CN102323334A - 一种基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声导波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声导波检测方法，其特征在于根据接收到的超声导波的能量因子大小判断发射换能器与接收换能器连线之间的区域是否存在脱粘缺陷；同现有技术相比的优越性在于：检测速度快、效率高，能够实现某些换能器不可达部位的检测，检测区域覆盖范围广，相对于传统脉冲回波法，所述方法的目标特征值变化更加灵敏，更易发现脱粘缺陷。

Description

一种基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声导波检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种用于粘接结构脱粘缺陷检测的超声导波方法，尤其涉及一种基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声导波检测方法。

背景技术

粘接结构是一种常见的结构形式，具有质量轻、强度高、成本低等优点，广泛应用于人们的生产生活。粘接质量的好坏直接影响着粘接结构的使用性能与可靠性，而脱粘是粘接结构中危害最大的一类缺陷，它会显著降低结构强度、引起结构失效，甚至导致灾难性后果。因此在粘接结构的生产和使用过程中脱粘缺陷检测倍受关注。

在本发明以前的现有技术中，粘接结构最常用的检测方法是传统超声检测，包括超声穿透法和脉冲回波法。穿透法是用两个超声波换能器，分别置于被检测构件的两侧，其中一个换能器发射超声波，穿透构件后被另一个换能器接收，根据接收到的超声波幅值变化判断是否存在脱粘缺陷。穿透法要求换能器分别置于结构两侧，因此对于某些只能一侧放置换能器的结构，如封闭结构，穿透法就不适用了。脉冲回波法只使用一个换能器，兼作发射和接收，换能器发射超声波从被检测构件一侧进入构件内部，超声波在内部传播遇到脱粘缺陷会产生界面反射，根据接收到的反射波幅值判断是否存在脱粘。无论是超声穿透法还是脉冲回波法，在检测过程中都是“逐点”检测，即一个检测信号对应一个点，因此对于大面积粘接结构而言，检测效率比较低。此外，超声穿透法和脉冲回波法均要求换能器必需接触或接近被测区域，若被测区域有其它障碍物阻挡，则无法进行检测。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于提供一种基于能量因子的方便而高效的超声导波检测方法，可以实现大面积粘接结构中脱粘缺陷的快速无损检测。

为实现上述目的，本发明基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声导波检测方法的基本构思是，根据接收到的超声导波的能量因子大小判断发射换能器与接收换能器连线之间的区域是否存在脱粘缺陷；上层介质中的超声导波传播一定距离后被接收换能器接收，对接收到的超声导波信号，所述的能量因子定义如下：

$E_t=\frac{1}{T}{\∫}_T{U}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，U(t)为接收到的随时间变化的超声导波信号，T为时间积分区间，它涵盖了超声导波信号的持续时间。

所述的发射换能器的所需的入射角度由以下公式计算得出：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{C_L}{C_P}$

其中，α为入射角度，C_P为上层介质中超声导波的相速度，C_L为换能器中超声波纵波速度。上层介质中超声导波的相速度与超声导波的模式有关，应尽量选择在粘接界面处质点具有较大振动幅值的超声导波模式。

本发明进一步提供一种基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声导波检测方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：使用两个超声换能器，一个用于发射超声导波，另一个用于接收超声导波，两个换能器置于被粘接结构的同一侧表面上；

步骤2：保持发射换能器与接收换能器之间的距离不变，同时移动两个换能器并覆盖整个检测区域，以实现对整个粘接结构的脱粘检测；

步骤3：发射换能器以一定的入射角发射脉冲超声导波在粘接结构的上层介质中激励出适当模式的超声导波；

步骤4：根据超声导波能量因子定义，在换能器之间距离以及检测仪器参数不变的情况下，能量因子的大小表示了超声导波能量的相对大小；因而可以通过能量因子的大小来判断发射换能器与接收换能器连线之间的区域是否存在脱粘缺陷以及脱粘缺陷的相对大小；

步骤5：当上层介质与下层介质粘接良好时，上层介质中的超声导波传播过程中其能量会通过粘接界面泄漏到下层介质中，接收到的超声导波能量最小；当上层介质与下层介质之间存在脱粘缺陷时，上层介质中的超声导波能量不会泄漏到下层介质中去，存在脱粘缺陷时，接收到的超声导波能量相对要大，并且脱粘面积越大，能量越大。

本发明进一步一种基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声超声导波检测方法，其特征在于：选择在粘接界面处质点具有较大振动幅值的超声导波作为检测值。

本发明同现有技术相比的优越性在于：

(1)检测速度快、效率高。上述方法将两个换能器布置在粘接结构的同一侧，一次检测即可获得两个换能器连线之间区域的脱粘信息，属于“逐线”检测。相对于传统声学检测方法的“逐点”检测，本方法显然具有更高的检测效率，特别适用于大面积粘接结构的快速检测。

