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1、第2 8 卷第5 期2 0 0 9 年l O 月声学技术T e c h n i c a lA c o u s t i c sV O I 2 8 ，N O 5P t 2O c t 2 0 0 9利用谐振频率进行粘接界面等效劲度系数成像李永安，安志武，毛捷，李明轩( 中国科学院声学研究所，北京1 0 0 1 9 0 )I m a g i n go fe q u i v a l e n ts t i f f n e s sc o e f f i c i e n to fb o n d i n gi n t e r f a c ew i t hm u l t i - m o d er e s o n
2、a n tf r e q u e n c i e s1 引言L IY o n g a n ，A NZ h i W U ，M A OJ i e ，L IM i n g x u a n( I n s t i t u t eo f A c o u s t i c s ，C h i n e s eA c a d e m yo f S c i e n c e s , B e i j i n g1 0 0 1 9 0 , C h i n a )利用超声检测层状结构粘接质量是无损检测的重要问题之一，因此产生了许多的理论模型和实验方法。A B a l t a z a r 和L W a n g 等采用垂直入射与
3、斜 入射相结合的方法对两层崮体之间薄胶层包括弹性模量和胶层厚度在内的6 个参数进行了反演：王小民与李明轩【2 】等则通过分析单层与衬底胶结结构超声反射波谱的低频特性提出了反演胶层厚度的方法。劲度系数作为粘接层密度、弹性模龟和厚度的一个综合评价，反映了粘接界面特性，受到普遍的关注。本文从垂直入射声波的反射谱着手，分析了双层粘接结构的谐振频率与胶层法向劲度系数和双层粘接金属板厚度之间的关系，并利用多阶谐振频率，采用模拟退火方法对胶层的等效法向劲度系数以及两层粘接金属板的板厚进行了反演，对粘接区域的法向劲度系数进行成像。这种成像所给出的粘接范围内的劲度系数分布，对于强度实验的比对具有意义。2 理论计
4、算图l 所示的是一个双层粘接结构。粘接板上面和下面以液体作为耦合介质。建立模型时认为从上到下的四种介质都是均匀且各向同性、无衰减的。胶层的作用被等效为许多沿同体接触面均匀分布的法向劲度系数和切向劲度系数的弹簧。如图l 所示，从上到下，四种介质的声阻抗分别为Z o ，z ，z 2 ，z 3 ，上、下层金属板的厚度分别基金项目：国家自然科学摹金资助项目 作者简介：夺永安( 1 9 8 4 - ) 男，厶南昆明人，汉族，中科院声学所硕士研究生研究方向为超声检测：通讯作者：李永安，n u o m i t t g m a i l c o r nx = Ox = 4剐q图1 双层粘接结构系统水慝图F i
5、g 1S c h e m a t i co f ad o u b l e - l a y e rb o n d i n gs t r u c t u r e为西，如，相应的波数为k ，如。入射声波的角频，；率为C O ，声压为只的声波经最上层介质正入射到上层金属板，反射波为P ，透射波为只，K 为胶层的等效法向劲度系数。由声波在固体中的传播表达式以及各界面上声压和速度的边界条件不难给出声波反射系数的表达式：R ：曼 尸：竺：堡! ! 苎里! 二墨! 望12 ! 圣巳( ! 生! 空! ! 口e x p ( 一j k l d l ) + r o l e x p ( j k I d l )其中参数
6、口为：口：r2s(KZ2-KZI-jooZ,Z2)+(KZ2+KZI-jcoZ,Z2)exp(-2jk2d2) r 2 3 ( K Z 2 + K Z l + j c o Z ，z 2 ) + ( K Z 2 一K Z I + j c o Z l Z 2 ) e x p ( 一2 弘2 d 2 )公式帆= 糍峨s = 臻删为最上层介质与上层金属板分界面的反射系数和下层金属板和最下层介质分界面的反射系数。对一个铝r_10lj，l一p 学技术2 0 0 9 & l 目# 自& 月$ t mT a bIP 州t b ed o u b l l j v e rb o m d l “g Ir m c t
