周海強(qiáng)，劉天浩，裴翠祥

（1.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng)621999；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710049）

1 引言

金屬-含能材料粘接結(jié)構(gòu)在航天和國(guó)防等重要工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。粘接作為連接材料或結(jié)構(gòu)的常用工藝，擁有制作方便、連接應(yīng)力分散等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，由于粘接層間界面脫粘而引發(fā)的各種災(zāi)難事故時(shí)有發(fā)生，粘接結(jié)構(gòu)的安全與質(zhì)量問(wèn)題被人們廣泛關(guān)注。因此，粘接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)和評(píng)價(jià)是國(guó)際上一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域和課題［1-3］。多種無(wú)損檢測(cè)方法已被研究并應(yīng)用于粘接界面的檢測(cè)，如X 射線(xiàn)、CT 和超聲等。其中X 射線(xiàn)和CT 檢測(cè)可有效檢測(cè)出體積型缺陷，也可檢測(cè)出裂紋缺陷，具有空間分辨率高，結(jié)果直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，在含能材料研究及其部件制造中一直發(fā)揮重要的作用。但X 射線(xiàn)和CT 檢測(cè)方法對(duì)測(cè)量條件要求較高，需要線(xiàn)源和探測(cè)器分別位于被測(cè)部件的兩側(cè)，此外射線(xiàn)對(duì)人體還存在輻射風(fēng)險(xiǎn)。與之相比，超聲檢測(cè)雖然在空間分辨率和結(jié)果直觀(guān)性方面存在不足，但對(duì)于界面分層缺陷，超聲檢測(cè)具有更高的靈敏度，且擁有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、靈活方便、效率高、對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)［4-6］。然而，常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)主要采用接觸式壓電探頭，檢測(cè)時(shí)探頭與被測(cè)試件必須接觸且需要液體耦合劑，因此要求試件具有較好的表面狀態(tài)，保證檢測(cè)探頭與被測(cè)試件具有良好的聲學(xué)耦合，檢測(cè)時(shí)探頭與被測(cè)試件的接觸狀態(tài)對(duì)檢測(cè)結(jié)果有非常大的影響，不但嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，還會(huì)限制其檢測(cè)效率［5，7-8］。

電磁超聲作為一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，依靠電磁感應(yīng)直接在被測(cè)導(dǎo)體中激發(fā)和接收超聲波，具有非接觸、無(wú)需耦合、易實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)建快速自動(dòng)化檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)研究［9-10］表明，與傳統(tǒng)壓電超聲主要采用縱波檢測(cè)不同，電磁超聲可以非常容易地激發(fā)和接收對(duì)粘接界面狀態(tài)更加敏感的橫波。然而，與傳統(tǒng)壓電超聲相比，電磁超聲最大的缺點(diǎn)就是能量轉(zhuǎn)換率和信噪比較低。電磁超聲共振利用一定頻率的多周期正弦脈沖驅(qū)動(dòng)探頭在試件激發(fā)多周期超聲脈沖序列，多周期超聲脈沖序列在試件上下表面往復(fù)反射，當(dāng)相鄰回波信號(hào)相位差為周期的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生超聲共振，信號(hào)幅值急劇增大。到目前為止，電磁超聲共振技術(shù)在金屬材料厚度檢測(cè)和材料特性評(píng)價(jià)等方面的研究取得了很好的效果［10］。基于電磁超聲共振技術(shù)，開(kāi)發(fā)金屬環(huán)-含能材料粘接界面脫粘缺陷電磁超聲非接觸檢測(cè)方法，具有非常好的研究和應(yīng)用前景［11］。

本研究針對(duì)小型金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷的無(wú)損檢測(cè)難題，提出了基于電磁超聲共振的界面脫粘缺陷增強(qiáng)型電磁超聲非接觸檢測(cè)方法和技術(shù)，開(kāi)發(fā)了用于金屬環(huán)的專(zhuān)用小型電磁超聲傳感器和掃查裝置，進(jìn)行了金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷電磁超聲共振自動(dòng)掃查及成像實(shí)驗(yàn)，探究了所開(kāi)發(fā)檢測(cè)方法和技術(shù)對(duì)于金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷的檢測(cè)能力。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 電磁超聲共振檢測(cè)原理

