CN100387982C - 用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法，它是通过基频信号发生系统(1)激励基频纵波换能器(或聚焦换能器)(2)产生纵声波在复合材料(4)中传播，到粘接层(3)时会产生接触声非线性，透过粘接层(3)的声波被二次谐频纵波换能器(5)接收后转换成电信号在数字示波器(6)上显示并通过FFT获得基频和二次谐频成分，由换能器(5)定标曲线转换成声振幅，粘接层中的裂缝宽度由正好有声波透射时的输入声振幅决定，输入声振幅由激光干涉仪测量或由换能器(2)定标曲线给定，把输入声振幅和裂缝宽度代入公式(1)或(3)，找到与测量值相等的一个所对应的γ，并由公式(2)求出粘接力T0。该方法灵敏度高、定量值可信，无需破坏粘接层。

Description

用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法

技术领域

本发明涉及一种声无损检测方法，具体说是涉及用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法。

背景技术

在航空、石油工业、军事等领域，经常会使用复合材料(由一种或几种材料粘接在一起，因此内部存在粘接界面)，而复合材料的质量的好坏受材料本身影响之外，更重要的是由复合材料层与层之间的粘接强度所决定。在使用这些材料前就要考虑粘接是否完好，以防使用了破损材料造成事故；而且这些材料使用了一段时间后，粘接层还会出现裂缝、空隙，这些缺陷的存在会对材料产生决定性的破坏作用。因此就有必要对粘接界面粘接力进行定量无损检测，以确定该复合材料的性能是否适合实际应用。研究工作者为了获得复合材料粘接力的定量信息，投入了大量的研究工作。一些人提出直接用力破坏复合材料粘接层来获得粘接力的大小[高学敏等编著，《粘接和粘接技术手册》，四川科学技术出版社，470-486]，这种方法虽然能获得粘接力的定量数值，但是材料受到损坏，因此这种方法无法在线检测不是理想的获得粘接力定量值的方法；也有人提出了一些超声方法应用于粘接层中粘接强度的测量和各类缺陷的探测[C.C.H.Guyott，P.Cawley and R.D.Adams，“Thenondestructive testing of adhesively bonded structure：a review，”J.Adhesion，20(1986)，129]，不过这些技术在进行粘接强度测量时主要采用的是线性声学量，这些量往往只是间接地与材料粘接强度相联系，还必须依赖于许多有待于进一步证实的关于声速、衰减等测量参数的经验关系。因此这些方法只能定性的对粘接强度进行估计，无法给出定量值，即使其中有些方法给出了定量值，也是从间接的经验关系推算出来的，测试结果难以令人信服。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法，它能对复合材料粘接层的粘接强度作出定量检测，为复合材料是否适合实际使用提供可靠的依据。该方法具有灵敏度高、测得的定量值可靠，对粘接力可进行无损定量检测，无需破坏粘接层。

技术方案

本发明提出了一种采用接触声非线性方法对具有粘接界面的复合材料进行粘接力的定量无损测量。对粘接在一起的固体材料(玻璃，金属、非金属等)外加声振动后，粘接在一起的两个面会发生碰撞，产生二次谐波，这就是接触声非线性。粘接强度的不同，两个面发生碰撞所产生的二次谐波的大小也会发生变化，这种变化与粘接力有直接的关系。在这种方法中，粘接力是导致产生接触声非线性的一个重要因素，两者之间存在着必然的、直接的联系。测得接触声非线性的大小与变化，就可获得粘接力的大小。而且实验发现，接触声非线性声学方法比线性方法具有更高的灵敏度、易于观察、成本低。

