粘接结构由于具有比强度、比模量高，抗疲劳和减震性能优越等特点，已经在航空、航天和军工领域被广泛使用。但是在粘接过程中由于粘接工艺等原因可能产生如粘接不良、气孔、局部脱粘等缺陷，这些粘接缺陷严重影响了粘接结构的完整性[1]。
目前，超声检测已经成为粘接结构无损检测应用最为广泛的技术之一。而解决粘接质量检测问题的关键在于超声特征信号的检出及信号的分析与处理。现在，除了传统的超声检测方法和信号分析与处理技术外，许多新的超声检测方法与现代信号处理技术被越来越多的运用到了粘接结构特别是多层金属-非金属粘接结构粘接质量的无损检测与评价中。于多层金属-金属粘接结构的无损检测与评价技术研究正逐步开展起来。
1 超声检测方法
目前，粘接结构的无损检测已经成为国内外研究的重点。普遍认为，对于缺陷的存在对结构刚度影响不明显的粘接结构件，超声检测是一种行之有效的方法[2,3]。为了适应不同的试件检测需求，可选用的检测波形分为纵波、横波、瑞利波及 Lamb 波等。用于检测多层粘接结构的超声检测手段主要包括超声脉冲回波法、板波诱发波、聚焦探头双模式检测法及漏隙 Lamb 法等。
1.1 脉冲回波法
这种方法对于金属-非金属粘接质量的检测十分有效。如图 1 所示的物理模型，采用水作耦合剂，1 层钢及 3 层橡胶粘接结构。由于橡胶层与粘接剂之间的声阻抗差异很小，超声信号在粘接界面反射损失较小，超声探头能够接收到较强的特征信号，有利于清晰的获得反映粘接质量的特征信息。但是由于超声波在橡胶层中的衰减较大，因此，这种方法不宜采用中心频率过高的超声探头。
1.2 板波诱发波法
板波在薄板(板厚度约为几个波长)中传播，由横波和纵波组成，因此，质点的振动也由两个方向的振动合成。板波传播的过程中，其中的横波将部分声波以纵波的形式透射入到第一层介质中，如图 2 所示，该纵波遇到新的不连续界面，按照 Snell定律反射、折射，这种纵波就是板波诱发波。板波诱发波经介质不连续界面反射和折射又回到板中，形成与原板波同模式的新板波[4]。这种检测方法的优点在于新板波的数量直接反映粘接层数;如果某一界面脱粘，板波就会发生全反射，该层面的新板波就不会形成。同时由于原板波、各种新板波传播路径不同，到达接收探头的时间不同，这使得各板波在时域上可以分开，存在的时间差能够充分的反映各粘接层的厚度信息。
1.3 聚焦探头双模式检测法
聚焦探头双模式检测法与板波诱发波法检测原理相似，不同在于，聚焦探头双模式检测法采用聚焦的发射和接收探头，通过调节斜入射聚焦探头的入射角和超声波束的锥角，同时激励出横波和板波两种成分波。如图 3 所示，横波以速度 Cl沿“之”字形路线传播，而其中某种模式的板波以其群速度Cg沿直线传播，随着传播距离的增加，两种成分的超声波在时域上的分离越来越明显，因此在检测过程中，通过调节各种参数使得两种成分波不分离，并尽量叠加在一起，以提高检测信号的能量。这种检测方法不仅可以提高检测信号的输出能量，使特征信号的检出更加容易，而且在获得有效的检测特征信号后，通过一次螺旋 C-扫描可以直接获得粘接界面粘接质量的诊断图像[5]。
2 信号分析方法
在多层粘接结构中，反映粘接层深层界面缺陷信息的特征信号由于受到多重反射、折射以及在材料内部衰减、材料吸收等因素的影响，接收到的特征信号比较微弱，而且粘接层中高阻抗界面(如金属界面)的强反射对特征信号产生了较大干扰，使得这些特征信号很难提取和利用，因此研究如何更有效的提取和利用反映粘接界面缺陷的信息特征，在理论探索和工业应用两方面都有十分重要的意义。目前，许多新的信号处理技术在该领域得到了广泛的应用，主要包括人工神经网络[6]、小波分析[7,8]、解卷积技术[9]等。
2.1 人工神经网络
人工神经网络的输入矢量是信号的特征参量，因此，对信号特征参量的正确选择与提取是采用神经网络智能判别成功的关键。在超声检测中信噪比较低的情况下有独特的效果。可把整个超声信号作为多层网络的输入，并采取适当措施减少信号偶然波动带来的影响。神经网络不仅可以实现对多种粘接缺陷的分类，具有识别准确度高的优点，而且对不完全、不够清晰的缺陷信息同样有效。
