空氣耦合超聲金屬/非金屬粘結缺陷檢測

?？〗?曾雪峰 萬陶磊 余 盼 盧 超

（1 南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

（2 日本探頭株式會社，橫濱 232-0033）

（3 國營長虹機械廠，桂林 541002）

文 摘 為提高SRM粘結結構脫粘缺陷檢測效率，實現大面積快速自動檢測，基于漏蘭姆波檢測原理，提出使用空氣耦合超聲蘭姆波檢測技術，對鋼/樹脂/橡膠粘結結構進行檢測研究。使用二維傅里葉變換識別粘結結構中蘭姆波模態，從蘭姆波波結構出發分析了不同模態蘭姆波對于脫粘缺陷的敏感性；使用空氣耦合檢測系統對不同尺寸缺陷進行定量檢測，最后使用概率損傷成像算法對缺陷進行成像。結果表明：蘭姆波幅值隨脫粘缺陷的尺寸增大而增大，不同蘭姆波模態檢測靈敏度不同，檢測靈敏度高的模態其離面位移更大，使用800 kHz 頻率的S0模態檢測靈敏度高于A0模態，蘭姆波成像算法能夠快速準確的對脫粘區域進行定位成像?？諝怦詈铣曁m姆波技術能夠快速有效地對SRM 脫粘缺陷進行檢測，提高了檢測效率，為非接觸超聲的實際應用提供了有益探索。

0 引言

粘結結構以其質量輕、強度高等優越性能在航空航天、軍工產業和汽車制造等領域發揮著重要作用［1］。金屬/非金屬粘結結構更是在航空領域中得到大面積使用，特別是被應用在固體火箭發動機中。橡膠作為隔熱保護材料將殼體和裝藥室隔開，避免高溫直接和殼體作用［2］，脫粘缺陷的產生會對該結構的穩定性和魯棒性產生極大影響，嚴重的甚至直接導致零部件失效，因此該結構在制作和服役狀態中的無損檢測和評價顯得尤為關鍵，粘結結構的大量使用對快速可靠的無損檢測評價技術提出了更高的要求。

粘結結構質量評價主要分為粘結缺陷檢測和粘結強度評價兩部分，缺陷類分為完全空氣脫粘（complete debond）、孔洞和貼合型脫粘（kissing bond）等，粘結強度分為弱粘結（weak bond）和弱內聚強度（poor cohesive）［3］。目前對于粘結結構的檢測評價方法主要有超聲檢測、工業射線和紅外熱成像，其方法各有優缺點［4-6］。工業CT 無損檢測技術比較成熟并且已經應用于實際檢測中，其通過X射線源或γ射線源對試樣進行輻射，基于不同材料對于射線的吸收率和材料密度的不同，以成像的方式在底片上表征，該方法檢測靈敏度和密度分辨率較高，對于裂紋、氣孔、脫粘等缺陷檢測能力較好，但是不能對貼合類脫粘缺陷進行檢測，且其設備較復雜、龐大、價格昂貴，難以用于試樣的原位檢測和快速檢測；紅外成像檢測技術其具有非接觸、檢測范圍廣、精度高等特點，但是該方法對于環境要求較高；超聲檢測主要分為諧振、聲-超聲、脈沖回波、斜入射、導波、相控陣等方法［7］。中科院聲學所王小明、李明軒等人對粘結結構進行了大量理論研究和實驗驗證，針對高波阻抗介質下多層低阻抗介質脫粘問題，提出了延遲方法、透聲窗方法等多項技術進行解決，針對粘結強度評價，使用等效線性彈簧模型，理論研究推導了粘結結構的導波頻散曲線，分析了勁度系數和頻散曲線之間關系，使用非線性彈簧模型，對粘結界面性能退化進行反演和預測［8-13］。中北大學王召巴使用蘭姆波誘發波法對該結構的脫粘缺陷進行了研究，使用該技術實現了鋼/橡膠（Ⅰ界面）和橡膠/藥柱（Ⅱ界面）的缺陷定量檢測［14-15］。目前國內粘結結構的空氣耦合超聲檢測研究尚少，西南交通大學江洋使用COMSOL 仿真軟件對雙層鋁板粘結結構中脫粘缺陷進行了模擬［16］。相對于其他檢測手段，超聲無損檢測技術在缺陷檢測的基礎上，是最有望于實現粘結強度評價的方法。傳統超聲檢測方法都需要將換能器耦合在試樣表面，對于大面積的缺陷檢測其檢測效率低，且由于操作時按壓換能器力大小的不同甚至出現漏檢、誤檢等情況，難以實現自動化檢測。空氣耦合超聲以非接觸、非浸潤、完全無損等優越的特性避免了傳統超聲檢測的弊端，近年來空氣耦合超聲在復合材料的缺陷檢測、材料性能的評估、自動化檢測等方面得到了蓬勃發展［17-22］。針對粘結結構檢測效率低等問題，提出使用非接觸空氣耦合超聲漏蘭姆波檢測技術，基于鋼板中漏蘭姆波原理對該結構中的脫粘缺陷進行定量、定位、成像研究。