接触声非线性理论[John M.Richardson：Harmonic Generation at an Unbounded InterfaceI.Planar Interface Between Semi-Infinite Elastic Media，Int.J.Engng.Sci.，197917，pp73-85.]认为当粘接层粘接完好时，也就是说粘接力很大，远远大于声波的驱动力，声驱动力无法使粘接的两个面产生打开、闭合运动，即不会发生碰撞，透过粘接层的声波中就没有接触声非线性所产生的二次谐波；当粘接层粘接较差时，粘接力较小，并小于声波的驱动力时，粘接的两个面就会在声驱动力的作用下产生打开、闭合运动，即发生碰撞，从而产生接触声非线性，透过粘接层的声波中就有接触声非线性所产生的二次谐波成分。但是在实际应用的情况下粘接层中会出现裂缝，只有当声波振幅大于裂缝宽度，两个面接触到，声波才能透射过去，因此接触声非线性要由粘接力与声驱动力的比值以及裂缝宽度两方面引起，。

把实际情况下粘接层中出现裂缝引入接触声非线性理论中，我们建立了一个模型，见图1，T₀表示复合材料粘接层中的粘接力，粘接层中的裂缝宽度用d表示。f(x-vt)为入射基频声纵波，沿+x方向传播并与粘接层垂直，g(x+vt)和h(x-vt)分别为基频声纵波入射到粘接面上所产生的反射声纵波和透射声纵波。由于存在裂缝，只有当入射基频声振幅大于d时，h(x-vt)才产生，当刚刚有h(x-vt)时，入射基频声振幅与裂缝宽度相等，因此裂缝宽度可通过入射基频声振幅来测量。

理论模型中，入射基频采用

f(x-vt)＝-Acos[k(x-vt)]

其中k＝ω/v为波数，A为最大振幅，则入射声波产生的驱动力F(t)为：

F(t)＝2ρvωAsin(ωt)

其中ρ为复合材料密度，v为复合材料纵波速度，ω入射波角频率，正是由于这驱动力的存在，才使得粘接层进行打开、闭合运动，产生接触非线性。模型中一个周期T内的透射声纵波(假设初始状态T/2时，两个粘接面完全闭合，且处于最大振幅处)设定为：

$h(x-\mathrm{vt})=\left\{\begin{array}{cc}A& \frac{T}{2}<t\&le;t_1\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+d& t_1<t\&le;t_2\\ -A\cos \left({\mathrm{\&omega;t}}_2\right)-\mathrm{A\&gamma;\&omega;}(t-t_2)+d& t_2<t\&le;t_3\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+d& t_3<t\&le;T\\ -A+d& T<t\&le;t_4\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& t_4<t\&le;\frac{3T}{2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：

γ＝^T ₀/_ρvωA          (2)

t₁为粘接层恢复原始裂缝宽度d的时间，在 $\frac{T}{2}<t\&le;t_1$ 时间内，右粘接面静止在A处。t₂为驱动力大于粘接力，使得两个粘接面之间距离开始大于d的时间，因此在t₁＜t≤t₂时间内，两个粘接面同步运动，t₃为两个粘接面之间距离重新恢复到原始裂缝宽度d的时间，在t₂＜t≤t₃时间内，右粘接面在粘接力的作用下作直线运动，在t₃＜t≤T时间内，两个粘接面同步运动，t₄为两个粘接面完全闭合在一起的时间，在T＜t≤t₄时间内，右粘接面静止，在 $t_4<t\&le;\frac{3T}{2}$ 时间内，两个粘接面同步运动。如果t₃＞T，那么，一个周期T内的透射声纵波为：

$h(x-\mathrm{vt})=\left\{\begin{array}{cc}A& \frac{T}{2}<t\&le;t_1\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+d& t_1<t\&le;t_2\\ -A\cos \left({\mathrm{\&omega;t}}_2\right)-\mathrm{A\&gamma;\&omega;}(t-t_2)+d& t_2<t\&le;\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+d& t_3<t\&le;t_4\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& t_4<t\&le;\frac{3T}{2}\end{array}{t}_3\right.---\left(3\right)$

对h(x-vt)进行傅立叶变换即可求得它的基频振幅A₁和二次谐频声振幅A₂。在一定裂缝宽度和粘接力下透射波中二次谐频声振幅与基频声振幅平方之比(A₂/A₁ ²)随入射声振幅A的变化曲线示于图2，改变不同的参数值(如裂缝宽度d)可获不同的曲线。