電磁超聲共振法的原理如圖1 所示，采用一定頻率f多周期正弦脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁超聲探頭在試件表面激發(fā)持續(xù)一定時(shí)間的超聲脈沖序列p0（t），在試件上下表面間形成反復(fù)反射，各反射回波信號(hào)pi（t）發(fā)生部分重疊，當(dāng)超聲激勵(lì)頻率設(shè)定為如式（1）計(jì)算值時(shí)，即相鄰回波信號(hào)之間Δt=2h/c=nT=n/f，各回波信號(hào)發(fā)生同相位疊加，形成超聲共振信號(hào)［12-13］。

式中，f為超聲激勵(lì)頻率，Hz；n為共振頻率階次；c為材料中超聲波波速，m·s-1；h為被檢構(gòu)件厚度，m。電磁超聲共振法由于信號(hào)幅值及功率明顯較常規(guī)的短脈沖回波法強(qiáng)，因此具有非常高的信噪比。使用較小型的電磁超聲探頭也能獲得較好的檢測(cè)性能，可大幅度提高其空間分辨率。此外，還具有可用較低頻的信號(hào)檢測(cè)薄板結(jié)構(gòu)，激勵(lì)的超聲剪切波對(duì)粘接界面敏感等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 電磁超聲共振法基本原理圖Fig.1 Basic principle of the electromagnetic acoustic resonance（EMAR）method

基于電磁超聲共振法，本研究開(kāi)發(fā)了針對(duì)脫粘缺陷的檢測(cè)方法。如圖2 所示，電磁超聲的激勵(lì)頻率為粘接試件金屬層的超聲共振頻率，即滿(mǎn)足式（1）。當(dāng)電磁超聲探頭位于粘接完好區(qū)域上方時(shí)，電磁超聲探頭激發(fā)的超聲波大部分透過(guò)粘接界面?zhèn)髦聊z層和下層基底材料內(nèi)部，僅有少部分超聲波能量在金屬層底面反射，因此無(wú)法形成很強(qiáng)的超聲共振效應(yīng)；而當(dāng)超聲探頭位于脫粘區(qū)域時(shí)，電磁超聲激發(fā)的超聲波在金屬層下表面發(fā)生全反射（金屬層下表面滿(mǎn)足自由邊界條件），從而在金屬層上下表面形成很強(qiáng)的往復(fù)反射和超聲共振效應(yīng)。因此根據(jù)檢測(cè)信號(hào)幅值和信號(hào)包絡(luò)能量大小可區(qū)分粘接完好區(qū)域與脫粘區(qū)域。

圖2 界面脫粘缺陷電磁超聲共振檢測(cè)方法Fig.2 Adhesive debonding inspection with EMAR method

2.2 信號(hào)分析方法

與傳統(tǒng)的脈沖回波信號(hào)不同，共振信號(hào)是一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的連續(xù)周期信號(hào)。因此，采用基于共振超聲信號(hào)功率譜分析的信號(hào)處理方法，進(jìn)一步提高電磁超聲的信噪比和脫粘缺陷檢測(cè)能力。如式（2）所示，首先對(duì)超聲共振信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)分析：

式中，R（m）是超聲共振信號(hào)s（n）的自相關(guān)函數(shù)，n是信號(hào)的采樣點(diǎn)。使用自相關(guān)分析，隨機(jī)噪聲的干擾可以被顯著抑制，因?yàn)殡S機(jī)噪聲的自相關(guān)函數(shù)除了在m=0 外，在各處均為0。然后，電磁超聲共振信號(hào)的功率譜密度（PSD）函數(shù)可以被定義為等式（3）。PSD 函數(shù)表示超聲波功率隨頻率變化的強(qiáng)度。與離散傅里葉變換（DFT）不同，離散傅里葉變換（DFT）顯示信號(hào)的頻譜含量（信號(hào)中諧波的幅度和相位），PSD 描述信號(hào)的功率在頻率上分布。

