声谐振检测：常用胶接质量检测方法

声谐振检测也是胶接结构和复合材料构件常用的质量检测方法。声谐振技术实质上是声阻法的一种特例。它们的共同点是，通过电声换能器激发被测件，并测量以被测件为负载的换能器的阻抗特性。它们的主要不同点见表3.3-24。

表3.3-24 声谐振检测与声阻法的比较

1.检测原理

声谐振检测通常可分为两种类型：以可调的单一频率的波入射工件与以频率随时间变化的扫频超声波入射工件。

（1）单频谐振检测在前面振动分析中已经指出共振频率与阻尼是材料或构件的结构整体性的函数。从而用自然频率和阻尼测量作为无损检测手段是可行的。

单频谐振检测的数学模型为，叠层复合材料结构或蒙皮与芯粘接结构可模拟为具阻尼的弹簧质量系统单自由度结构模型，如图3.3-44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自由振动相同的形式。受迫简谐振动和自由振动（带起始速度的），这两种类型的模式又分别可以采用稳态和瞬态测量的方法。

图3.3-44 单自由度结构模型

在正弦力作用下，图3.3-44所示的单自由度

结构的振动方程为

式中 ——惯性力（m为质量，d²x/dt²为加速度）；

——粘滞阻尼力（c为胶粘层粘滞阻尼系数，dx/dt为速度）；

kx——弹性恢复力（k为胶粘层刚度，x为位移）。

式（3.3-41）的齐次（瞬态）解为

式中 a——常数，决定于起始条件；

ζ——粘滞阻尼因子，；

ω_n——无阻尼振荡的自然角频率，；

φ——初始相位，决定于初始条件。稳态解为

x_s（t）=Xsin（ωt-ϕ） （3.3-43）

式中 X——响应幅度，X=；

ϕ——初相角，。

倘若ζ很小，式（3.3-42）可简化为

x_t（t）=a·exp（-ζω_nt）sin（ω_nt+φ） （3.3-44）

单自由度系统的典型频率响应如图3.3-45所示，系统的阻尼与谐振峰的形状相关。阻尼大小用品质因素Q表示，幅度降至0.707倍峰值（下降3dB）的点，即通常所称的“半功率点”。两个半功率点之间的频率增量称为系统的带宽。对胶粘层形成的轻阻尼（ζ＜0.1），可以证明

图3.3-45 单自由度系统的频率响应

从上述各式可见，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。另一方面，被检结构的声阻抗又由式（3.3-41）中决定粘接结构整体性的参量所决定。因而，测量换能器的振幅或（与）相位就能评定结构是否存在缺陷。当仪器的检测频率调至耦合被测结构件（优区）后的谐振频率时，它的灵敏度最高，谐振检测仪名称即由此而来。

（2）扫频谐振检测扫频谐振检测的换能器以其比耦合被测结构件后低于谐振频率至高于谐振频率的扫频连续波激励。当此连续波通过被检件（与换能器耦合状态）的基频谐振和谐波谐振时，换能器承受的载荷比其他频率时重得多，载荷的增加会引起易于检测到的激励交流电流（或电压）的相应增加。

受检板材的厚度可根据已知的材料和仪器读取的谐振频率确定。如果板材的基频谐振频率为f₀，且其相应波长为λ₀，用c表示声速，则板材的厚度t可表示为

t=λ₀/2=c/2f （3.3-46）

通常为找到板材的基频谐振频率，只需要确定两个相邻的谐振频率，如f_n和f_n+1，于是可得

f_n+1-f_n=Δf=f₀

利用这一检测原理能可靠地测出板材的厚度以及胶接结构与复合材料脱粘、分层、气孔等缺陷的位置和深度。

然而，在胶接结构和复合材料无损检测中，更重要的是胶接件粘接强度的确定。在良好粘接和胶粘之间，胶粘层强度的变化对振动特性有明显的影响。

利用这一原理设计的福克（Fokker）胶接检测仪可以检测出粘附强度大于内聚强度的板-板胶接结构的胶层剪切强度和蜂窝结构的胶层拉伸强度。

图3.3-46 福克仪检测机理模型

福克胶接检测仪是一种超声波谐振阻抗型仪器，其检测机理的模型如图3.3-46所示。仪器带有以压电晶体为敏感器件的换能器。换能器置于被测件的表面，并用耦合剂实现声耦合，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，形成压电晶体的机械振动。同时，测量晶体的导纳。在谐振频率点，电阻抗是很低的，利用这一现象就可以进行谐振频率的测量。谐振频率的测量原理如图3.3-47所示。在谐振频率点，检波后的包络信号出现下陷。

