局部人工敲击检测优化方案

局部敲击检测多用于胶接结构和复合材料结构等非刚性材料结构。它与上述整体人工敲击的主要不同是：检测者敲击被测结构，由于结构材料的非刚性，所发生的声音不是整体结构的响应，而是敲击表面下局部结构的响应。检测者既可直接听声音，也可用特殊设计的接收器分析声音，并与来自完好工件的声音进行比较。局部敲击检测（习惯上常简称敲击检测）是胶接结构和复合材料结构的一种普遍的和廉价的检测方法。

硬币敲击可以说是保证蜂窝芯结构与面板之间可靠粘接的最简单方法。它对复合材料叠层内，近表面分层的检测也是有效的。当用硬币或塑料棒敲击工件并与来自完好区域的声音相比较时，脱粘很容易以声调（由谐波的多寡和相对强度所决定）或声的频率的变化显示。很容易根据脱粘区所产生的阻尼的低音调特征，评定较大的不连续（脱粘）。敲击检测限于检测直径大于13mm（0.5in）的脱粘。可检测板厚1mm玻璃纤维或碳纤维叠层下的不连续或厚2mm金属蒙皮下的不连续。

1.人工敲击检测

初期，如银元或一元的硬币曾广泛用于敲击检测。虽然硬币是可以用作敲击的工具，为了规范与帮助检测者完成检测，在航空、航天领域还是开发了标准的敲击锤。

用硬币或小的铝棒与敲击锤的敲击检测，定位直径38mm（1.5in）或大于38mm的金属-金属、复合材料-金属或薄蒙皮蜂窝组件内的气孔与脱粘是有效的。敲击限于检测上面板与胶粘层间的气孔与脱粘。它不能检测第二层、第三层或更深层胶粘体的气孔或脱粘。该检测方法是主观的，且其检测结果可能产生变更。

人工敲击有几个缺点：在薄的面板上，硬币敲击将产生不希望有的小凹痕；对大的结构如飞机机翼，人工敲击很费时；还有，没有电子仪器，既无记录产生，且对不连续（气孔与脱粘）辨认的可靠性会存在问题，这是由于该方法依靠的是操作者对声音的主观判别的缘故。

2.人工敲击检测程序

在人工敲击中，检测者使用一实心尼龙棒（或铝棒）或敲击锤敲击工件表面，同时用耳监听形成的声频。来自工件的谐振可闻声表征了敲击部位下面工件物质的质量、胶接附着刚度和工件截面厚度。由气孔、脱粘或分层形成的完全分离，使敲击部位下面工件的质量减小，截面厚度变薄，引起结构刚度的改变，从而造成谐振频率变化。敲击产生的冲击特征除上述结构的局部阻抗外，还取决于敲击具的物质质量和所加的力。形成的响应受工件厚度、材料阻尼、工件构形、工件安置与背景噪声所影响。

对标准尺寸的生产检测。目前采用的是带半径为6.4mm（1/4in）光滑圆形检测端的直径13mm（1/2in）、长100mm（4in）实心尼龙棒或2024—T3铝棒。敲击检测工具的另一种形式是铝锤或铜锤（参见本书第14篇第4章胶接件的无损检测）。图3.3-32示出了一种常用的标准敲击锤。

用图3.3-32敲击锤的检测步骤是：参考的标准置于工件旁的平台上或工件的平的表面上。参考件必须用双面胶布带加以固住或以手指轻轻压住。以约每秒4～5次的速率敲击参考件的完好区与异常区，注意其音调的不同。

当使用敲击检测锤时，必须以下述方法敲击工件，如图3.3-32c必须以大拇指与中指置于柄上握住，食指则置于离柄前端约38mm的钢丝杆点上。由于胶接壁板多为薄的蒙皮覆盖，易于被敲出凹坑，必须注意轻轻地敲击壁板表面。图3.3-32所示的敲击工具比以前广泛使用的敲击锤，减少了在检测过程中引入冲击伤的几率。

敲击锤的头应提升到壁板平面之上约25～38mm处，而且应使用腕力运动轻而有力地敲击。应使锤头从表面反跳一段短的距离，再用发自食指与腕作用的综合压力形成锤头的返回力，以产生每秒4～5次快速的断续敲打。对工件表面必须按轨迹有序敲击，其增量不得超过25mm。

气孔、脱粘、分层形态的确定，应以从不连续的中心沿向外的方向辐射图形敲击，直至觉察到声调的改变，以此来估计。改变的区域必须用油脂铅笔或带水溶墨汁的毡尖笔加以标志。这一技术可以从异常中心区开始径向地向四周多次重复，直至能确定不连续的形状与大小。扫查的速率不应超过在用以评定参考件不连续时所采用的速率。