本文以鋼板/橡膠為對象，使用鋼板中漏蘭姆波檢測理論，使用二維傅里葉變換對鋼板側和橡膠側蘭姆波分別進行模態識別并驗證，制作具有不同缺陷尺寸試樣，對缺陷尺寸進行定量分析，驗證空氣耦合超聲對該結構脫粘檢測的正確性和高效率，擬為空氣耦合超聲的實際應用提供新的方向。

1 蘭姆波檢測理論及模態識別

1.1 蘭姆波頻散曲線

使用漏蘭姆波進行實驗檢測，首先需要計算該結構的頻散曲線，并選擇合適的頻率和模態。對于兩種同種材料之間的粘結，需要利用全局矩陣等方法對頻散曲線進行計算，而漏蘭姆波原理是使用鋼板中蘭姆波，由于鋼板中蘭姆波的泄露特性，會以一定角度往上側空氣和下側橡膠層泄露蘭姆波分量，橡膠只是作為一種傳遞衰減介質，其下側泄露的蘭姆波和鋼板上側泄露的蘭姆波性質是一致的。通常在理論分析中將板上下側視作真空，在實際檢測中則為空氣介質，其邊界條件可將板兩側視作切向位移連續，法向位移為零，此時的蘭姆波稱為漏蘭姆波，斜入射時，其方程可由下式確定［23］：

式中，S為對稱模態，A為反對稱模態，p2=(c/cl)2- 1，q2=(c/ct)2- 1，k=ω/c，ω=2πf，k、c、d分別是波數、相速度和厚度。5 mm 厚鋼板相速度頻散曲線如圖1所示。

圖1 5 mm鋼板相速度頻散曲線Fig.1 Dispersion curves of 5 mm steel plate phase velocity

依據Snell定理可計算不同頻率和模態下換能器入射角度。有研究指出，空氣耦合超聲極易在固體板結構中激勵并接收A0模態蘭姆波，因此在目前空氣耦合超聲研究中大多使用A0模態進行實驗研究。選擇不同頻厚積不同模態蘭姆波對于缺陷有不同檢測能力［24］，李劍等人使用接觸式超聲蘭姆波法對不同頻厚積不同模態缺陷檢測靈敏度進行了分析，零階模態蘭姆波在不同頻厚積下其靈敏度各有差異，因此分析蘭姆波波結構對于選擇換能器頻率和模態有重要意義［25］。傳統接觸超聲蘭姆波分量通過耦合劑與固體板耦合，漏蘭姆波分量傳播至楔塊中直接被接收換能器接收，而空氣耦合超聲的泄露蘭姆波需要經過空氣介質再被換能器接收，由于空氣中超聲衰減較大，在分析其檢測靈敏度的前提下應保證接收換能器能夠接收到幅值較大的信號，這意味著空氣耦合超聲選擇的檢測模態應該具有離面位移較大，面內位移較小這一特點，分別計算200和800 kHz頻率下S0模態和A0模態的板內位移分布。圖2（a）、（b）分別為200 kHz 頻率A0和S0板內位移分布，由結果可知A0模態具有較大離面位移分量，而S0模態離面位移分量較小且面內位移分量較大，因此A0模態的漏蘭姆波激發效率更高，在實際檢測中空氣耦合換能器幾乎接收不到S0模態信號，因此200 kHz 頻率下應選擇A0模態進行實驗檢測；圖2（c）、（d）分別為800 kHz頻率A0和S0板內位移分布，可知A0和S0模態的離面位移和面內位移相當，S0模態離面位移稍大于A0模態，因此這兩種模態的漏蘭姆波信號均可能被接收到；200 和800 kHz 頻率的A0模態相比，具有更高的離面位移，因此漏蘭姆波接收效率更高，同等檢測條件下其信號幅值更大。