当换能器置于被测工件（单金属板或胶接结构）上时，谐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。在检测胶接结构时，利用的是决定工件阻抗的胶粘层的弹性和胶粘层的内聚强度之间存在着近似线性的统计关系。通过胶粘层弹性（或柔性）所引起的电声换能器特性（谐振频率、幅度等）的影响，借助破坏试验的统计关系曲线，可估算胶接结构的内聚强度。

图3.3-47 压电换能器谐振频率的确定

2.检测方法

常用的声谐振仪多为单频谐振检测，如国产的多层胶接检测仪和国外的胶接显示仪等。仪器换能器输入工件为可控的单一特定频率声波。探头与被测结构为平面接触并需用声耦合剂。从而测量该频率下反映被测件声阻抗的换能器输出信号的幅度和相位。仪器通常仅用于脱胶、气孔和分层等缺陷的检测。由于输入声能较强，可用于埋深较深的缺陷检测。美国STAVELEY仪器公司20世纪90年代推出的新的一代多功能声振综合检测仪，其中的谐振模式采用扫频选择完好工件的共振频率，以该共振频率实施检测提高了检测灵敏度。

检测程序可按航空工业标准HB 6108—1986《金属蜂窝胶接结构声谐振法检测》实施。

多层胶接检测仪是以毫伏表显示信号的幅度来指示缺陷的，缺陷显示示意如图3.3-48所示；胶接显示仪则以示波管显示信号的幅度和相位，如图3.3-49所示。

图3.3-48 多层胶接检测仪对蜂窝缺陷的显示

图3.3-49 胶接显示仪对多层结构缺陷的显示

利用扫频谐振检测是以福克胶接检测仪为代表的。同类的仪器尚有国外的柯因达显示仪（Coinda-Scope）和斯塔布仪（Stubmeter）以及国产的胶接强度检测仪等。其检测方法和操作步骤基本相同，且与超声波检测相似，利用一个在自然频率下振动的无阻尼压电晶体探头，并用液体耦合剂与被测结构的表面耦合以传递声能。检测结果分别显示在被称为A标度和B标度的示波管和毫伏表（福克80L型已改用发光二极管和数字显示）上。谐振频率的偏移显示在A标度上；晶体的导纳（也是振动阻尼的指示）显示在B标度上。A标度应用最广，它可用于指示金属板-板连接（胶接、焊接等）的结合质量以及碳纤维复合材料叠层的分层和脱粘。A标度指示具有时有两种不同的涵义：例如，多胶缝结构A标度的零指示可能意味着脱粘，也可能是低质量的结合。而利用B标度就可以区分这两种不同的缺陷。再如，在板与蜂窝和板与发泡材料结合质量的检测等的应用中，利用B标度来解释试验结果往往比较方便。

不论是用A标度还是B标度指示胶接接头的结合强度，都必须采用破坏试验的方法在检测前先行作出破坏强度与标度指示间的关系曲线。具体检测步骤和关系曲线的制作可参照航空工业标准HB 6108—1986《金属蜂窝胶接结构声谐振法检测》执行。

图3.3-50所示为典型的胶接结构关系曲线实例。关系曲线只适用于与制作曲线时所选用换能器晶体、粘结剂型号、基体的板材和板厚相同的结构。

图3.3-51、图3.3-52示出了检测仪的A标度与碳纤维复合材料厚度的函数关系。

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图3.3-50 胶接强度检测仪A标度指示与用Redux 775或Metlbond 328粘结剂粘接的铝合金材料单胶缝结构结合质量的关系曲线（线旁所标为下板厚度）

