本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)材料測(cè)試領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于零群速度模態(tài)評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)損傷程度的方法和裝置。

背景技術(shù)：

近幾年來(lái)，粘接結(jié)構(gòu)由于自身連接穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)輕便，其相比其他連接方式更加可靠且被連接件不會(huì)變形，在航空等領(lǐng)域被大量使用。但粘結(jié)結(jié)構(gòu)在制造與使用中容易發(fā)生開膠而產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)靜載強(qiáng)度減小，疲勞壽命降低。而類似于開膠、氣孔、內(nèi)部分層等損傷，其最直接的表現(xiàn)是結(jié)構(gòu)厚度變化。目前針對(duì)粘結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的檢測(cè)，并沒有非?？焖倏煽康姆瞧茐牡姆椒?，因此尋找一種簡(jiǎn)單快速的檢測(cè)粘結(jié)結(jié)構(gòu)厚度的方法是至關(guān)重要的。

材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能直接影響著聲音在材料中傳播的特性。超聲評(píng)估和表征材料組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的變化是一種被廣泛應(yīng)用的方法。目前超聲導(dǎo)波已經(jīng)被常用于材料的檢測(cè)評(píng)估，根據(jù)超聲線性物理參數(shù)(振幅、衰減系數(shù)、波速)以及非線性物理參數(shù)(二階、高階諧波等)表征材料組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。但是，目前我們常用的超聲導(dǎo)波的模態(tài)(s0、a0、s1和a1等)，無(wú)論根據(jù)其線性參數(shù)變化還是非線性參數(shù)變化，都對(duì)材料厚度上微小變化不敏感，因此很難甚至無(wú)法檢出粘結(jié)結(jié)構(gòu)的損傷，特別是損傷的初期階段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種基于零群速度模態(tài)評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)損傷程度的方法，以能夠快速、簡(jiǎn)便、有效地評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷程度。為此，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

基于零群速度模態(tài)評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)損傷程度的方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1、根據(jù)被測(cè)粘結(jié)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)與厚度利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算對(duì)應(yīng)的零群速度模態(tài)，得到該零群速度模態(tài)的相速度以及該厚度下的頻率；

s2、根據(jù)計(jì)算步驟s1得到的零群速度模態(tài)的相速度和頻率確定所需的激勵(lì)頻率以及激勵(lì)角度；

s3、將激勵(lì)換能器和接收換能器以預(yù)定間距安裝在一操作工具上，并且使所述激勵(lì)換能器與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)形成步驟s2所確定的激勵(lì)角度且所述接收換能器與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)垂直；

s4、利用信號(hào)激勵(lì)器輸出具有步驟s2所確定的激勵(lì)頻率的激勵(lì)信號(hào)來(lái)激勵(lì)所述激勵(lì)換能器，并利用信號(hào)接收器接收來(lái)自所述接收換能器的信號(hào)；

s5、將所述激勵(lì)換能器和接收換能器耦合至所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)并移動(dòng)所述操作工具對(duì)所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃查檢測(cè)；

s6、在掃查過(guò)程中，對(duì)所述信號(hào)接收器得到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)的厚度變化，進(jìn)而評(píng)估所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)的損失程度。

進(jìn)一步地，在所述步驟s4中，還包括將激勵(lì)信號(hào)通過(guò)濾波器和衰減器以提高信噪比的步驟。

進(jìn)一步地，在所述步驟s4中，還包括將來(lái)自所述接收換能器的信號(hào)通過(guò)放大器以提高信號(hào)強(qiáng)度的步驟。

進(jìn)一步地，在所述步驟s5中，所述激勵(lì)換能器和接收換能器與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)的耦合均采用空氣耦合方式。

進(jìn)一步地，在所述步驟s5中，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)強(qiáng)度，以確保檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。

進(jìn)一步地，還包括在所述步驟s6之后將檢測(cè)結(jié)果導(dǎo)出以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步分析的步驟。

本發(fā)明還提出了基于零群速度評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)損傷程度的裝置，可包括中央處理器、信號(hào)激勵(lì)器、信號(hào)接收器、顯示裝置、激勵(lì)換能器以及接收換能器，所述中央處理器與所述的信號(hào)激勵(lì)器、信號(hào)接收器、顯示裝置信號(hào)連接，所述信號(hào)激勵(lì)器與所述激勵(lì)換能器電連接，所述信號(hào)接收器與所述接收換能器電連接，所述激勵(lì)換能器和接收換能器以預(yù)定間距安裝在一操作工具上，并且所述激勵(lì)換能器與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)形成所需激勵(lì)角度，所述接收換能器與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)垂直，所述中央處理器用于控制所述信號(hào)激勵(lì)器輸出所需的激勵(lì)頻率的激勵(lì)信號(hào)來(lái)激勵(lì)所述激勵(lì)換能器，以產(chǎn)生所需頻率的零群速度模態(tài)的激勵(lì)超聲導(dǎo)波，并對(duì)所述信號(hào)接收器通過(guò)所述接收換能器從所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)接收到的非零群速度模態(tài)的超聲導(dǎo)波進(jìn)行處理，并將結(jié)果顯示在所述顯示裝置上。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)激勵(lì)器可包括信號(hào)發(fā)生模塊和頻率調(diào)節(jié)模塊，所述頻率調(diào)節(jié)模塊與所述信號(hào)發(fā)生模塊信號(hào)連接，以將所述信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號(hào)頻率調(diào)節(jié)成所需的頻率。