(2)能够实现某些换能器不可达部位的检测，检测区域覆盖范围广。例如，当粘接结构表面上方存在其它障碍部件，阻碍换能器的放置时，传统的声学检测方法就无法检测障碍部件下方的区域，而采用本发明所述方法，将换能器布置在障碍部件两侧，可实现对障碍部件下方换能器不可达部位的检测。

(3)相对于传统脉冲回波法，本发明所述方法的目标特征值变化更加灵敏，更易发现脱粘缺陷。即，本发明所述方法的目标特征值为接收信号的超声导波能量因子，传统脉冲回波法的目标特征值为粘接界面反射回波的幅值，对于同一脱粘缺陷，超声导波能量因子的变化要比界面回波幅值的变化要大。

附图说明

图1为检测方法示意图

图2为本发明检测方法检测时换能器平移示意图

图3为本发明检测方法在有障碍部件时换能器布置示意图

图4a为在粘接良好区域接收换能器接收到的超声导波信号

图4b为在检测粘接良好区域时换能器位置示意图

图5a为在脱粘区域接收换能器接收到的超声导波信号

图5b为在检测脱粘区域时换能器位置示意图

其中：1发射换能器2  接收换能器  3上层介质  4下层介质  5粘接界面6上层介质中的超声导波  7障碍部件  8脱粘缺陷

具体实施方式

现结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明：

实施例1：

如图1所示，本实施例中被测试样为玻璃纤维复合材料板与橡胶的粘接结构，大小为200mm×200mm，上层介质为复合材料板，厚度为5mm，下层介质为橡胶，厚度为3mm，在结构的中间区域复合材料与橡胶之间人工预制了直径为30mm的圆形脱粘缺陷。

步骤1：将发射与接收两个可变角的超声换能器置于复合材料板上，换能器中心频率为0.5MHz；选择复合材料板中的超声导波为S0模式，查阅复合材料板频散曲线，得到此模式下超声导波速度约为4800m/s；超声波在换能器内纵波速度约为2700m/s；根据入射角度公式计算可得换能器所需的入射角度约为34°；

步骤2：保持两个换能器之间的距离为60mm不变，并在复合材料板上平移扫查；

步骤3、4、5、6、7：当换能器在粘接良好区域内平移时，接收换能器接收到的典型的超声导波信号如图2所示，按照所定义的能量因子表达式，计算得到此时能量因子为2.25。步骤当换能器移动到结构中部有脱粘缺陷的区域时，接收换能器接收到的典型的超声导波信号如图3所示，计算得到此时的能量因子为3.36。由此可见，能量因子的变化可以指示出脱粘缺陷的存在。

实施例2：

将上述样品进行对比检测：

采用脉冲回波检测法对该试样进行检测，粘接良好区的界面回波幅值为0.79，脱粘区的界面回波幅值为1.1，脱粘区目标特征值(即回波幅值)相对于粘接良好区变化为39.2％。而采用本发明所述方法，脱粘区超声导波能量因子相对于粘接良好区的变化为49.3％。可见，采用本发明所述方法比脉冲回波法目标特征值变化更为灵敏，更易发现脱粘缺陷。

Claims (3)

1.一种基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声导波检测方法，其特征在于：根据接收到的超声导波的能量因子大小判断发射换能器与接收换能器连线之间的区域是否存在脱粘缺陷；所述的能量因子定义如下：

$E_t=\frac{1}{T}{\∫}_T{U}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，U(t)为接收到的随时间变化的超声导波信号，T为时间积分区间，它涵盖了超声导波信号的持续时间；所述的发射换能器所需的入射角度由以下公式计算得出：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{C_L}{C_P}$

其中，α为入射角度，C_P为上层介质中超声导波的相速度，C_L为换能器中超声波纵波速度。

2.根据权利要求1所述的基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声导波检测方法，其特征在于：具体包括：

步骤1：使用两个超声换能器，一个用于发射超声导波，另一个用于接收超声导波，两个换能器置于被粘接结构的同一侧表面上；

步骤2：保持发射换能器与接收换能器之间的距离不变，同时移动两个换能器并覆盖整个检测区域，以实现对整个粘接结构的脱粘检测；

步骤3：发射换能器以一定的入射角发射脉冲超声波在粘接结构的上层介质中激励出适当模式的超声导波；

步骤4：根据超声导波能量因子的定义，在换能器之间距离以及检测仪器参数不变的情况下；通过能量因子的大小来判断发射换能器与接收换能器连线之间的区域是否存在脱粘缺陷以及脱粘缺陷的相对大小；

步骤5：当上层介质与下层介质粘接良好时，接收到的超声导波能量最小；当上层介质与下层介质之间存在脱粘缺陷时，接收到的超声导波能量相对要大，并且脱粘面积越大，能量越大。

3.根据权利要求1～2任一所述的基于能量因子的粘接结构脱粘缺陷超声超声导波检测方法，其特征在于：选择在粘接界面处质点具有较大振动幅值的超声导波作为检测值。

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