粘接结构质量超声检测和信号处理方法

张 震，曾 亮，张永华，李秋锋，习璐颖

(1.上海新力动力设备研究所，上海 201109;2.湖北宜昌市特种设备检验检测所，湖北 宜昌 443005;3.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063)

0 引言

粘接结构具有比强度、比模量高及其他优越的性能而广泛应用于航空航天领域。由于粘接结构在加工和使用过程中会出现粘接不良、气孔、局部脱粘等缺陷，破坏了粘接结构的完整性，使得界面粘接强度达不到设计要求，从而造成产品失效引发事故，特别是在航空航天领域将带来灾难性后果，所以粘接质量及可靠性问题日益突出，对粘接结构无损检测的技术要求也越来越高。

目前，对粘接件的无损检测主要着重于对胶层的界面缺陷与内聚强度的检测与评价，方法主要有:超声检测方法、红外热成像法、射线照相法、渗透法，它们都各有优点和局限性。红外热成像法具有图像直观、非接触、检测精度高、范围广等优点，但因它的应用成本高，对温度等环境因素敏感，所以在使用红外热成像技术时要严格控制环境的影响［1］;射线检测法是利用X射线和Y射线进行远视拍片，通过胶层密度的变化来判断粘接质量的方法。射线透射过不同材料时有不同程度的衰减，通过观察感光黑度不同的底片图像判断结构的粘接质量［2］。射线检测法的优点是检测结果比较直观、易判断、可长期保存。但是它同样也具有难以克服的缺点，比如它不能保证检出界面处贴合脱粘，而且对孔隙缺陷并不敏感［3］。相比于超声法，射线检测法由于检测周期长、费用高而在应用上受到了一定程度的限制。渗透法是用于检测材料的表面缺陷的方法，效果直观，可同时显示各种表面缺陷;它的缺点是只能检测开口暴露在试件表面的缺陷，不能检测隐藏缺陷［3］。

相比其他常用的无损检测方法，超声法因具有使用方便、穿透能力强、灵敏度高、对人体无害、成本低、被测对象范围广等优点，在粘接结构的无损检测中得到了广泛的应用。

1 超声检测法

目前常用于检测粘接结构粘接质量的超声检测方法主要有脉冲回波法、斜入射法、超声相控阵法、声－超声法、导波法。

1.1 脉冲回波法

超声脉冲回波法是利用超声波的反射特性对一界面脱粘情况进行检测的方法。它是指将持续时间很短的超声脉冲波垂直入射到被测物体表面，当脉冲波穿过气泡或其它声阻抗率不同于介质本身的杂质时，部分反射回来的声波称为缺陷波，另一部分继续传到介质底面后再反射回来的声波称为底波，最后通过对反射波、缺陷波和底波在时间轴上的位置进行分析来探测反射源在被测物体中的位置和大小。超声波在粘接结构内的传播过程中遇到气孔或脱粘等缺陷时，会产生较大的回波［4］。对于金属－非金属粘接质量的检测，用脉冲回波法是十分有效的。20世纪50年代，Thomson［5］研究了弹性波在分层介质中的传播过程;20世纪70、80年代，超声脉冲回波法已经开始应用于粘接结构粘接质量检测。1991年，Billson等［6］采用脉冲回波法，再运用计算机进行建模分析，成功检测出了粘接结构中的缺陷。近几年，脉冲回波法在粘接质量检测方面的应用越来越广泛。Emeterio等［7］采用超声脉冲回波法，通过分析钢/橡胶/橡胶三层粘接结构中两界面的时间差来对不同界面的缺陷进行定征。

1.2 斜入射法

斜入射法是通过研究粘接界面特性与不同声波入射角之间的关系和变化规律，来检测粘接界面缺陷［8］。超声斜入射法的优点是无需高频率超声波即可提高界面弱化探测灵敏度。Rokhlin等［9-10］采用斜入射法，针对粘接结构的特性和劣化程度进行表征和评价。安志武等［11］采用忽略了粘接层厚度的弹簧模型研究并分析铝－胶－铝等厚粘接工件的超声反射频谱的低频特性。杨雪等［12］研究了在超声波斜入射条件下，在多层高分子复合结构中，每层材料的动态力学参数的变化以及几何参数的变化作用于吸声性能的影响。罗忠等［13］利用一次反射回波的斜入射技术建立了超声波斜入射时水中隐身夹芯复合材料结构的声学模型，同时分析了超声波入射角的变化对反射系数和吸声系数造成的影响。

