定距发送/接收检测的实现方案

定距发送/接收检测是利用声波在复合材料或胶接结构构件内的传播规律检测粘接不连续的技术。国外S-2B、S-6、S-9等系列型号的Sondi-cator仪器采用的就是这一检测原理。美国Staveley NDT Technologies公司开发的综合声学检测仪Sonic BondMaster包含有该项技术的扫频发/收、脉冲发/收、射频连续波发/收三种不同的检测模式。它所检测的结构件厚度、类型与不连续的埋深介于声阻法检测与声谐振检测之间，有力地补充了上述两种方法的不足。

1.检测原理

定距发送/接收的检测原理与声-超声波检测（参见本篇第2章）相似，用的是板波检测技术。它的探头是双晶片、双触头的不需耦合剂的低频超声波探头。检测时，将探头的两传声触头置于扫查线前后的走向，以低频或射频电子信号激励发送换能器，产生的超声波经触头进入被检工件。接收换能器通过与发送换能器定距间隔的另一触头拾取传经工件的声波，如图3.3-59所示。超声波以板波模式横穿工件传播。检测经工件传播的返回信号以幅度与相位显示，表征工件声径上粘接的完好或脱粘。

图3.3-59 定距发送/接收检测原理

假定发送换能器施加于工件表面的为一垂直脉冲力F₀（t），则在垂直方向距源z处的质点（见图3.3-60）速度可表示为

式中 μ——工件剪切模量；

c_l——工件中的纵波速度；

c_t——工件中的横波速度；

t——施加脉冲力后的时间；

z——质点在垂直方向距源的距离，如图3.3-60所示。

显然，上式的第一项主要为纵波成分，它与力函数F₀（t）的变化率有关，并与板厚一次方成反比，第二项主要为横波成分，它与力函数本身有关，且同板厚的二次方成反比。可见，板厚对纵波与横波的幅度和相位的影响是不同的，它对后者的影响远大于前者。因此，在使用幅度-相位显示技术时，通常总是利用以横波成分为主的板波模式。

当采用连续波稳定激励时，对板厚远小于波长的导波形状工件，依据激励方式，在板中主要传播的是最低对称波S₀或反对称波A₀，前者主要成分是伸缩波（纵波），后者主要成分是一种弯曲波。根据经典板波理论，伸缩波速度为

图3.3-60 工件质点振动速度分析示意图

弯曲波速度为

图3.3-61 板中能形成的声波模式

S—对称波 A—非对称波

式中 E——工件弹性模量；

ν——工件泊松比；

ρ——工件密度；(www.xing528.com)

ω——角频率；

d——工件1/2板厚。

从图3.3-61可以看出板厚远小于波长（即板厚与频率的乘积很小）时，板中主要形成最低S0模式（伸缩波）和A₀模式（弯曲波）两种波。

伸缩波（S₀模式）与弯曲波（A₀模式）的主要区别在于：首先是传播速度不同，伸缩波速度较快，弯曲波则较慢；再则，伸缩波没有频散效应，弯曲波频散效应明显，频率越高的成分传播速度越快；还有，这两种波位移的相对幅度与激励方式有关，当激励力源作用方向与板平面垂直时，在板中主要产生的是弯曲波。事实上，从式（3.3-47）可以看出，其第一项同伸缩波有关，第二项则与弯曲波相联系。对稳态激励，两者幅度比ξ为（设c_l∶c_t=2）：

ξ=2πfh/c_l=2πh/λ （3.3-50）

式中 h——板厚；

λ——波长。

由于板厚远小于波长，所以比值ξ远小于1，说明垂直激励产生的弯曲波成分远大于伸缩波。

2.检测程序

定距发送/接收检测依据激励方式又可分为三种模式；扫频定距发送/接收、脉冲定距发送/接收与连续波定距发送/接收。

（1）扫频定距发送/接收检测扫频定距发送/接收检测通常采用20～40kHz范围的电子扫频激励发送换能器，经触头在被检工件中形成扫频超声波，接收换能器触头拾取经工件的超声波。检测并显示返回信号的幅度与相位，即可判别声经上完好粘接与不良粘接的效应。

用一定范围的频率扫频可以得到在脱粘时带小驻谐回线的较大的近似圆形显示（见图3.3-62c）。由于板波被耦合进入完好粘接层下面的叠层所衰减，因而完好粘接显示小的接收波图形（见图3.3-62a）；在脱粘区，波形在上板内很少衰减，从而显示较大的图示。仪器可在其中心设置报警方框，接收波形跨越方框实施声与（或）光报警。

这一方法的设置十分简便，且不需耦合剂。仅需将探头置于良好与不良粘接的样件上。调节增益使来自脱粘的信号跨越设置的报警方框。良好粘接信号显示远小于报警方框。对工件不良耦合，探头存在提离效应，其结果将进一步减小幅度，使圆形的图形大小接近显示屏的中心（见图3.3-62b），则又远小于完好粘接信号相反于脱粘信号的效应，极大地降低了仪器误报警。由于使用的是低频，这一检测模式适于检测脱粘与埋深较深的不连续。

图3.3-62 扫频发/收信号图形

（2）脉冲定距发送/接收检测这一检测方法的实施类似于上述的扫频发送/接收检测，只是激励所用的是单频短脉冲（频率为2.5～70kHz）。频率的选择是使用被检件层厚-材料内产生最大的弯曲运动。当探头由完好区到脱粘区扫查时，用一个时间可调的选通门选择幅度变化最大的接收脉冲。

将探头移动至脱粘区上面，接收到的信号幅度将大于其在粘接完好区上面的。这是由于前者波的运动受脱粘区上面的板或层的限制，加强了导波作用；后者波的能量通过粘接层损失在基层材料中的缘故（应力波传递因子改变）。

通常，调节频率与增益使在脱粘区得到最大信号。然后用完好区的信号与之比较，当选通门选至完好区信号阻尼时间内时，完好区的信号将显著减小。操作者置时间选通于最佳时间以监视接收信号的响应。可以用时间-幅度显示，并选择幅度设置报警。亦可用相位-幅度显示，并设置幅度报警或幅度与相位报警。它检测埋深较深的不连续能力远较扫频发/收强，因而是对扫频定距发送/接收检测的有力补充，某些不能用扫频发/收方法的构件可用这一方法检测。

（3）射频定距发送/接收模式这是美国Staveley NDT Technologies公司在其综合声学粘接检测仪Sonic BondMaster^TM中新开发的一种检测模式。它采用的是连续波稳态激励，可以选择的激励（发送）和接收频率远较上式两种模式宽，尤其是提高了上限频率，频率范围为2.5～150kHz，可根据检测对象选择。它的高的高频端（频率为75～150kHz）对薄壁材料构件的粘接检测很适用，尤其是碳环氧蒙皮-芳纶纸芯（Nomax芯子）蜂窝结构的检测。

方法的设置与检测步骤与上述两种定距发/收模式类同。

3.检测设备

探头的形式如图3.3-63所示。检测仪器以美国Staveley NDT Technologies公司的Sonic BondMas-ter^TM最具代表性，在下节将作专题介绍。

图3.3-63 定距发送/接收检测探头