粘接质量检测——谐振法（一）

        利用谐振法测试粘接结构时，用宽频或扫频信号激发声波，探头从一侧靠近试样即可。该方法基于材料有效厚度等于半波长的整数倍时形成驻波的原理进行检测。试验材料的有效厚度与共振频率成反比。

        通过测量压电晶体换能器的负载效应能够反映频率响应，这一效应可用传播线理论进行分析。谐振测试法检测未粘接是建立在粘接区与未粘接区的特性差异基础上的。一个未粘接好的材料将比粘接结构的响应频率有更高的共振频率。被检测材料作为终端或负载，会对换能器的电阻和谐振频率造成影响。可以将粘接质量好的区域的检测数据用作参考，来探测粘接不良的区域或位置。

1.多层结构中脱粘区深度的定位

        在工业生产中时常需要在多层结构中查找脱粘区的深度。如图10-16所示，如果材料结构满足在其相对的两个面上放置探头，实施透射法检测，那么很容易探测到脱粘区的存在。但是确定脱粘区的深度就不那么容易了。通常由于构件第一层中会产生多重回波，因而采用脉冲回波技术难以达到目的。对于某些类型的结构，可以利用谐振检测技术确定脱粘区深度。

图10-16  含有脱粘缺陷的缺陷的典型多层结构截面图(层厚X=0.25mm,Y=0.10mm；亮灰区代表树脂，暗灰区代表钢）

        假定图10-16中在构件某一未知深度存在脱粘区，基本的想法是设法使检测表面和脱粘区之间形成谐振。或者说将声波导入多层粘接构件中，形成连续波或准连续波，且恰好在脱粘区的上面入射到多层介质，超声波在每一层交界处会出现幅度和相位的变化，直到它到达脱粘区为止。脱粘区在声频下相当于一个类似镜面反射器，则声波的“反射”波沿着同一路径返回，最后离开前表面。倘若条件有利，就会在特定的频率下建立起谐振状态，它正好是脱粘区前面的这组叠层的特征。如果这一谐振频率对这组叠层是单值的，就不难确定脱粘部位的深度了。因此有式中，为第n层的声阻抗； 为在第n层内的波长; 为第n层的厚度； 为入射到多层结构上的声波的输入阻抗。

        多层粘接结构可以作为单层结构进行计算，只不过现在要以入射波的频率作为横坐标。为简便起见，在图10-17中只以对数坐标画出了限定频率范围内的幅度。该曲线并没有把各层的衰减考虑进去。实际情况是，激励较高阶谐振的可能性极小，只有650kHz~1.08MHz这种较低阶谐振频率才有意义。

图10-17  在图10-16的多层介质中，脱粘对谐振的影响

        举例来说，如在第二层下面存在脱粘区，谐振频率下声信号的频谱将像图10-17中虚线所示的曲线那样发生根本变化。此时，相当于上面两层合成为一个单层，谐振出现在2.5MHz附近。现在的问题是如何激励和检测这些诸振，那些在简单的厚度检测中采用的以换能器通过薄液层与试件耦合的方法，通常不能满足复杂结构检测的需要。这里有两个原因：首先，它难于在检测过程中维持稳定的耦合，而液层本身实际上使被测件增加了一个额外的层 ；其次，至少在商品仪器中，在激励复合谐振所要求的放大倍数下，仪器本身经常会收到与所检测结构无关的许多信息，这些信息可能是由仪器的电子线路内的谐振引起的，也可能是由换能器中径向的或其他不需要的模式的激励引起的。

        好在可以用另外一种换能器以不必与被测件接触的方法进行检测。这里检查的是被测件所反射的声波的相位，实际上是探测复数输入阻抗的虚部。

        再次参看式(10-7)，且仍用电传输线理论类比，就能定量地确定“反射系数”R:

        式中，为整个叠层系统的输入阻抗； 是第一层半无限介质的声阻抗，通常是复数。

        以声波入射到单层板为例(设采用喷水探头检测时)，如图10-18所示，可以将反射波的相位作为层板厚度-波长比的函数并画出曲线。可以看到，在基频半波谐振频率下，反射波经历了明显的反相。由图10-19发现，同样的反相现象也存在于图10-16所示的较复杂结构的合成谐振中。因而，检查从多层介质反射的声波相位的确是发现任何谐振频率的适宜方法。

图10-18 采用喷水探头检测时，厚度为d的钢板底面回波的相位    

图10-19 由于脱粘，多层介质反射回波出现的反相现象

        近来，基于反射波相位检测的原理，研制了一种专为查找多层结构中脱粘区深度的装置，如图10-20所示。由斜波电压发生器驱动电压-频率转换器，产生线性扫频波型，此波型随后加到探头组件上部的换能器()上，然后将这一扫频频率调至能覆盖换能器响应频率的范围内。第二个换能器()接收两个波型：一个是直接从发射换能器来的波型；另一个是通过薄的液体耦合层，从与试件接触的声延迟端反射过来的一部分传输波。实际上，包含任何脱粘信息的反射波都会对原来的扫频波实施调制，这一调制由两个在时间上彼此相对延迟的扫频波线性叠加而成，在原来的波形上表现为幅度的波动。这个波动发生在由声延迟线的传输时间和扫频速率决定的某一固定频率处。然后，经滤波获得这一“差动”频率，再经放大送入锁相回路。上述装置的输出为直流电压信号，该信号的幅值与波形和回路中振荡器之间的相位差成正比。

图10-20  在多层介质中探测脱粘区深度的装置

在被测件中假若脱粘区恰好处于声延迟线的下面，而扫频范围又包含谐振领率，反射波便会出现反相，这必然对扫描波的相位造成影响。那么，锁相回路的输出电平也应随之而发生变化。鉴于反射波相位与谐振频率相关，因而可以同时用示波器予以监测，当然，这时示波器应显示以频率为横坐标的幅-频特性。