圖2 200和800 kHz頻率下A0和S0模態位移分布Fig.2 A0 and S0 mode displacement at 200kHz and 800kHz

1.2 二維傅里葉變換

為了分析該結構中的蘭姆波模態和驗證漏蘭姆波理論檢測的正確性，需要對該結構中傳播的蘭姆波進行模態識別。目前對導波信號進行模態識別的常用方法主要有波速法、時頻分析和二維傅里葉變換［26-27］。二維傅里葉變換是將時域信號的幅值-時間信息轉換為頻率-波數，將得到的信息和相應頻散曲線對應從而判斷導波模態。當蘭姆波在粘結結構中傳播時，表面位移U（x，t）可以表示為：

式中，A（ω）為幅度，θ為相角，角頻率ω=2πf，對上式進行二維傅里葉變換可將時域信號轉換為波數域，其結果可表示為：

圖3 粘結結構中蘭姆波模態識別結果Fig.3 Lamb wave mode recognition results in bonded structure

激勵A0和S0模態蘭姆波，根據Snell 定理計算其入射角，固定初始換能器間距，移動接收換能器，每移動1 mm 間距采集上側泄露蘭姆波和下側泄露蘭姆波信號，將數據導入Matlab 中進行計算。800 kHz頻率模態識別結果如圖3所示。圖3（a）、（b）分別為A0模態蘭姆波板上側和下側識別結果，圖3（c）、（d）分別為S0模態鋼板上側和橡膠下側識別結果。從結果可知無論是板上側泄露蘭姆波或下側泄露波，其結果完全和5 mm 厚鋼板波數頻散曲線相匹配，說明在該粘結結構中單純激勵了鋼板中蘭姆波，并未在整體粘結結構中產生相應蘭姆波，而橡膠層只是作為衰減層或阻尼層，鋼板中蘭姆波一邊往前傳播一邊往板兩側泄露，當鋼板和橡膠之間出現空氣脫粘缺陷時，由于空氣和鋼板巨大的聲阻抗差，鋼板往空氣中泄露的能量相對于泄露介質為橡膠時大大減小，則鋼板中主蘭姆波能量相對增大，這體現為接收信號變大，即為漏蘭姆波檢測原理也稱板波誘發波原理。依據該理論可知，當出現脫粘缺陷時，接收信號相對于無缺陷時增大，其增量和缺陷尺寸有關。

2 實驗檢測

2.1 同側對向蘭姆波檢測信號

使用空氣耦合超聲檢測系統（NAUT-21）對粘結結構進行檢測。該檢測系統由高功率復合脈沖信號發射接收器（JPR600C）、NI-PXI-5114 信號采集卡、三軸步進電機、超低噪聲前置放大器（60 dB）、空氣耦合專用換能器、系統控制軟件組成。試樣基體材料為鋼和三元乙丙橡膠，鋼材厚5 mm，橡膠厚度為2 mm。在粘結前，使用400#、800#砂紙由低至高依次對鋼板和橡膠表面進行交叉打磨，酒精擦拭并干燥2 h，在鋼材和橡膠表面均勻涂抹粘結劑，并放入模具中常溫固化72 h，測量粘結層厚度為（0.1±0.02）mm。在橡膠表面挖空出不同尺寸正方形空洞模擬空氣脫粘缺陷，制作具有10 mm×10 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm 和40 mm×40 mm 缺陷大小的試樣。使用200 和800 kHz 空氣耦合換能器激勵鋼板中導波對缺陷進行檢測和成像。依據Snell定理計算200 kHz 頻率A0模態入射角為8.6°，800 kHz 頻率A0模態入射角為7°，S0模態入射角為6.4°。使用一發一收同側對向換能器放置方法，使用角度儀精確調整換能器入射角度，固定換能器間距，分別對具有不同缺陷大小的試樣進行實驗檢測，并采取信號。使用200 kHz 換能器檢測無缺陷和40 mm 長度脫粘缺陷信號結果如圖4所示，信號歸一化幅值從0.19 增大至0.94；使用800 kHz 換能器A0模態檢測無缺陷和40 mm 長度脫粘缺陷信號結果如圖5所示，信號幅值從0.42 增大至0.938；使用800 kHz 換能器S0模態檢測無缺陷和40 mm 長度脫粘缺陷信號結果如圖6所示，信號幅值從0.27增大至0.96。