图3.3-51 A标度与碳纤维复合材料叠层厚度的函数关系

图3.3-52 用三种不同换能器晶体测得的A标度与碳纤维复合材料叠层厚度的函数关系

胶接结构件的机械强度检测时通常用可达最高强度的百分比表示。在用福克胶接检测仪和胶接强度检测仪检测时，第一步是基准的校准（0/100校准）。方法是将晶体耦合于厚度等于被测粘接结构件上板厚度的单板上，此时相当于结构的脱粘处，调节A标度至零（0）；再将晶体耦合于厚度等于被测粘接结构上下板总厚度的单板上，此时相当于结构粘接强度的极限值（100），得出A标度的示值。

在实际检测中，当晶体耦合于被测结构时，A标度的指示总是在其极限指示的稍右的位置，随着粘接质量的降低，指示更向右移，直至在右侧消失，而在左侧出现指示。当下板厚度较厚时，粘接质量指示只出现在左侧。

3.检测设备

国产胶接强度检测仪的原理框图如图3.3-53所示。其主要技术指标见表3.3-25。

图3.3-53 胶接强度检测仪原理框图

表3.3-25 胶接强度检测仪主要技术指标

多层胶接检测仪（DJJ—1型）的原理框图如图3.3-54所示；其主要技术指标见表3.3-26。

图3.3-54 多层胶接检测仪原理框图

表3.3-26 多层胶接检测仪主要技术指标

福克胶接检测仪和胶接强度检测仪的换能器结构简图如图3.3-55所示。电声换能器是以圆柱形的压电陶瓷晶体制成的，材料为钛酸钡。用于板-板胶接结构剪切强度检测的，换能器圆柱体高度与半径之比一般为1.0～2.0；用于板与蜂窝胶接结构拉伸强度检测的，晶体高度与半径之比一般为0.5～1.0。胶接强度检测仪常用的探头及测试范围见表3.3-27。

图3.3-55 胶接强度检测仪探头简图

表3.3-27 常用探头的测试范围

（续）

①前两位数字为直径；后两位数字为厚度；括号内为英制。

②ϕ为晶体直径；t为厚度。

③M表示金属板；H表示蜂窝；RP表示增强塑料。

多层胶接检测仪的探头有两种：一种用于多层板脱粘伤的检测（通称A型），其结构如图3.3-56所示；另一种探头用于夹芯胶接结构脱粘伤的检测（通称B型），其结构如图3.3-57所示。两种探头结构的基本形式相同，只是在选材和尺寸设计上有所区别，见表3.3-28。

图3.3-56 多层胶接检测仪A型探头示意图

图3.3-57 多层胶接检测仪B型探头示意图

表3.3-28 多层胶接检测仪探头结构

多层胶接检测仪探头测试参见3.3.2节3（2）“探头测试”。

胶接强度检测最为重要的应用是板-板结构件的检测。为简化质量控制方法，通常不检测结构件粘接的定量强度值，而是将结合质量划分为四个等级，见表3.3-29。对每一粘接接头的等级要求必须依据各种接头的重要性和所受载荷大小，在图样中标明每一粘接接头的等级要求。胶接质量的划分还可用简图的方式，如图3.3-58所示。

表3.3-29 结合质量的分级

图3.3-58 胶接质量等级划分

4.声谐振检测仪的应用

胶接强度检测仪的应用并不限于金属与金属胶接结构件，表3.3-30示出了这类仪器的主要应用范围。

表3.3-30 胶接强度检测仪的应用摘要

（续）

①CFRP表示碳纤维增强塑料；GRP表示玻璃纤维增强塑料。

多层胶接检测仪可检测的结构实例见表3.3-31。

表3.3-31 多层胶接检测仪的应用摘要

多层胶接检测仪检测两层胶缝结构件时，以第一层板厚调谐，脱粘的深度则可根据毫伏表的示值来确定，示值大的（近100%）为第一胶缝脱粘，示值较小的（约50%）为第二层胶缝脱粘。三层胶缝以上的构件，其脱粘深度检测可以每个脱粘伤本身调谐（将电表调至100%）。然后，把探头移至标准试件的脱粘区，指示值相同的脱粘深度即为被测件的脱粘深度。

仪器可以检测9层薄铝板（8层胶缝）结构的脱粘，对脱粘伤直径约40mm的检测结果见表3.3-32。仪器的检测范围和灵敏度见表3.3-33。

表3.3-32 9层薄铝板结构的检测结果

表3.3-33 多层胶接检测仪的检测范围和灵敏度