻射脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)過在復合材料內(nèi)部的多界面的反射與折射，發(fā)生模式轉換后產(chǎn)生了橫波和縱波，橫縱波在傳播過程中與復合結構粘接層發(fā)生復雜的相互作用，到達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，分析檢測材料內(nèi)部的各種力學性能的變化。鄧明晰等［18］采用聲－超聲技術對鋁板－粘接層－鋁板的粘接質(zhì)量進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)基于聲－超聲技術的應力波因子與粘接層固化時間存在單調(diào)對應關系，由此表明用應力波因子及聲信號的幅頻特性表征和評價復合結構界面粘接質(zhì)量是可行的。艾春安等［19］運用AU技術結合采用自適應濾波法和小波變換技術，實現(xiàn)了對固體火箭發(fā)動機結構粘接質(zhì)量的檢測。

1.5 導波法

作為一種有效的超聲檢測技術，超聲導波法在材料無損檢測與評價中的應用已經(jīng)非常廣泛。超聲導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、疊加和波型轉換而產(chǎn)生的。頻散和多模式是導波的最主要特點。通過研究導波的頻散特性就可以實現(xiàn)對材料的檢測和評價［19］。它的優(yōu)點是檢測速度快，從單點激勵就可以進行長距離檢測。在應用方面，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展。艾春安等［21］在進行利用導波檢測固體火箭發(fā)動機多層結構殼體的研究工作上，采用全局矩陣法，推導了多層結構殼體的導波頻散方程，并且分析了固體火箭發(fā)動機剛層和絕熱層之間的層狀粘接結構粘接質(zhì)量對頻散曲線的影響。張銳等［22］通過數(shù)值計算和實驗驗證，提出了一種新的對層狀粘接復合結構層間界面力學參數(shù)定征的超聲導波方法。

2 超聲信號處理手段

目前，超聲檢測技術已經(jīng)廣泛應用于粘接結構粘接質(zhì)量無損檢測，而對檢出的超聲特征信號進行分析與處理是極其重要的。超聲檢測信號處理就是在了解超聲波在被檢對象介質(zhì)中傳播規(guī)律的基礎上，采用適當?shù)男盘柼幚硎侄危コ肼曈绊?，增強目標信號，提高采集到的信號質(zhì)量，時頻處理方法是目前應用比較廣泛的方法，下面介紹幾種有效的時頻信號處理方法。

2.1 小波變換(Wavelet Transform，WT)

小波分析是通過對信號作伸縮平移逐步實現(xiàn)細化，高頻部分時間細分，低頻部分頻率細分，最終實現(xiàn)信號任意細節(jié)的聚焦［23］。敦怡等［24］運用小波變換分析從多層粘接結構深層界面提取的回波信號特征，來識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構檢測信號，提出與粘接質(zhì)量相關的特征值，并使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對粘接質(zhì)量作出定量識別。陳振華等［26］在鎂合金超聲檢測中采用小波去噪技術獲得了不錯的效果。

2.2 HHT 技術

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

2.3 Wigner分布

Wigner分布于1932年由Wigner提出并用于量子力學領域，在1948年首次用于信號分析與處理領域。Wigner分布是以變量時間和頻率在能量域平面的時頻表示，是雙線性變換。WVD因可以靈活地選擇窗函數(shù)，故它可以滿足高時頻分辨率的要求［30］。Wigner在頻域和時域具有明顯的對稱形式，WVD沿時間軸的積分等于在該頻率處的瞬時能量［31］。對任一信號都可以求解它的Wigner分布函數(shù)。信號的自相關函數(shù)對頻率積分后在某一時間帶內(nèi)對時間積分得到的積分值就表示信號在該時間帶內(nèi)的能量，同理，在頻率帶內(nèi)的積分也是如此。其次，信號的自相關函數(shù)在整個時間－頻率平面上的積分就是信號的總能量，也就是說Wigner分布是信號能量在時頻平面上的分布。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的良好的時頻聚焦性，提出了一種選帶細化WVD的數(shù)值計算方法，WVD與此方法結合應用能夠大幅提高選定窄帶內(nèi)高分辨率WVD分析的計算效率。

3 結束語

1)在粘接結構超聲檢測方法中，各種檢測方法都不同的特點:脈沖回波法是利用超聲波的反射特性對界面脫粘情況進行檢測的方法，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，且超聲波斜入射時對粘接界面特性的改變更為靈敏。超聲相控陣技術依靠電子掃描和動態(tài)聚焦，檢測速度快，實現(xiàn)了全方位和多角度的自動檢查，也可以檢測形狀復雜的工件。AU技術多數(shù)用來檢測和評價復合材料粘接結構的粘接質(zhì)量，它是在分析表征粘接強度的信號幅頻特性和應力波因子的基礎上來對粘接強度進行評價。采用超聲導波法進行檢測的關鍵是對導波的傳播規(guī)律的掌握，頻散和多模式也是導波技術的最主要特點，通過研究超聲導波的頻散規(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，從而對材料進行無損檢測和評價，隨著研究的深入，超聲導波檢測方法在粘接結構檢測中正在逐漸展現(xiàn)其突出的檢測能力。

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

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