更進(jìn)一步地，所述信號(hào)激勵(lì)器還可包括信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)模塊，所述信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)模塊與所述信號(hào)發(fā)生模塊信號(hào)連接，以將所述信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)成所需的強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，所述裝置還可包括衰減器和濾波器，所述衰減器和濾波器串接后再串接于所述信號(hào)激勵(lì)器與所述激勵(lì)換能器之間。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有的有益效果是：本發(fā)明能夠快速、簡(jiǎn)便、有效地評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷程度，特別是損傷的初期階段，進(jìn)而判斷在相應(yīng)損傷程度下，該粘結(jié)結(jié)構(gòu)是否能夠繼續(xù)使用。

附圖說(shuō)明

圖1是超聲導(dǎo)波在平板粘結(jié)結(jié)構(gòu)中的傳播頻散曲線圖，其中，虛線區(qū)域?yàn)閟1模態(tài)所能激勵(lì)的零群速度(zgv)模態(tài)區(qū)域；

圖2是頻率變化與深度變化關(guān)系的曲線圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于零群速度模態(tài)評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)損傷程度的裝置的示意圖。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步說(shuō)明各實(shí)施例，本發(fā)明提供有附圖。這些附圖為本發(fā)明揭露內(nèi)容的一部分，其主要用以說(shuō)明實(shí)施例，并可配合說(shuō)明書的相關(guān)描述來(lái)解釋實(shí)施例的運(yùn)作原理。配合參考這些內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)能理解其他可能的實(shí)施方式以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

先對(duì)采用零群速度模態(tài)的超聲導(dǎo)波評(píng)估粘接結(jié)構(gòu)損傷程度的原理進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。超聲導(dǎo)波的相速度為cp＝ω/k＝2πf/k，群速度cg＝dω/dk＝2πdf/dk，根據(jù)圖1所示的頻散曲線中，s1模態(tài)的頻散曲線上存在區(qū)域，其2πf/k≠0，但是2πdf/dk＝0，即其相速度不為零但是群速度為零，此時(shí)所激勵(lì)的模態(tài)不傳播，其能量集中在激勵(lì)區(qū)域。在確定的激勵(lì)頻率、角度以及材料厚度下，可以激勵(lì)出特定的模態(tài)，如零群速度模態(tài)。當(dāng)材料厚度因損傷而發(fā)生變化時(shí)，頻厚積發(fā)生微小變化而能量散逸，可以在激勵(lì)區(qū)域毗鄰區(qū)域接收到超聲導(dǎo)波。由于厚度變化極小，可以認(rèn)為頻厚積不變，即

δc＝δf·d0+δd·f0＝0，(1)

從而

其中d0為未損傷試件厚度，f0為激勵(lì)的零群速度模態(tài)頻率，δf是接收到頻率相對(duì)激勵(lì)頻率的變化。根據(jù)測(cè)定毗鄰區(qū)域接收到零群速度超聲導(dǎo)波頻率變化與基頻以及原厚度關(guān)系(如圖2)，可以定性評(píng)估材料內(nèi)部厚度變化，從而評(píng)估材料的損傷程度。

粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)部受損后，可能會(huì)出現(xiàn)鼓泡、分層等缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)厚度發(fā)生變化(變大或變小)。當(dāng)零群速度模態(tài)掃查經(jīng)過(guò)這些損傷區(qū)域時(shí)，其原本不傳播的能量因?yàn)楹穸茸兓優(yōu)榭蓚鞑サ臓顟B(tài)。通過(guò)在激勵(lì)區(qū)域毗鄰區(qū)域接收零群速度模態(tài)變化，根據(jù)所接收到信號(hào)頻率變化評(píng)估材料厚度變化，從而判斷材料損傷程度。