圖7為200 kHz A0模態、800 kHz A0和S0模態不同脫粘尺寸檢測信號，由結果可知使用200 kHz的A0模態其信號幅值變化量最大為0.73，800kHz 的A0模態幅值變化量為0.518，S0模態幅值變化量為0.69，因此使用200 kHz 的A0模態對于脫粘缺陷尺寸的變化更敏感，檢測靈敏度更高，使用800kHz的S0模態比A0模態檢測靈敏度稍高，使用該方法能夠對脫粘缺陷進行有效檢測和表征。從以上結果并對比蘭姆波結構，200 kHz 的A0模態其具有更大的離面位移分量，因此其泄漏至空氣中的蘭姆波能量更多，儀器激勵換能器的能量低，因此其信噪比相較于800 kHz蘭姆波較高。800 kHz 的S0模態檢測靈敏度稍大于A0模態，因此具有較高檢測靈敏度的蘭姆波模態離面位移分量較大，面內位移較小。

圖4 200 kHz A0模態檢測結果Fig.4 200 kHz A0 modal detection signal

圖5 800kHz A0模態檢測結果Fig.5 800 kHz A0 modal detection signal

圖6 800kHz S0模態檢測結果Fig.6 800kHz S0 modal detection signal

圖7 不同頻率和模態信號幅值與脫粘尺寸關系Fig.7 The relationship between the amplitude of different frequencies and modes and the size of the defects

2.2 概率損傷成像

使用漏蘭姆波檢測原理對脫粘尺寸進行定量分析，結合概率損傷成像方法對脫粘區域進行定位檢測。超聲常用的成像方法主要分為C 掃描、D 掃描、特征成像、蘭姆波掃查成像和概率損傷成像［28］。水浸C 掃描精度高但是掃描速度慢且需要將試樣放入水中，空氣耦合超聲C 掃描的掃描效率高但是由于超聲在空氣中衰減較大因此空氣耦合換能器頻率被限制在1 MHz 以下，這大大降低了檢測的精度，近年來為了實現復合材料沖擊損傷和分層損傷等缺陷精確定位，開發了檢測精度較高的橢圓概率損傷和雙曲線概率損傷等蘭姆波成像技術。該文［29］采用概率損傷成像技術，選取頻譜幅度差為損傷因子，對脫粘區域進行精確定位和成像。信號頻譜幅度差損傷因子能夠反映檢測信號絕對幅值的變化，從而能夠定量反映有無缺陷時檢測信號的幅值的變化，其計算公式可由式（5）計算［30］：

式中，D（t）為檢測信號，t1為檢測信號開始時刻，t2為檢測信號結束時刻，|為信號進行傅里葉變換后的復系數模，f為信號的采樣率。使用800 kHz頻率換能器分別激勵A0和S0模態蘭姆波，固定空氣耦合換能器間距，以1 mm 為步進對缺陷區域進行兩個正交方向上的信號采集，x和y方向兩組共200個信號，1 mm×1 mm 為成像精度，使用概率損傷成像算法對兩個方向的數據進行融合，具有40 mm 缺陷試樣成像結果如圖8所示。橫軸為x方向，縱軸為y方向，z軸為損傷值，由結果可知靈敏度高的S0模態其損傷值更高，其顏色區分度更高且缺陷形貌相比于A0模態更準確，使用這兩種模態均能對缺陷進行有效的定位。

圖8 概率損傷成像結果Fig.8 Probabilistic damage imaging results

3 結論

使用空氣耦合超聲漏蘭姆波檢測技術對鋼/橡膠這一金屬/非金屬粘結結構中的脫粘缺陷進行研究，對不同尺寸缺陷進行定量和定位研究，提高了粘結結構脫粘缺陷的檢測效率，主要結論如下：

（1）從理論上分析了200 和800 kHz 頻率的A0和S0模態蘭姆波波結構，泄露波接收信號幅值越大離面位移越大，激勵效率越高；

（2）使用二維傅里葉變換對粘結結構上側和下側泄露蘭姆波進行模態識別，識別結果和5 mm 鋼板理論頻散曲線完全對應；

（3）通過實驗結果和蘭姆波波結構進行對比，使用空氣耦合超聲檢測技術能夠對不同尺寸的脫粘缺陷進行有效表征和定量分析，靈敏度較高的模態離面位移占主導地位且分量較大，而面內位移分量較?。?/p>

（4）使用概率損傷成像算法對脫粘區域進行定位，驗證了空氣耦合超聲檢測技術對于該缺陷的快速定位能力，效果較好；使用靈敏度更高的模態進行成像其結果更清晰，損傷值更大。