从上面的描述可知，只要已知输入声振幅A与裂缝宽度d，并测出样品的透射波中二次谐频声振幅与基频声振幅，把A，d代入公式(1)或(3)，拟合出符合要求的γ值(所计算的二次谐频声振幅与基频声振幅平方之比的结果与测量结果相同)，则由此γ通过公式(2)计算出粘接力就是我们所需测量的粘接界面的粘接力。如果进一步改变输入A，对同一样品多测几次粘接力求平均，更为准确。需要指出的是，我们测量出来的是与换能器面积相当的粘接层的平均粘接力，因此，改用聚焦换能器测量粘接层上某个小范围的粘接力，便能扫描出整个面的粘接力分布情况。

该方法的实验测量框图见图3，其中4代表具有粘接界面的被测固体复合材料，3为复合材料中的粘接层，2表示基频换能器(或聚焦换能器)，用它激发一个声振动，5为二次谐频的接收换能器。1为基频信号发生系统，用它产生的信号去激励换能器2在被测样品中产生基频声振动波；6为数字示波器，用它从换能器5接收到的信号中提取二次谐波信号的大小。该方法的测试步骤如下：

(1)选择一块具有粘接界面的固体复合材料(4)作为测试样品，将被测固体复合材料(4)的上表面与基频纵波换能器或聚焦换能器(2)耦合，下表面与二次谐频纵波换能器(5)相耦合；

(2)由基频信号发生系统(1)产生一个基频信号，并用它去激励基频纵波换能器(2)在被测固体复合材料(4)中产生基频声振动波；

(3)测量裂缝宽度d：改变基频信号发生系统(1)产生的输出信号大小，使基频输入声振幅从小到大逐渐增加，用数字示波器(6)观察二次谐频纵波换能器(5)接收到的信号，当信号从无到有发生变化时，其转变点处的输入声振幅与裂缝宽度相等。当数字示波器(6)观察的信号始终存在，说明粘接层(3)中不存在裂缝，裂缝宽度为零。输入声振幅可由激光干涉仪测量或由基频纵波换能器或聚焦换能器(2)的定标曲线根据基频电信号激励电压来给定；

(4)基频声振动波在固体复合材料(4)中传播，透过粘接层(3)产生接触声非线性，用二次谐频纵波换能器(5)接收并转换成电信号，将该电信号输入数字示波器(6)，并进行FFT(快速傅立叶变换)，获得接收信号的基频和二次谐频成分，然后由二次谐频纵波换能器(5)的定标曲线把电信号形式的基频和二次谐频成分转换成声振幅形式，求出二次谐频声振幅与基频声振幅平方之比。同时由激光干涉仪测量或由基频纵波换能器或聚焦换能器(2)定标曲线根据基频电信号激励电压来给定此时的输入声振幅A；

(5)把步骤(4)测得的输入声振幅A和步骤(3)测得的裂缝宽度d代入由理论模型得到的透射波公式(1)或(3)，并用不同的γ代入计算，求出不同γ下透射波中基频和二次谐频声振幅，与步骤(4)的测量值比较，找到与测量值相等的一个所对应的γ，并由公式(2)求出粘接力T0，这就是要测量的粘接界面粘接力的定量值。

上述步骤(1)中所述的复合材料(4)包括玻璃、金属或非金属等具有粘接界面的固体复合材料；基频换能器(2)和二次谐频换能器(5)材料可用铌酸锂、石英或陶瓷制成，基频可选5兆赫或低于5兆赫，二次谐频纵波换能器(5)为宽带，可接收基频信号；基频信号发生器系统(1)可由信号发生器、功率放大器与滤波器组成。

有益效果

本发明与已有的粘接力测量方法相比较，具有以下优点：

(1)本发明接触声非线性方法采用的是非线性量，而非线性量对粘接层变化的敏感性要强于线性量，因此我们的方法比以前用线性声学方法具有更高的灵敏度，而且实验设备简单，易于实现。