任何有可能拒收的不连续的大小与形状均应加以记录。并以下述方法之一记录其位置；①在被检工件的表面；②在完整的全尺寸的覆盖层上；③在相对位置可以辨认的全尺寸覆盖层的一部分上；④工件完整的位置图上。

图3.3-32 常用标准敲击锤的组成

1—必要时可用液体/塑料胶（也可减小手把/锤头的孔，保证干涉配合以免除粘结剂的应用） 2—2024铝制锤头，所用表面按ANSI/ASME B46.1机加工 3—直径1.6mm高强钢丝杆 4—直径为1.73～1.78mm的孔

3.电子敲击器

近期发展了用微处理器控制的敲击器敲击工件并传感其声调的变化。这种装置由于消除了主观评定因素，显著地改进了可靠性，增进了扫查速度，并能采集、显示和储存数据。

对大的检测区域，操作者的疲劳会降低检测的可靠性，商品电子敲击器减少了操作者的主观因素，提供了定量和永久记录。此类仪器敲击工件表面，分析响应并为操作者的评定显示其结果，且能启动光或声报警。下面将介绍几种常见的此类仪器。

试图自动敲击检测的努力导致了声阻抗率粘接检测系统的发展。它们适合工厂生产的应用，并构成在线检测设备。这类仪器我们将在本章稍后进行介绍。

（1）具有弹簧压紧加速度计的声冲击仪该仪器原本是为按美国空军合同的要求，开发用以检测紧固件的裂纹的，已经证明并不完全成功，但是却能成功地应用于胶接结构气孔和脱粘的检测。结果指示，它能检测13mm（0.5in）厚的蜂窝壁板，对侧25mm的脱粘。对面板厚达4mm的壁板可检测板与胶粘层或芯与胶粘层两者间直径为25mm的脱粘。敲击锤与传感器均装在手持探头内。探头内装有钢的滚柱轴承以便对大面积工件进行扫查。声冲击检测仪采用一个激振脉冲发生器，用它驱动一个金属活塞，以产生约80Hz的短冲击。传感器晶片的切割设计，使压电加速度计具有5～10kHz的自然频率。传感器安装在弹簧加压的轴上，来自弹簧的压力使加速度计与被检表面间保持均衡的接触力，以便检测高频、低幅度信号。频率2.5～25kHz可调的0.1倍频带通滤波器提供声响应的频谱。

（2）齿形轮与刷型声发生器美国的一家飞机制造厂开发了一种被称为“电动试验器（growl-er）”的敲击检测电动装置。它是由在13mm粗的铝棒上加装6.4mm锯齿的直径为75mm的玻璃纤维轮组成的。操作者操纵手持棒使轮子在被检工件表面移动。粘好与脱粘区之间的声调的变化由装在铝棒共振点的电吉他微音器检测。声能的馈给是通过前置放大器，然后是连接于电阻抗耳机的两级放大器实现的。放大器可由操作者调谐和控制音量。该仪器可检出约50mm（2in）的脱粘。

较新的“电动试验器”已改进为被称为“刷子（brush）”的装置。该装置由在刷的中心线上装有微音器的细纤维黄铜刷组成。当刷子以手工在工件表面扫查时，检测擦刮的噪声，放大并馈入耳机。用一个装在刷侧上的典型的闪光灯提供对被测表面的照明，根据面板的厚度与操作者的经验，能检测最小不连续尺寸的范围从13～50mm。

（3）小型便携仪器便携式敲击检测系统典型的有三个主要部件：冲击器组件、电源与便携式显示器。响应在显示器显示，并由操作者依据不连续区-良好区间的响应差异评定被检区的工况。

图3.3-33所示为一种商品便携式装置，它能在良好区域与异常区域之间形成显著的区别，并以一系列指示灯加以显示。仪器的操作训练只需大约10～15min，扫查速度至少比人工敲击快5倍。仪器提供检测数据的平均值以减少噪声干扰。仪器消除了人工检测对操作人员的主观依赖性以及其辨别声调能力的依赖。仪器比人工敲击检测能提供更高些的灵敏度，可检出小得多的不连续。该装置还可以与监视器和个人计算机连接，以提供数据采集、处理、显示与储存。

图3.3-33 用敲击层离检测器检测复合蜂窝壁板(www.xing528.com)

（4）用螺旋线圈激发敲击器的测力计英国开发了一种将硬币敲击技术的敲击与传感功能自动化与集成化的仪器。它具有两个主要部分：敲击头与控制单元。由于测量的是比较刚度，测量结果以刚性构件为佳，较为柔软的复合材料就没有像刚性结构那样大的粘好与脱粘之间的变异。关于脱粘引起的结构声阻抗变化以及结构刚度与脱粘尺寸、深度和检测频率关系的数学模型，我们将在下节声阻法检测中详细论述。仪器检测频率的选择是获得好的结果的关键，仪器的敲击力（冲击力）是严格控制的，仪器分析幅度-频率谱并显示幅度-时间或幅度-频率曲线。

