《無損檢測》課件10 聲震檢測

1、第十講 聲振檢測法 對應(yīng)教材內(nèi)容： 6.2 聲振檢測法 檢測原理及方法我們知道一個物體的振動狀態(tài)不同，表現(xiàn)為發(fā)出的聲音不同，在物理上這是由于它們振動的幅度、振動的頻率、振動持續(xù)的時間以及單振動和復(fù)合振動等的不向。這些物理量與振動物體的材料、結(jié)構(gòu)等的性能是相關(guān)的。作為一個振動系統(tǒng)，在單一頻率情況下，機(jī)械振動的基本方程為：式中，F(xiàn)機(jī)械振動的驅(qū)功力，u質(zhì)點(diǎn)的振動速度，Z等效力阻抗的表達(dá)式為：式中，M等效質(zhì)量，C等效柔順性，R等效損耗阻，Z的數(shù)值與膠接狀態(tài)密切相關(guān)。通過測量Z、或在F一定時測量u就可以相對地對膠接質(zhì)量進(jìn)行檢測。 聲阻檢測法就是用電聲換能器激發(fā)樣品振動，而反映樣品振動特件的力阻抗反作用于

2、換能器，構(gòu)成換能器的負(fù)載。當(dāng)負(fù)載有變化時，換能器的某些持性也隨著變化。根據(jù)換能器不同特性的測量有振幅法、頻率法和相位法等。 頻率檢測法 對構(gòu)件施加一沖擊力時，它將在其所有的振動形態(tài)下振蕩，不同形態(tài)的相對強(qiáng)度視沖擊性質(zhì)和位置而定，因此，構(gòu)件響應(yīng)是系統(tǒng)所有形態(tài)自然頻率和阻尼的函數(shù)。 可將構(gòu)件受沖擊所產(chǎn)生的響應(yīng)時間記錄變換成相應(yīng)的頻譜，在時間域很難分辨的被檢構(gòu)件的自然頻率，在頻譜中很容易從其最大值中加以辨認(rèn)。 纖維增強(qiáng)塑料中的損傷，不論是單一裂縫還是分布在零件整個體積上的許多裂縫，都會使零件的剛度降低。這種剛度的改變必然引起零件自然頻率的降低，從而引起模量的降低。由高速傅立葉變換得到的典型頻譜示于右

3、圖，對其進(jìn)行分析可以了解被檢工件的質(zhì)量。 頻率檢測法 局部激振法 局部激振是對被測結(jié)構(gòu)的一點(diǎn)或多點(diǎn)施加激勵，使其發(fā)生振動、并對所有欲測的各點(diǎn)，測量其結(jié)構(gòu)的局部性能。1.單點(diǎn)激振 1)振動熱圖法，纖維增強(qiáng)塑料中損傷的存在往往導(dǎo)致形成裂縫和微裂縫，當(dāng)對損傷的復(fù)合材料施加周期應(yīng)力時，在各種裂縫和邊緣之間會發(fā)生相對運(yùn)動(阻尼)而產(chǎn)生熱量。如果構(gòu)件內(nèi)存在不同形式的局部且嚴(yán)重的損傷、阻尼總體水平的變化不大，但小的局部區(qū)域內(nèi)的阻尼變化則可能比較大。 檢測周期應(yīng)力形成的局部溫升可以判斷結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。常用的方法是采用掃描紅外攝像機(jī)。紅外攝像機(jī)能以灰度等級或偽彩色方式顯示表面溫度。這種方法對復(fù)合材料緊貼型的裂縫具有