2.2 小波变换
小波变换(WT)是 20 世纪 80 年代由 Morlet首创并发展起来的应用数学分支，它克服了短时傅立叶变换(SFT)窗函数一经选定，窗口大小和形状固定不变，即分辨率有限的缺点，实现了时频局部化分析。信号在高频时，时间窗很窄，即具有较高的时间分辨率;而信号在低频时，时间窗较宽，即具有较低的时间分辨率。换言之，小波变换实现了窗口的大小(面积)固定、形状可变的时频局部化。正是基于这一重大意义，小波变换被誉为“数学显微镜”。目前小波变换在瞬态信号检测、去噪声、语音图像分析处理、数据压缩、人工视觉和分形研究方面发展迅速。而对于宽带脉冲反射超声回波信号，在很多情况下小波变换较其他分析手段对脱粘信号具有更好的表达[10]。
2.3 解卷积技术
在多层粘接结构超声检测中，包含粘接界面缺陷信息的特征信号及底波信号受缺陷位置和大小、介质的衰减、耦合条件及超声换能器的相对位置等因素的影响，直接从回波信号难以获得缺陷信息。因此，采用解卷积技术分解回波信号，去除噪声及其他因素的影响，突出缺陷的特征信息，进而较好的实现对缺陷的准确识别，并进行定量评价。
3 粘接结构超声检测技术的进展
目前，随着计算机技术及现代信号分析与处理技术的不断发展与完善，对于粘接结构的超声检测技术研究也取得了很大的成果。在检测方法上，许多超声检测新技术被应用于粘接质量的无损检测，如电磁超声、激光超声、声发射与应力波检测技术及超声衍射时差法(Time-of-Flight-Diffraction，简称 TOFD 技术)等。对金属-金属粘接结构的无损检测技术研究正逐步开展起来，中国台湾学者运用超声检测方法对于 Ti-Al 粘接结构实施了检测，获得了良好的效果。在信号分析与处理方面，现代信号分析与处理技术如小波变换、维格纳变换、裂谱分析技术等在粘接质量的无损评价中也起到了越来越重要的作用。
超声检测新技术的产生与应用，不仅解决了多层金属-非金属粘接结构自身声特性差异所带来的粘接质量的无损检测难题，而且为多层金属-金属粘接结构的无损检测提供了有效帮助，能够有效的解决由于粘接界面信号反射损失大，特征信号淹没于噪声信号难以提取这一难题。
4 结束语
多层金属-非金属粘接结构的超声检测技术日研究起到了很大的促进作用，在克服由于粘接层与多层金属-金属粘接结构粘接质量的超声检测研究。
参考文献：
[1]李明轩. 粘接质量超声检测研究[J]. 应用声学，2002，21(1).
[2]Akker S，Arman J. UltrasoNIc investigation on plane interfacesbetween polymers[J]. Ultrasonics，1997，35(4)：287-295.
[3]刘松平，郭恩明，等. 固体推进器钢-橡胶包覆层胶接结构超声回波法检测技术研究[J]. 无损检测，2003，25(10).
[4]张吉堂，路宏年，吕国松. 多界面结构粘接质量检测中干扰信号的消除方法[J]. 无损检测，2003，25(4).
[5]张吉堂，路宏年. 火箭发动机多层粘接结构的双模式检测[J]. 固体火箭技术，2003，26(4).
[6]张建生，李明轩. 多层粘接结构中脱粘界面的人工神经网络余弦变换谱特征识别[J]. 声学学报，2001，26(4).
[7]衡彤. 小波分析及其应用研究[D]. 四川大学博士研究生学位论文，2003，3.
[8]杨文献，姜节胜. 基于复小波变换的超声信号分析技术研究[J]. 西北工业大学学报，2004，22(4).
[9]张建生，李明轩. 层状粘接结构超声检测信号的同态解卷积脱粘界面定征[J]. 应用声学，2001，20(1).
[10]李征，韩焱. 基于多层粘接结构的信号处理方法分析研究[J]. 山西电子技术，2004，(3).
作者简介：徐猛(1978-)，男，2001 年毕业于东南大学机械系，现中国工程物理研究院在读研究生，研究方向为特种加工及检测技术。