(2)本发明接触声非线性方法采用的非线性量与粘接力有直接的联系，因此测得的粘接力的定量值是可信的。

(3)本发明用的接触声非线性方法可以对粘接力进行无损检测，无需破坏粘接层。

附图说明

图1理论模型图

图2理论计算结果图

在一定粘接力下透射声波中二次谐波振幅与基波振幅平方之比随输入声波振幅的变化(横坐标为输入声波振幅，单位米，纵坐标为二次谐波振幅与基波振幅平方之比，单位1/米)，其中输入声波振幅从5e-10米开始变化步长2e-12米，裂缝宽度9.98e-10米，γ＝1.5e-11/A。

图3实验测量框图

1.基频信号发生系统            2.基频纵波换能器

3.具有粘接界面的固体复合材料  4.粘接层

5.二次谐频纵波换能器          6.数字示波器

具体实施方式

实施例1

复合材料我们选用的是两块玻璃，用水杨酸苯脂把两个面粘接在一起形成，换能器用的是Z方向切割的铌酸锂纵波换能器，基频5兆赫，二次谐频10兆赫，分别用水杨酸苯脂粘贴在另两个面上。基频信号发生系统选用的是Agilent33250A信号发生器、ENI 525LA功率放大器和低通滤波器(L6s60)，它产生5兆赫正弦波调制脉冲信号加到基频纵波换能器上产生基频纵波，基频纵波在玻璃中通过粘接层传播到用于接收的二次谐频换能器，转换成电信号在LeCroy LT262数字示波器上显示出来，在数字示波器上对接收信号进行FFT，获得其中的基频和二次谐频成分。改变输入幅度，当输入为10mv时有声波透过，因此粘接层中存在与输入为10mv的声振动相当的裂缝，由激光干涉仪测量此时裂缝宽度为2埃。测得输入为50mv、100mv、200mv、300mv和420mv时透射声波中二次谐波振幅与基波振幅平方之比分别为1.521e7、6.63e6、3.6e6、2.31e6和1.85e6，输入声振幅由激光干涉仪测量分别为10埃、20埃、40埃、60埃和84埃。由公式(1)或(3)、(2)求得粘接界面粘接力的平均值为15.4kg。我们采用悬挂重物的有损方式拉断粘接层，共挂物19.2kg才拉断，考虑到只有拉力大于粘接力时界面才可能拉开，因此粘接力要小于19.2kg，与接触声非线性方法测得的结果比较接近。

实施例2

复合材料我们选用的是两块铝，用外加压力的方法把两个面粘接在一起形成，其实这外加压力相当于粘接力，外加压力6.8斤。换能器用的是Z方向切割的铌酸锂纵波换能器，基频5兆赫，二次谐频10兆赫，分别用水杨酸苯脂粘贴在另两个面上。基频信号发生系统选用的是Agilent 33250A信号发生器、ENI525LA功率放大器和低通滤波器(L6s60)，它产生5兆赫正弦波调制脉冲信号加到基频纵波换能器上产生基频纵波，基频纵波在铝中通过粘接层传播到用于接收的二次谐频换能器，转换成电信号在LeCroy LT262数字示波器上显示出来，在数字示波器上对接收信号进行FFT，获得其中的基频和二次谐频成分。测得输入为230mv、330mv、400mv和470mv时透射声波中二次谐波振幅与基波振幅平方之比分别为1.378e7、1.586e7、1.781e7和1.658e7，输入声振幅由激光干涉仪测量分别为41埃、59埃、72埃和84埃。由公式(1)或(3)、(2)求得粘接界面粘接力的平均值为4.8斤。与外加压力6.8斤也比较接近的。

Claims (4)

1.一种用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法，该方法的测试步骤如下：

(1)选择一块具有粘接界面的固体复合材料(4)作为测试样品，将被测固体复合材料(4)的上表面与基频纵波换能器或聚焦换能器(2)耦合，下表面与二次谐频纵波换能器(5)相耦合；