4、良好的檢測能力。振動熱圖檢測適用于熱擴(kuò)散率低的工件，以便有效地阻止損傷區(qū)的熱量快速傳導(dǎo)，因此，這種方法很少用于熱導(dǎo)率高的金屬。由于碳纖維復(fù)合材料的熱擴(kuò)散率明顯高于玻璃纖維復(fù)合材料，如GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)塑料)等，因而使用效果就不如后者好。 單點(diǎn)激振(2)振幅測量法,構(gòu)件內(nèi)的局部損傷往往使振動模態(tài)形式有所改變，采用激光全息照相系統(tǒng)可以獲得蜂窩結(jié)構(gòu)件的缺陷視圖。這種方法需使構(gòu)件振動至諧振，并產(chǎn)生運(yùn)動的時間平均全息圖，它特別適宜于蜂窩壁板中蒙皮與芯脫粘的檢測。這種方法要求必須建立無振動的環(huán)境，而且設(shè)備的價格較高。但是由于可實(shí)現(xiàn)快速檢測，而且一次能檢測的構(gòu)件面積較大，在一些構(gòu)件(如飛機(jī)的機(jī)翼等)中得

5、到應(yīng)用。 振幅測量法 多點(diǎn)激振法 在每一被測點(diǎn)施加激勵，且在同一點(diǎn)上測量振動的響應(yīng)，可用來測量膠接結(jié)構(gòu)的脫粘、分層和疊層構(gòu)件的氣孔以及有缺陷的蜂窩結(jié)構(gòu)。 因此這類無損檢測方法已成為目前生產(chǎn)中最簡便易行和最常用的方法。 該技術(shù)與頻率較高的超聲檢測相比，主要優(yōu)點(diǎn)是在探頭和構(gòu)件之間一般不需要耦合劑，使檢測工作更加快速和方便。 多點(diǎn)激振法應(yīng)用較多的是聲阻法和掃描法。 (2)聲阻法 聲阻法是利用測量結(jié)構(gòu)件被測點(diǎn)振動力阻抗的變化來確有異常的結(jié)構(gòu)存在。測量在單一振動頻率下進(jìn)行，常見的頻率在1-10kHz之間。 聲阻法又可分為雙片聲阻法和單片聲阻法。雙片聲阻法又稱為聲阻抗法，它是利用由兩個壓電晶片組成的檢測器

6、(個晶片激振，另個接收信號)， 以點(diǎn)源形式激發(fā)樣品作彎曲振動，并將樣品振動的力阻抗通過觸頭轉(zhuǎn)移為檢測器的負(fù)載，通過對檢測器特性的測量，來檢測樣品力阻抗的變化，達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)康摹Ｂ曌璺z測缺陷的可能性取決于換能器在良好區(qū)上的等效接觸剛度與缺陷區(qū)上等效剛度的差。等效接觸剛度是實(shí)際接觸剛度與結(jié)構(gòu)件剛度的并聯(lián)值。 式中，Kc換能器與工件表面的接觸剛度，Kd缺陷區(qū)的剛度。缺陷區(qū)的剛度應(yīng)根據(jù)缺陷上部的板的邊界條件來計(jì)算，若缺陷上部為邊界鉗緊的板，在頻率明顯低于板的第一共振頻率時，Kd由下式給出：式中，d缺陷的直徑。此處，E楊氏摸量；h板厚；泊松比如用dB表示阻抗變化量，則有：式中，r缺陷半徑。檢測靈敏度與缺陷

7、半徑的平方(缺陷的面積)成正比與缺陷埋藏深度的立方成反比。 在實(shí)際檢測中，通常利用換能器將這種阻抗變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。因此，只要給被測件個有效的激勵信號，根據(jù)接收到的電壓信號的大小、相位和諧振頻率的變化，即可確定膠接層的質(zhì)量狀態(tài)。檢測靈敏度則與其阻抗的變化有關(guān)，因而可以得知能檢出最小缺陷的靈敏度與缺陷的埋藏深度(即膠接結(jié)構(gòu)的上板厚度)有關(guān)。(2)單片聲阻法 一個晶片激振和接收返回信號，主要用來檢測粘接質(zhì)量。用電聲換能器激發(fā)樣品振動，而反映樣品振動特性的力阻抗反作用于換能器，構(gòu)成換能器的負(fù)載，使換能器的共振諧頻和幅度隨不同的負(fù)載而變化。單片聲阻法對膠接強(qiáng)度檢測的實(shí)際作用，是通過對換能器特性

