声振检测方法的发展

综　　述２０１１年第３３卷第２期　声振检测方法的发展邬冠华１，林俊明２，任吉林１，周昌智２（１．南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌　３３００６３；２．北京中研国辰测控技术有限公司，北京　１００１９１）摘　要：依据激励方式的不同，分别从敲击检测和声阻检测方法两个方面对声振检测方法进行了介绍。敲击检测方法主要分整体振动检测法（或车轮敲击法）和局部振动检测法（或硬币敲击法），声阻检测法主要分机械阻抗法和局部共振检测法。声振检测方法尽管很早以前就已经出现了，但至今主要还停留在经验性的应用层面。对各种声振检测方法的基本原理及其发展作简要论述，希望起到抛砖引玉的作用，吸引业界关注该方法发展和应用的同仁共同来推进它的技术进步。关键词：声振检测；敲击检测；机械振动检测；声阻法；谐振法　　中图分类号：ＴＧ１１５．２８　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１０００６６５６（２０１１）０２００３５０７犈狏狅犾狌狋犻狅狀狅犳狋犺犲犃犮狅狌狊狋犻犮犐犿狆犪犮狋犜犲狊狋犻狀犵犕犲狋犺狅犱犠犝犌狌犪狀犎狌犪１，犔犐犖犑狌狀犕犻狀犵２，犚犈犖犑犻犔犻狀１，犣犎犗犝犆犺犪狀犵犣犺犻２（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮＤＴ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＮａｎｃｈａｎｇＨａｎｇｋｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００６３，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＥｃｈｏＳｐｅｃｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＮＤＴＣｏＬｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｗｉｔｈｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ：ｔｈｅｔａｐｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｔａｐｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｗｈｏｌｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇ（ｗｈｅｅｌｔａｐｔｅｓｔ）ｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｌｏｃａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ（ｃｏｉｎｔａｐｔｅｓｔ），ａｎｄｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅｍｅｔｈｏｄｈａｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｌｏｃａｌｒｅｓｏｎａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｏｕｇｈｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｈａｓａｌｏｎｇｈｉｓｔｏｒｙｉｎｔｅｓｔｉｎｇａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ，ｍｏｓｔｃｏｎｃｅｒｎｓｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄａｒｅｏｎｌｙｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｉｎｉｔｓｅｘｐｅｒｉｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｈｅｒｅ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐａｌｓａｎｄｔｈｅｉｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｂｒａｎｃｈｅｓｏｆｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｒｅｃｏｖｅｒｅｄ，ｗｉｔｈｔｈｅｍａｉｎｐｕｒｐｏｓｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｉｓｏｌｄｂｕｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｔｈｅｐｅｏｐｌｅｗｈｏｃｏｎｃｅｒｎｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：Ａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｉｎｇ；Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇ；Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇ；Ａｃｏｕｓｔｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ；Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ　　声振检测方法是一种通过激励被检试件，使其产生机械振动（声波），并从机械振动的测定结果中判定被检测对象质量的方法。它的特点是简便、快速、低廉。敲击检测方法就是其中最简单常用的一种。依靠构件振动特性实施无损检测技术，按照测量方法大致可分为四类［１－２］：利用整体模态检测原理实施单点激励，单点测量结构的整体响应；利用局收稿日期：２０１００２０８基金项目：无损检测技术教育部重点实验室开放基金资助项目（ＺＤ２００９２９０１０）作者简介：邬冠华（１９６３－），男，教授。部阻抗检测原理，对欲检测部分逐点激励，测量激励点的局部响应；利用振动模态检测原理，多点激振并在所选的几点上测量整体响应；利用振动引起的缺陷部位表面位移或热效应原理，单点激振并在结构上方对其局部响应作多次或多处测量。以下主要从激励方式角度出发，将声振检测方法分为敲击振动检测以及声阻抗检测，并着重对各种声振检测方法的基本原理进行介绍。１　敲击检测敲击检测是最古老的声振检测方法之一。依据５３邬冠华等：声振检测方法的发展　　２０１１年第３３卷第２期被检测对象的振动方式不同，又可以分为整体振动和局部振动；依据信号采集方法的不同，又可以分为声音检测以及应力检测。１．１　整体敲击检测法整体敲击检测法又被称为车轮敲击检测法（Ｗｈｅｅｌｔａｐｔｅｓｔ）［３－５］，是最普遍、易于实施、成本最为低廉的无损检测方法之一。古代的人们就已经学会用这种方法来判断陶器、瓷器等物品中是否存在裂纹等。其主要原理是：当物件中存在较大缺陷（如裂纹、夹杂和空隙等）时，人耳所听到的由敲击产生的声音会比较沉闷，否则声音清脆。以铁路工人用小锤检测车轮的完整性为例，操作者首先用小锤敲击车轮中的一点或多点，然后从听到的声音中判定车轮中是否存在缺陷；当然，现代的铁路敲击检测中，还要求探伤工人结合敲击的手感并配合目视检测，对结果进行判断。这里，敲击的过程就是在被检测对象中激励产生机械振动的过程；而声音以及敲击手感的获取则是检测过程中的信息采集；检测人员凭借自己的经验对获得的信息进行分析判断，得到的最终结论就属于检测过程中的特征提取及结果判断。这种以人工敲击被检测件产生振动，并用人耳所听到的声音作为判断被检测对象中是否存在缺陷的方法的优劣性非常明显，其优点是方便、快捷、易于实现且成本低廉；缺点是严重依赖于操作人员的敲击和主观判断，易造成误判和漏判。尽管如此，人们依然为提高这一方法的准确性和易用性而努力着。这部分工作主要是基于对构件振动的模态分析展开［２］。振动检测方法的核心思想是：当被检测对象中存在某种缺陷时，结构整体的某些振动特征也会随之改变。然而，该方法一直未得到很好的实际应用的原因，恰恰在于这种振动特性分析的困难性。对于一个形状规则、材质均匀的对象而言，这种分析可能不会花费太多的时间，但当被检测对象的结构稍微复杂时，相应的分析则要复杂得多。模态分析的初期依然是对振动持续时间的分析，与前人工作不同的地方在于，得益于电子技术和计算机技术的发展，人们可以很方便地记录模式振动持续的时间、幅值等信息。通过与已知结构的振动时间、幅值大小甚至振动衰减率的比较而获知被检测对象中是否存在缺陷［１－２］。其后，人们将注意力转移到对振动模态所对应的自然频率等参量上。对于任何结构而言，总会存在一个或多个自然频率。这些自然频率的变化基本遵循如下表达式所表示的规律［１］：Δ犳犻≈δ犈犐犳犻犈犐＋δ犿犳犻犿＋δ犓狊犳犻犓狊＋δρ犐犳犻ρ犐（１）也就是说，影响构件自然频率的主要因素包括：构件的弯曲刚度犈犐（犈为杨氏模量，犈犐为截面的二次矩），构件的单位长度质量犿，剪切刚度犓狊以及旋转惯量ρ犐（ρ为材料密度）。