式中，P（f）為超聲共振信號(hào)的功率譜密度，f為頻率分量，Hz；W（m）為窗函數(shù)，Δt為采樣間隔，s。

2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及試件

電磁超聲自動(dòng)掃查檢測(cè)系統(tǒng)如圖3 所示，主要由檢測(cè)單元和掃查單元兩部分構(gòu)成。檢測(cè)單元主要由RITEC RAM-5000 SNAP 電磁超聲檢測(cè)設(shè)備、專(zhuān)用小型EMAT 電磁超聲探頭、Tektronix DPO4104 數(shù)字示波器、帶通濾波器，阻抗匹配器和控制計(jì)算機(jī)組成。為實(shí)現(xiàn)小型金屬環(huán)-含能材料粘接試件的檢測(cè)，專(zhuān)用小型電磁超聲探頭線(xiàn)圈直徑僅為5 mm，與電磁超聲檢測(cè)設(shè)備連接，用于超聲波信號(hào)的激發(fā)和接收。數(shù)字示波器與電磁超聲檢測(cè)設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的采集，為提高信號(hào)的信噪比，示波器采用16 次平均模式進(jìn)行信號(hào)采集和顯示。掃查單元由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)掃查臺(tái)組，運(yùn)動(dòng)控制器和控制計(jì)算機(jī)組成。掃查單元中，采用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)夾持被檢試件旋轉(zhuǎn)，電磁超聲探頭固定在掃查臺(tái)支架上進(jìn)行對(duì)被檢試件的周向掃查。電磁超聲探頭與試件的提離距離約為0.5 mm，電磁超聲探頭端部設(shè)有弧形槽，使探頭沿金屬環(huán)周向運(yùn)動(dòng)，防止發(fā)生偏心。

人工模擬脫粘缺陷試件如圖4 所示，由低碳鋼金屬環(huán)（圖4 中剖面線(xiàn)部分）和高聚物粘接炸藥（polymer bonded explosive，PBX）模擬材料圓柱通過(guò)環(huán)氧膠粘接而成。為模擬不同大小和不同形狀的脫粘缺陷，PBX 模擬材料圓柱上設(shè)計(jì)長(zhǎng)度10 mm，寬度W分別為1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mm 的矩形通槽和直徑Φ分別為1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mm 的圓形通孔，相鄰兩槽或兩圓孔間隔60°。

圖3 金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷電磁超聲自動(dòng)掃查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Experiment system of automatic electromagnetic acoustic testing for debonding inspection in the adhesive layer between metal ring and energy-containing material

圖4 金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷模擬試件Fig.4 Simulated specimens of interfacial debonding defects between metal rings and energetic materials

3 結(jié)果與討論

3.1 脫粘缺陷電磁超聲共振信號(hào)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，選擇模擬試驗(yàn)件第3 階超聲共振頻率2.8 MHz 為激勵(lì)頻率，脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間10 μs，開(kāi)展脫粘缺陷電磁超聲共振檢測(cè)工作。圖5 分別為在矩形脫粘缺陷試件中粘接完好區(qū)域和寬度W=1.5，2.0，3.0 mm 脫粘缺陷上方的電磁超聲共振信號(hào)；圖6 分別為在圓形脫粘缺陷試件中粘接完好區(qū)域和直徑Φ=1.5，3.0，3.5 mm 脫粘缺陷上方的電磁超聲共振信號(hào)。由圖5 和圖6 可以看出，當(dāng)電磁超聲探頭位于粘接完好區(qū)域上方時(shí)，檢測(cè)信號(hào)幅值較小。當(dāng)電磁超聲探頭位于脫粘區(qū)域上方時(shí)，檢測(cè)信號(hào)幅值明顯增大，出現(xiàn)更明顯的超聲共振現(xiàn)象，且隨著脫粘缺陷的增大而增大。因此，可以看出該檢測(cè)方法對(duì)于金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷具有很好的檢測(cè)效果，可以檢測(cè)出脫粘缺陷的存在，并一定程度上評(píng)價(jià)其大小。