8、的測量來檢測樣品力阻抗的變化。大量實(shí)踐證明，對于用同一種膠劑和同一種工藝膠接的同一種產(chǎn)品，該方法的測試結(jié)構(gòu)與膠接強(qiáng)度存在著某種統(tǒng)計(jì)關(guān)系。實(shí)際檢測中，通過大量的破壞性實(shí)驗(yàn)，繪出換能器某些特性與膠接強(qiáng)度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線，作為校準(zhǔn)曲線來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的檢測。 掃描聲振檢測技術(shù)聲諧振檢測技術(shù)：實(shí)質(zhì)上是聲阻抗的一種特例。它們的共同點(diǎn)是：通過電聲換能器激發(fā)被測件，并測試以被測件為負(fù)載的換能器的阻抗特性。聲諧振檢測通?？煞譃閮煞N類型，以頻率隨時間變化的掃頻連續(xù)波入射工件和以可調(diào)的單一頻率的波入射工件。 掃描聲振檢測技術(shù)的基本原理是：檢測換能器與被檢工件耦合，并用比換能器自然頻率低的掃頻連續(xù)波激勵。 當(dāng)此連續(xù)波通

9、過被檢工件的基頻諧振或諧波振動時，換能器所承受的載荷要比其他頻率大得多，載荷的增加會引起激勵交流電流的增加。檢測時，將壓電換能器置于被測工件表面，并用耦合劑進(jìn)行聲耦合，利用儀器內(nèi)部的掃頻振蕩器，將一個從低頻端到高頻端進(jìn)行快速掃頻的交流電壓加于換能器、形成壓電晶體機(jī)械振蕩，同時測量晶體導(dǎo)納。有共振點(diǎn)，點(diǎn)阻抗突然降低，利用這一現(xiàn)象即可測量共振頻率。 掃描聲振檢測技術(shù)當(dāng)換能器置于被測工件上時，共振頻率和阻抗均將發(fā)生變化。而這些變化都與作為換能器負(fù)載的工件阻抗特性相關(guān)。 樹脂基膠接結(jié)構(gòu)膠層的彈性與它們內(nèi)聚強(qiáng)度之間存在的近似線性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。 可以通過對由樹脂和膠層彈性所引起的電聲換能器特性影響的測量，并

10、借助破壞性試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線來估算內(nèi)聚強(qiáng)度。 掃描聲振檢測技術(shù)二、聲振檢測的應(yīng)用蜂窩結(jié)構(gòu)具有較高的比強(qiáng)度，在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上得到廣泛的應(yīng)用，如火箭和衛(wèi)星的玻璃鋼蜂窩整流罩、鋁蜂窩儀器艙等。蜂窩結(jié)構(gòu)件成形工藝復(fù)雜，脫粘缺陷不可避免。1.蜂窩結(jié)構(gòu)檢測檢測時，探頭激發(fā)產(chǎn)生的聲波進(jìn)入被測試件，并使被測點(diǎn)基材振動，接收部分將根據(jù)接收信號相位和幅度的差別來判斷被測件的質(zhì)量。 粘接質(zhì)量的變化使得阻抗剛性系數(shù)產(chǎn)生很大的變化。通過和標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行對比，可見在某個頻率點(diǎn)上，粘接良好區(qū)和缺陷處的相位與幅度有最大的差別，它取決于脫粘的尺寸和蒙皮的厚度，通過機(jī)械阻抗分析法，能夠檢測出單層或多層面板的蜂窩膠接結(jié)構(gòu)中粘接層之間的脫粘缺陷。 這種方法在使用時無需要液體耦合，不污染產(chǎn)品，可對曲面和微小點(diǎn)進(jìn)行測試，有較小的接觸點(diǎn)和使用靈活性，適用于形狀不規(guī)則或彎曲的表面。通過在探頭頂端加載彈簧或接觸壓力并配合C掃描系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式機(jī)械掃描，特別適合于檢測形狀復(fù)雜的大型蜂窩結(jié)構(gòu)件，可提高檢測效率。2.復(fù)合材料檢測圖6l0是采用脈沖激勵方法，在激光脈沖傳播至構(gòu)件時取幾微秒間隔的視圖組成全息圖