这些参量的细微变化所引起的频率变化是近线性的。当构件局部存在缺陷，以及尺寸或材料的差异时，相应的参数犈犐，犿，犓狊以及ρ犐会产生变化，从而引起频率的变化。此外，各个局部缺陷所引起的频率变化是可以叠加的，因此这种方法还可以对多重缺陷引起的综合频率变化进行评估。各国轮机行业中普遍使用的“叶片测频检测技术”，以及球墨铸铁件强度的无损测定均是基于这种谐振振动检测方法［６］。以构件正常（无损伤）的模态特性为检测依据对构件实施模态分析时，如果整批构件的容差很小，使用整体敲击检测方法便可获得很好的检测效果。当检测需求较高时，则要求被检测对象的尺寸公差非常小，因此，这种方法常用于检测那些设计安全系数较大的工件。运用整体振动检测方法时，通常是在构件的一段轻敲，而从另一端的加速度传感器中获取振动信息，辅以计算机等设备用ＦＦＴ方法获取其频率响应，并与预知的特征频率点进行比较后得到检测结果。为了克服操作人员敲击方式对检测结果判断的影响，提高敲击检测的可靠性，可以采取以微处理器控制机械敲击工具来敲击被检工件，并以传感器（常用加速度计）拾取应力的变化或声调变化的方法来改进整体敲击检测法。１．２　局部敲击检测法局部敲击检测法又被称为硬币敲击检测（Ｃｏｉｎｔａｐｔｅｓｔ）或改锥把手检测（Ｓｃｒｅｗｄｒｉｖｅｒｈａｎｄｌｅｔｅｓｔ）［１］。这种检测方法通常需要操作者使用小锤、改锥把手或硬币等质量较轻的物体，对被检测对象进行逐点检测。与整体敲击检测方法不同的是：由于结构材料的非刚性，所发出的声音不是整体结构的响应，而是敲击表面下局部结构的响应，因此这种方法所得到的冲击响应与被检测对象的局部机械阻抗和弹性系数有关。局部敲击检测方法是胶接结构和复合材料结构检测中常用的一种检测方法。早期的局部敲击检测方法是由操作人员用一元硬币或银元等对复合材料进行轻叩，通过耳朵听取声音的不同来进行判断。如果被检测对象中存在缺６３邬冠华等：声振检测方法的发展２０１１年第３３卷第２期　陷，则发出的声音沉闷。当这种方法用于航空航天领域的复合材料检测时，人们则制定了敲击锤的标准，并用电子技术来取代传统的人耳信号的采集与判断。局部敲击检测方法的理论和应用工作主要是由英国帝国理工的Ｃａｗｌｅｙ教授与Ｂｒｉｓｔｏｌ大学的Ａｄａｍｓ教授奠定。１９８８年，Ｃａｗｌｅｙ等人在声阻法和低速冲击方法的基础上对硬币敲击检测方法的原理，理论模型以及判定标准进行了细致的研究［７］。他们的研究对象为复合碳纤维面板的蜂窝结构复合材料，选择的判断信号为敲击时所产生的应力信号，而非一般人耳听到的音频信号。当复合材料中存在分层等缺陷时，所对应的应力信号在时域和频域上将有如图１所示的显著区别。（ａ）应力的时域信号（ｂ）应力的频域信号图１　有无缺陷时的敲击检测信号对比从图１中不难看出，当被检测样品中存在缺陷时，其对应的应力持续时间会较长，而相应的频率则要低一些。对这种情况下所得到的敲击信号，Ｃａｗｌｅｙ等所选用的模型为简化的弹簧模型，即当被检测对象中存在缺陷时，它相当于在完好的结构中串联了一个因缺陷所引起的弹簧，如图２所示。图中犽ｄ是缺陷对应的弹性系数；犽ｃ是敲击时锤头与结构的接触系数。假设锤头的质量为犿，撞击时的速度为狏，弹性（ａ）样品中的缺陷（ｂ）敲击检测所对应的弹簧模型图２　弹簧模型系数为犽，则撞击的持续时间τ可由下式给出：τ＝πω（２）式中ω＝（犽／犿）１／２。弹簧中的力犉则表示为：犉＝犽狏ωｓｉｎω狋　０≤狋≤ω（３）而在敲击后，锤头会立即以速度狏反弹，因此根据牛顿定律可得：∫τ０犉ｄ狋＝２犿狏（４）　　由于局部敲击检测方法仅仅对被检测样件的局部进行检查，要完成对一整个构件的扫查，就必须对其进行逐点扫查。从上面的分析也可以看出，构件局部的完好与否，可以从应力信号的持续时间以及频率中比较得出。Ｃａｗｌｅｙ等人在理论分析的基础上，提出一种基于频谱的新的评定标准。这种方法与传统的受力峰值、作用力持续时间甚至频谱在中心频率附近的下降速率等进行比较的方法相比，具有更高的可信度。因为，作用力峰值受锤击速度等的影响，有时难以分辨无缺陷和有缺陷的情形；利用作用力持续时间进行比较的方法虽然实用，但在噪声较大时所得到的作用力持续时间就变得非常不准确；而频谱曲线斜率判定的方法可以分辨一些弹性系数较小的缺陷，对于弹性系数大一些的缺陷，其频谱曲线斜率与无缺陷时非常相近，很难分辨。从简单实用的角度出发，引入参量犚作为唯一的评判依据：犚＝犅犃＋犅（５）式中的犃和犅分别表示归一化的应力信号频谱中的左右两部分面积，如图３所示。图中犃和犅的分界线犳＝犳ｂ是一条由用户自己所确定的分界线，通常选择的犽＝犳犫／犳ｍａｘ在３０％～５０％之间。这种方法建立在应力信号高频部分存在差异性的基础之７３邬冠华等：声振检测方法的发展　　２０１１年第３３卷第２期（ａ）标准样件