(2)由基频信号发生系统(1)产生一个基频信号，并用它去激励基频纵波换能器(2)在被测固体复合材料(4)中产生基频声振动波；

(3)测量裂缝宽度d：改变基频信号发生系统(1)产生的输出信号大小，使基频输入声振幅从小到大逐渐增加，用数字示波器(6)观察二次谐频纵波换能器(5)接收到的信号，当信号从无到有发生变化时，其转变点处的输入声振幅与裂缝宽度相等，当数字示波器(6)观察的信号始终存在，说明粘接层(3)中不存在裂缝，裂缝宽度为零，输入声振幅可用激光干涉仪测量或由基频纵波换能器或聚焦换能器(2)的定标曲线根据基频电信号激励电压来给定；

(4)基频声振动波在固体复合材料(4)中传播，透过粘接层(3)产生接触声非线性，用二次谐频纵波换能器(5)接收并转换成电信号，将该电信号输入数字示波器(6)，并进行快速傅立叶变换，获得接收信号的基频和二次谐频成分，然后由二次谐频纵波换能器(5)的定标曲线把电信号形式的基频和二次谐频成分转换成声振幅形式，求出二次谐频声振幅与基频声振幅平方之比，同时由激光干涉仪测量或由基频纵波换能器或聚焦换能器(2)定标曲线根据基频电信号激励电压来给定此时的输入声振幅A；

(5)把步骤(4)测得的输入声振幅A和步骤(3)测得的裂缝宽度d代入由理论模型得到的透射波公式(1)或(3)，并用不同的γ代入计算，求出不同γ下透射波中基频和二次谐频声振幅，与步骤(4)的测量值比较，找到与测量值相等的一个所对应的γ，并由公式(2)求出粘接力T0，这就是要测量的粘接界面粘接力的定量值；

所述公式(1)、(2)、(3)如下：

$h(x-\mathrm{vt})=\left\{\begin{array}{cc}A& \frac{T}{2}<t\&le;t_1\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+d& t_1<t\&le;t_2\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;}{t}_2\right)-\mathrm{A\&gamma;\&omega;}(t-t_2)+d& t_2<t\&le;t_3\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+d& t_3<t\&le;T\\ -A+d& T<t\&le;t_4\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& t_4<t\&le;\frac{3T}{2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

γ＝T₀/ρvωA           (2)

$h(x-\mathrm{vt})=\left\{\begin{array}{cc}A& \frac{T}{2}<t\&le;t_1\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+d& t_1<t\&le;t_2\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;}{t}_2\right)-\mathrm{A\&gamma;\&omega;}(t-t_2)+d& t_2<t\&le;t_3\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+d& t_3<t\&le;t_4\\ -A\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)& t_4<t\&le;\frac{3T}{2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，

h(x-vt)-右粘接面的位移，

x-粘接层所处的位置，这里取0，

t-时间，

v-复合材料纵波速度，

A-入射基频声波的最大振幅，

ω-入射波角频率，

d-粘接层中的裂缝宽度，

ρ-复合材料密度，

T₀-复合材料粘接层中的粘接力，

t₁-粘接层恢复原始裂缝宽度d的时间，

t₂-驱动力大于粘接力，使得两个粘接面之间距离开始大于d的时间，

t₃-两个粘接面之间距离重新恢复到原始裂缝宽度d的时间，

t₄-两个粘接面完全闭合在一起的时间，

T-入射声波的振动周期。

γ-复合材料粘接层中的粘接力与入射声波产生的最大驱动力的一半的比值。

2.根据权利要求1所述的用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法，其特征在于上述步骤(1)中所述的固体复合材料(4)包括玻璃、金属或非金属。

3.根据权利要求1所述的用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法，其特征在于上述步骤(1)中所述的基频纵波换能器(2)和二次谐频纵波换能器(5)可用铌酸锂、石英或陶瓷材料制成，基频可选5兆赫或低于5兆赫，二次谐频纵波换能器(5)为宽带，可接收基频信号。

4.根据权利要求1所述的用接触声非线性定量无损检测粘接界面粘接力的方法，其特征在于步骤(2)所述的基频信号发生系统由信号发生器、功率放大器与滤波器组成。

Images