1.3 超声相控阵法

超声相控阵换能器的工作原理是基于惠更斯－菲涅耳原理。超声相控阵技术是运用超声探头晶片的组合，由多个相互独立的压电晶片组合成阵列，并且按照一定的规则和时序控制激发各个晶片，使得所有的晶片发射的超声波形成一个波阵面［14］。在接收反射波时，按一定的规则和时序控制接收晶片，再进行信号合成，将合成的结果用适当的形式显示出来。超声相控阵技术最初主要应用于医学领域，通过声束的偏转和聚焦来进行检测。国内已有中国石油大学、中科院声学研究所等单位将超声相控阵技术应用于声波测井井下成像。陈友兴等［15］利用相控阵超声检测技术对固体火箭发动机封头构件的粘接状态进行仿真分析，结果显示该检测方法在界面粘接检测方面具有广泛的应用前景。蒲波等［16］对复合材料的粘接性能进行检测说明了超声相控阵技术在检测复合材料粘接性能上的应用前景。李怀富等［17］通过超声相控阵技术对复合材料样板粘接进行试验后提出超声相控阵技术可以通过反射波很好地显示出其缺陷位置。

1.4 声－超声法

声－超声(Acoustic-ultrasonics，AU)技术最早是由美国宇航局的Vary等于1976年提出。随着AU技术在复合材料、粘接接头等方面的应用越来越广泛，越来越多的研究机构开始积极开展AU技术的应用研究。声－超声技术检测的适用性好，检测时仅采用2个超声换能器，按照一发一收的方式进行检测。AU技术利用超声换能器或激光照射的方法以一定的方式向复合材料内部辐射脉冲信号，该脉冲信号经过在复合材料内部的多界面的反射与折射，发生模式转换后产生了横波和纵波，横纵波在传播过程中与复合结构粘接层发生复杂的相互作用，到达放置在材料的同一或另一表面的接收装置。最后通过分析接收装置中的AU信号，分析检测材料内部的各种力学性能的变化。邓明晰等［18］采用声－超声技术对铝板－粘接层－铝板的粘接质量进行实验研究，发现基于声－超声技术的应力波因子与粘接层固化时间存在单调对应关系，由此表明用应力波因子及声信号的幅频特性表征和评价复合结构界面粘接质量是可行的。艾春安等［19］运用AU技术结合采用自适应滤波法和小波变换技术，实现了对固体火箭发动机结构粘接质量的检测。

1.5 导波法

作为一种有效的超声检测技术，超声导波法在材料无损检测与评价中的应用已经非常广泛。超声导波是由超声波在板状体或管状体的不连续交界面间经多次反射、干涉、叠加和波型转换而产生的。频散和多模式是导波的最主要特点。通过研究导波的频散特性就可以实现对材料的检测和评价［19］。它的优点是检测速度快，从单点激励就可以进行长距离检测。在应用方面，Rose［20］在深入系统的研究，且已经形成专著。国内在这方面的研究也取得了一些进展。艾春安等［21］在进行利用导波检测固体火箭发动机多层结构壳体的研究工作上，采用全局矩阵法，推导了多层结构壳体的导波频散方程，并且分析了固体火箭发动机刚层和绝热层之间的层状粘接结构粘接质量对频散曲线的影响。张锐等［22］通过数值计算和实验验证，提出了一种新的对层状粘接复合结构层间界面力学参数定征的超声导波方法。

2 超声信号处理手段

目前，超声检测技术已经广泛应用于粘接结构粘接质量无损检测，而对检出的超声特征信号进行分析与处理是极其重要的。超声检测信号处理就是在了解超声波在被检对象介质中传播规律的基础上，采用适当的信号处理手段，去除噪声影响，增强目标信号，提高采集到的信号质量，时频处理方法是目前应用比较广泛的方法，下面介绍几种有效的时频信号处理方法。

2.1 小波变换(Wavelet Transform，WT)