电子敲击检测仪器的发展已演变为声阻法、声谐振等特种声学检测技术，我们将在以后讨论。但人工敲击由于简单、方便、价廉，仍在生产中得到广泛应用，尤其是在初级检测中应用得更多。

4.复合材料构件的敲击检测

人工敲击检测通常很适于非结构复合材料或次承载复合结构的分层、脱粘与气孔检测。这种方法的应用应是适用的工程图或其他工程主管部门所指定的。

（1）敲击检测的标准程序操作者必须按照具体的每一零件与组件检测工艺程序实施敲击检测。检测工艺规程必须包含有下述信息：待检的零件与组件；敲击检测工具材料与设计的描述；参考标准的描述；被检表面的描述；仍可应用的内部结构的变化和当时可参考的有关标准的示例。

参考标准应该用适用的工程图号作有能永久辨认的标志。如果同一工件的不同区域使用多于一个的标准（如叠层与蜂窝等），每一标准必须有清楚的标志以便辨认。埋设的不连续的位置与大小、形状必须在参考标准的适用的表面或其简图上标明。埋设于参考标准的不连续的大小与形状必须是经可应用记录的检测方法（如射线照相等）所验证的。

实施敲击检测的操作人员必须经足够的培训，了解这种方法的适用范围与局限。熟练的程度则是由对已编写的程序、适用的参考标准、示范用的异常工件或样件等的使用来评定。培训的结果必须有证明并随时备查。

操作人员必须每年通过在医疗机构施行的声调听觉损耗听力检测。听力检测的结果必须有证明以备检查。

敲击检测应在没有令人分心或干扰噪声下按规定要求完成。

上面描述的人工敲击程序可应用于宇航部件的检测。

（2）敲击检测在宇航工业的应用敲击检测不应使用在第二或第三层胶缝（如垫板加强区等）的脱粘检测。它限于直径约25mm或更大，位置小于敲击表面下1.3mm的分层检测。

当对诸如整流罩和机舱门等大型结构，从曲面侧敲击检测时，必须凹面向下面对一个平面安置。当从曲面侧检测时，工件应限制于夹具或夹紧装置内，以防止其摇摆或移动。诸如机翼后绿壁板等较小的工件应置于平的表面台上，有的也需要用夹具，如能用手指固定则可用手，以便在敲击时防止工件移动或颤动。

敲击以前，检测者应熟悉工程图或简图以确定结构中何处存在厚度、芯密度与叠层位置的变化。必须辨认哪些被敲击的区域声调响应的变化是由于物质质量变化引起的。

必须制作能代表被检结构并包含有人为不连续的参考标准。必须在实际工件或参考标准中使呈现或制造诸如分层、气孔或脱粘的适用的异常工况。有关参考标准的制作我们将在声阻检测的应用中作具体介绍。

对提供所要求异常工况的附加条件是应使参考标准在有关蒙皮厚度、材料类型、脱粘剂介质、下垫结构等构形方面能代表被检工件。

（3）敲击检测在船用结构的应用有很多商品仪器可用来检测玻璃纤维-树脂船用结构。已经用试验验证了在模拟的船用结构样件的不连续中确定了敲击对不连续检测的能力。重点是在现场环境下检测结构的能力。对敲击检测的结果，用包括射线照相、热图和超声回波几种方法进行了基于通过-不通过的验证。对无不连续的良好粘接区作了50次测量，而由于检测区域的限制，只对异常区域作了25次。出于实际考虑，对13mm的不连续只进行了10个测量点。按高斯分布确定平均值与离差。按每种类型不连续的数据制成曲线以确定其检测能力。总的来说，可以得出在壁板内带半刚性聚氟乙烯（PVG）泡沫芯的比带线性聚氟乙烯泡沫芯的要稍难检测，检测结果见表3.3-15。

表3.3-15 敲击检测结果一览

（续）

注：表中Y——可检测；N——不能。

①实际气孔。

②芯间隙。

③芯填充材料仅只引入到聚氟乙烯（PVC）样件。

5.敲击检测要点

人工敲击要求在敲击时仔细听声调以区分良好与异常区域。对检测小的区域应使用以上描述的标准敲击锤。从表3.3-15可见，包括用气囊模拟的气孔与干纤维形成的几种不连续是容易检测的。然而，要检测穿透裂纹那样的不连续将会遇到困难。不连续检测的可能性还取决于构成被检壁板材料的类型。在加强筋与支撑壁板之间不能检出任何不连续。

事实上，人工敲击由于简单易行且便宜而具吸引力。不幸的是，它只能检测必须是靠近敲击表面的很少不连续，而且通常是难以辨认与表征不连续的类型。