3.2 脫粘缺陷電磁超聲共振B 掃成像

圖5 矩形脫粘試件不同位置對(duì)應(yīng)的電磁超聲共振信號(hào)Fig.5 Measured electromagnetic acoustic resonance signals for specimen with rectangular debonding defects of different position

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該檢測(cè)方法對(duì)于金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷的檢測(cè)能力，采用所開(kāi)發(fā)的電磁超聲自動(dòng)掃查和成像系統(tǒng)對(duì)模擬試件進(jìn)行環(huán)形掃查和超聲B 掃成像。圖7 分別為矩形和圓形脫粘缺陷試件電磁超聲共振B 掃圖像。從圖7a 中可以明顯觀(guān)察到①～⑤五個(gè)位置處信號(hào)幅值（像素顏色）明顯較強(qiáng)，分別為W=3.5，3.0，2.5，2.0 mm 和1.5 mm 脫粘缺陷B 掃成像。從圖7b 中可以明顯觀(guān)察到①②③三個(gè)位置處信號(hào)幅值明顯較強(qiáng)，分別為Φ=3.5，3 mm 和2.5 mm 脫粘缺陷B 掃成像。而Φ=2.0 mm 和Φ=1.5 mm 兩較小脫粘缺陷卻無(wú)法看到，是因?yàn)槊撜橙毕菝娣e太小，已超出探頭的檢測(cè)靈敏度。

3.3 脫粘缺陷電磁超聲共振功率譜成像

從兩電磁超聲B 掃圖可以看出，圖中7 部分超聲背景信號(hào)分布并不均勻，這給缺陷的識(shí)別造成一定的困難。為克服這一問(wèn)題，根據(jù)圖5 和圖6 可以看出當(dāng)脫粘缺陷存在時(shí)，電磁超聲共振信號(hào)衰減變小，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因此可選擇時(shí)間靠后的信號(hào)進(jìn)行分析。為更好對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別，提高缺陷信號(hào)的成像質(zhì)量，降低因金屬環(huán)本身材質(zhì)導(dǎo)致的超聲共振信號(hào)變化的影響，截取圖7 中黃色虛線(xiàn)框內(nèi)時(shí)間段的時(shí)域信號(hào)，通過(guò)功率譜（PSD）變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)為頻域信號(hào)，生成的頻域B 型顯示圖如圖8 所示。圖8a 中可很清楚地觀(guān)察到五個(gè)脫粘區(qū)域在共振激勵(lì)頻率出現(xiàn)功率譜峰值區(qū)域，圖8b 中可很清楚地觀(guān)察到三個(gè)脫粘區(qū)域在共振激勵(lì)頻率出現(xiàn)功率譜峰值區(qū)域，而其他背景區(qū)域均無(wú)明顯的噪聲存在。由圖8 可見(jiàn)，通過(guò)進(jìn)行功率譜分析處理后，有效抑制背景信號(hào)和其他噪聲的影響，缺陷成像質(zhì)量大幅度提高，具有更高的缺陷可識(shí)別性。

圖6 圓形脫粘試件不同位置對(duì)應(yīng)的電磁超聲共振信號(hào)Fig.6 Measured electromagnetic acoustic resonance signals for specimen with circular debonding defects of different position

圖7 金屬環(huán)-含能材料試件環(huán)形掃查電磁超聲共振時(shí)域信號(hào)B掃圖Fig.7 B-scan images of electromagnetic acoustic resonance time-history signal with rotating scanning of the metal ring /energy-containing material specimen

圖8 金屬環(huán)-含能材料試件環(huán)形掃查電磁超聲共振功率譜密度B掃圖Fig. 8 B-scan images of electromagnetic acoustic resonance PSD with rotating scanning of the metal ring / energy-containing material specimen