小波分析是通过对信号作伸缩平移逐步实现细化，高频部分时间细分，低频部分频率细分，最终实现信号任意细节的聚焦［23］。敦怡等［24］运用小波变换分析从多层粘接结构深层界面提取的回波信号特征，来识别和定位深层界面的脱粘缺陷。高志奇等［25］使用小波变换分析薄板粘接结构检测信号，提出与粘接质量相关的特征值，并使用RBF神经网络对粘接质量作出定量识别。陈振华等［26］在镁合金超声检测中采用小波去噪技术获得了不错的效果。

2.2 HHT 技术

HHT(Hilbert-Huang Transform)技术最早是在1998年由NASA的Norden E Huang提出，用于非线性系统的分析。HHT技术在处理非稳定非线性信号时具有更高的时频分辨特性，它是一种具有自适应性的时频局部化分析技术［27］。HHT技术由经验模式分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)和Hilbert谱分析2个步骤组成。按照这种方法得到的Hilbert谱可以在时频域中对被处理的非平稳信号进行详细描述，其具有很高的时频分辨率，并且由EMD分解获得的每个IMF分量都含有非常明确的物理含义，其处理后的信号能够很好地保留了原信号的局部特征。陈果等［28］采用HHT技术对粗晶材料的超声检测信号作时频分析，并且通过分解噪声，提取缺陷反射信号获得较好的效果。付春等［29］应用一种改进HHT模态参数识别方法进行去噪，能够更准确的识别缺陷信号。

2.3 Wigner分布

Wigner分布于1932年由Wigner提出并用于量子力学领域，在1948年首次用于信号分析与处理领域。Wigner分布是以变量时间和频率在能量域平面的时频表示，是双线性变换。WVD因可以灵活地选择窗函数，故它可以满足高时频分辨率的要求［30］。Wigner在频域和时域具有明显的对称形式，WVD沿时间轴的积分等于在该频率处的瞬时能量［31］。对任一信号都可以求解它的Wigner分布函数。信号的自相关函数对频率积分后在某一时间带内对时间积分得到的积分值就表示信号在该时间带内的能量，同理，在频率带内的积分也是如此。其次，信号的自相关函数在整个时间－频率平面上的积分就是信号的总能量，也就是说Wigner分布是信号能量在时频平面上的分布。聂守平等［32］利用Wigner分布函数将整数域的傅里叶变化推广到了非整数域，并且描述了光场从空间域到频率域的演变过程。田丰等［33］利用WVD的良好的时频聚焦性，提出了一种选带细化WVD的数值计算方法，WVD与此方法结合应用能够大幅提高选定窄带内高分辨率WVD分析的计算效率。

3 结束语

1)在粘接结构超声检测方法中，各种检测方法都不同的特点:脉冲回波法是利用超声波的反射特性对界面脱粘情况进行检测的方法，对于金属－非金属粘接质量的检测，用脉冲回波法十分有效。而超声斜入射法最突出的优势就是无需高频率超声波即可提高界面弱化探测灵敏度，且超声波斜入射时对粘接界面特性的改变更为灵敏。超声相控阵技术依靠电子扫描和动态聚焦，检测速度快，实现了全方位和多角度的自动检查，也可以检测形状复杂的工件。AU技术多数用来检测和评价复合材料粘接结构的粘接质量，它是在分析表征粘接强度的信号幅频特性和应力波因子的基础上来对粘接强度进行评价。采用超声导波法进行检测的关键是对导波的传播规律的掌握，频散和多模式也是导波技术的最主要特点，通过研究超声导波的频散规律的变化知道管材或板材物理参数和几何参数的变化，从而对材料进行无损检测和评价，随着研究的深入，超声导波检测方法在粘接结构检测中正在逐渐展现其突出的检测能力。

2)在对超声检测信号进行处理时，常用的时频处理方法主要小波分析、HHT技术和WVD技术，这些方法对检测信号处理都有不同的侧重，可根据数据处理要求选择相应处理方法:运用小波变换达到时频局部化分析的目的，且可以放大回波信号局部特征，所以对信号的特征有充分的认识。HHT技术局部性能良好且是自适应的，适用于非线性非平稳信号分析，能描绘出信号的时频谱图、边际谱、能量谱等。WVD技术因采用双线性变换而具有理想的时频分辨率，它最大限度地利用了时域信号，是应用最为广泛的时频分析方法。

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