本發(fā)明提出了基于零群速度模態(tài)評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)損傷程度的方法，該方法包括以下步驟：

s1、根據(jù)被測(cè)粘結(jié)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)與厚度利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算對(duì)應(yīng)的零群速度模態(tài)，得到該零群速度模態(tài)的相速度以及該厚度下的頻率；

s2、根據(jù)計(jì)算步驟s1得到的零群速度模態(tài)的相速度和頻率確定所需的激勵(lì)頻率以及激勵(lì)角度；

s3、將激勵(lì)換能器和接收換能器以預(yù)定間距安裝在一操作工具上，并且使所述激勵(lì)換能器與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)形成步驟s2所確定的激勵(lì)角度且所述接收換能器與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)垂直；

s4、利用信號(hào)激勵(lì)器輸出具有步驟s2所確定的激勵(lì)頻率的激勵(lì)信號(hào)來(lái)激勵(lì)所述激勵(lì)換能器，并利用信號(hào)接收器接收來(lái)自所述接收換能器的信號(hào)；優(yōu)選地，將激勵(lì)信號(hào)通過(guò)濾波器與衰減器以提高信噪比和/或?qū)?lái)自所述接收換能器的信號(hào)通過(guò)放大器以提高信號(hào)強(qiáng)度；

s5、將所述激勵(lì)換能器和接收換能器耦合至所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)并移動(dòng)所述操作工具對(duì)所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃查檢測(cè)；優(yōu)選地，所述激勵(lì)換能器和接收換能器與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)的耦合均采用空氣耦合方式；此外，可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)強(qiáng)度，以確保檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確可靠；

s6、在掃查過(guò)程中，對(duì)所述信號(hào)接收器得到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)的厚度變化，進(jìn)而評(píng)估所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)的損失程度。

此外，方法還包括在所述步驟s6之后將檢測(cè)結(jié)果導(dǎo)出以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步分析的步驟。

如圖3所示，基于零群速度模態(tài)評(píng)估粘結(jié)結(jié)構(gòu)損傷程度的裝置可包括中央處理器10、信號(hào)激勵(lì)器20、信號(hào)接收器30、顯示裝置40、激勵(lì)換能器50以及接收換能器60，所述中央處理器10與所述的信號(hào)激勵(lì)器20、信號(hào)接收器30、顯示裝置40信號(hào)連接，所述信號(hào)激勵(lì)器20與所述激勵(lì)換能器50電連接，所述信號(hào)接收器30與所述接收換能器60電連接。中央處理器10用于控制所述信號(hào)激勵(lì)器20產(chǎn)生所需的頻率的電壓信號(hào)給所述激勵(lì)換能器50，以產(chǎn)生所需頻率的零群速度模態(tài)的激勵(lì)超聲導(dǎo)波；并對(duì)所述信號(hào)接收器30從粘結(jié)結(jié)構(gòu)70接收到的信號(hào)(非零群速度模態(tài)的超聲導(dǎo)波)進(jìn)行處理，得到粘結(jié)結(jié)構(gòu)70的厚度變化，進(jìn)而評(píng)估所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)70的損傷程度，并將評(píng)估結(jié)果在所述顯示裝置40上進(jìn)行顯示。中央處理器10為可編程邏輯控制器或微型控制器等。

所述信號(hào)激勵(lì)器20可包括信號(hào)發(fā)生模塊21和頻率調(diào)節(jié)模塊22，所述頻率調(diào)節(jié)模塊22與所述信號(hào)發(fā)生模塊21信號(hào)連接，以將所述信號(hào)發(fā)生模塊21產(chǎn)生的信號(hào)頻率調(diào)節(jié)成所需的頻率。信號(hào)發(fā)生模塊21和頻率調(diào)節(jié)模塊22的具體結(jié)構(gòu)和連接為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，在此不再作進(jìn)一步描述。所述信號(hào)激勵(lì)器20還可包括信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)模塊23，所述信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)模塊23與所述信號(hào)發(fā)生模塊21信號(hào)連接，以將所述信號(hào)發(fā)生模塊21產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)成所需的強(qiáng)度。同樣，信號(hào)發(fā)生模塊21和頻率調(diào)節(jié)模塊22的具體結(jié)構(gòu)和連接也為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，在此不再作進(jìn)一步描述。

所述激勵(lì)換能器50和接收換能器60以預(yù)定間距l(xiāng)安裝在一操作工具80上，通過(guò)移動(dòng)操作工具80，所述激勵(lì)換能器50和所述接收換能器60能保持預(yù)定間距l(xiāng)同步在所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)70上移動(dòng)。預(yù)定間距l(xiāng)可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述激勵(lì)換能器50與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)70形成所需激勵(lì)角度a，并且所述接收換能器60與所述粘結(jié)結(jié)構(gòu)70垂直。

優(yōu)選地，所述激勵(lì)換能器50為空氣耦合超聲探頭，所述接收換能器60為空氣耦合換能器，但它們也可以采用其它耦合形式。

此外，所述裝置還可包括衰減器90和濾波器100，所述衰減器80和濾波器90串接后再串接于所述信號(hào)激勵(lì)器20與所述激勵(lì)換能器50之間。信號(hào)激勵(lì)器20產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減器90和濾波器100之后，信噪比提高，從而使激勵(lì)換能器50的激勵(lì)效果更好。

盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對(duì)本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。