4 電磁超聲共振脫粘缺陷檢測(cè)能力分析

圖9 為提取圖8 中提取功率譜峰值得到其分布曲線(xiàn)。從圖9 可以看出，隨著缺陷尺寸的減小，功率譜峰值總體分布上也存在下降趨勢(shì)，但存在較大的誤差，如圖9 中①號(hào)缺陷位置對(duì)應(yīng)功率譜密度峰值應(yīng)大于②號(hào)缺陷位置功率峰幅值，③號(hào)缺陷位置功率譜密度峰值應(yīng)該大于④號(hào)缺陷位置功率譜幅值，但受到金屬環(huán)材質(zhì)（磁化系數(shù)）不均的影響，實(shí)際測(cè)量結(jié)果卻與之相反，這給缺陷尺寸定量帶來(lái)一定困難。

圖9 環(huán)形掃查電磁超聲共振信號(hào)PSD 峰值分布曲線(xiàn)Fig.9 PSD peak distribution curve of electromagnetic acoustic resonance signal by circular scanning

通過(guò)上述結(jié)果可以看出，由于金屬環(huán)-含能材料試件中脫粘缺陷的尺寸遠(yuǎn)小于檢測(cè)所采用探頭的尺寸，超出了探頭的分辨極限，因此很難從B 掃圖中準(zhǔn)確獲得缺陷的尺寸和形狀信息。為進(jìn)一步說(shuō)明該方法對(duì)于缺陷的分辨能力，在此借用前期針對(duì)平板粘接試件的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。圖10 為一金屬-有機(jī)玻璃平板粘接試件電磁超聲共振C 掃檢測(cè)結(jié)果［11］，從中可以看出對(duì)于直徑2 mm 和3 mm 的圓形脫粘缺陷，其所對(duì)應(yīng)缺陷成像尺寸與實(shí)際尺寸相差較大，而接近探頭的尺寸（直徑5 mm）或更大尺寸的缺陷，其成像結(jié)果則與實(shí)際尺寸相近，且能分辨缺陷的形狀。因此該方法對(duì)于缺陷的分辨能力主要受所采用檢測(cè)探頭的尺寸限制，要提高對(duì)小缺陷的形狀和尺寸的分辨能力，需要進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)更小尺寸的電磁超聲探頭，或者開(kāi)發(fā)聚焦型探頭。

圖10 金屬-有機(jī)玻璃平板粘接試件電磁超聲共振C 掃檢測(cè)結(jié)果Fig.10 C-scan image of PSD peak of electromagnetic acoustic resonance signal in metal-plexiglass bonding specimen

5 結(jié)論

（1）基于電磁超聲共振的金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷檢測(cè)方法，開(kāi)發(fā)了用于金屬環(huán)-含能材料粘接試件界面脫粘缺陷檢測(cè)專(zhuān)用的小型電磁超聲探頭，搭建了電磁超聲自動(dòng)掃查和成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷模擬試件的自動(dòng)掃描和超聲B 掃成像，開(kāi)發(fā)了基于功率譜分析的電磁超聲共振信號(hào)處理方法。

（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明電磁超聲共振檢測(cè)方法對(duì)于金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷具有很好的檢測(cè)靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)寬度1.5 mm 以上的矩形脫粘缺陷和直徑2.5 mm 以上的圓形脫粘缺陷檢測(cè)和B 掃成像。

（3）鐵磁性金屬環(huán)由于加工等因素造成的材質(zhì)不均對(duì)電磁超聲信號(hào)的穩(wěn)定性有較大的影響，通過(guò)采用基于功率譜分析的電磁超聲共振信號(hào)處理方法能夠有效抑制這一影響，處理后的圖像能大幅度提高了對(duì)缺陷的識(shí)別能力和缺陷的成像質(zhì)量。但由于金屬環(huán)材質(zhì)不均造成的電磁超聲信號(hào)不穩(wěn)定和電磁超聲傳感器相對(duì)于缺陷尺寸仍然比較大等因素的存在，缺陷的精確定量評(píng)價(jià)還存在一定的難度，需要后續(xù)進(jìn)一步對(duì)探頭和信號(hào)處理方法進(jìn)行優(yōu)化。