7、u Wn m镕m o “# 十4 啪x m1 0 0 01 4 5 00 x q*2 7 0 06 3 4 52x H # * 1 I2 42 3 1 0d 。x d d目2 7 0 06 3 4 52x d 1 1 d 2ml 【_ 0 0L 4 5 0，环氧树脂铝股结结构而言，其各项参数如表I 所 示。据此，町以计算出胶层的予J J 度系数变化时系统谐振频率的变化晴况。削2 给出r 当胶培勘艘系数分别为图内相应数值寸声波E 直入射于双崖粘接结构时帕反射乐数措进行05 r a m 等州隔迸点扫查删量。超声分析仪激励换能器产，E 超卢信号垂直 射十样品，经过积层结构反射后为换能器接收，并由超声
8、分析仪放大送 声波宅间响应洲试设备采集叫域数据。妊过F 丌获得系统的反射系数谱，提取定频段内的谐振频率出。采用模拟退火掉法对劲度系数和两层粘接金属板的板厚I 目时进行反演。逐点反演后，样品胶层等教法向劲度系数成像结果如图3 所示。坐堂一“。鼽。- r o D ，：。，。：。1 0m M，1 FH2 k # ”2 X 1 0 府5 X 1 0 1 肼8 X1 0 ，m 2 “ * # * * * * F i 9 2 l o m c l “bv a r y 响hd i f f c ”n s “m c l “2x 1 0 1 秆5 川o ，m 28 1 0 。，2 1从图2 可以看l ，双层粘接结构
9、的谐振频牢总是成对出现可咀分为左峰和右峰。当上下粘接板 厚度致时庀峰他置( 例如I 6 2 M H z 附近时) 随腔层劲度系数的变化较细微而右峰似置则随腔层劲度系数的变化较明显。右峰作为敏感频率值足胶层等效劲度系鼗反演的基础。在劫度系数和两扳厚度均未知的似设前提F ， 选择日标函数y 为：y - r 0 新，。其中i - I ，0N 。麻分别为实验中0 量得到咀及理论模型计算得到的谐振频率值，为谐振频率的总数。反演过程中，当目标函数v 取得最小值的时候，认为此时的胶层等效勘度系数值及两扳厚度优与实际值最为接近。3 实验结果与计算实验样晶的参数如表1 所示，有效粘接面积为 2 0 r a m
10、2 0 m m 。采用中心频率为38 M H z ，6 d B 带宽2 M H z 声束直径2 m m 的纵波换能器对以上样品目3m g # & 月* R E # # 自m # * m * 镕F 1 “a n d ”u ko f e q u i h m ls t i f f s sc m c to r ad b l c l a y e r h n d ”g5 y 跚4 结论本史分析了声波垂直入射双层粘接结柑的回波谐振频率与胶层等泣法向劲度系数之间的戈系。利用谐振频率，通过模拟退火算法反演获得般屡科接扳 对麻点的皎层等效劫度系数以及州层猫接金属板的板厚，并对整扳J 的劫度系数进行成像获得了较好的
11、钻粜。但山丁采纵波换能器垂直入射样品，仅仅抉得了胶层的法向等效劫度系数，而不能对腔层径向的等效劲度系数进行测量反渍。今后的工作将侧重于通过纵波斜 射米对胶层径向劲度系数进行测帚和反演。参考文献：I 】AB a l t a z a r , LW a n g ，BX i e ，a n dS 】R o k i i n1 n v c r s cu l t r a s o n i cd e t e T | 1 1 i n a 6 0 no fi m p e r f e c tm I e H a c db u l kp r o p e r t i e so fal a y e rb e t w e e n
12、M os o l i d s JA e o I l s tS 0 cA m1 1 41 4 2 41 4 3 m 2 0 0 3 【2 】W a n gX 1 n ，L iM i n g x u a n ，M a oJ i e - L i a nG u o x u a oL o w - f r e q u e n c y * a o fko l f a s o u n de c h o t o ma na d h e g i v e l yb o n d e dl a y e r - s u b s t r a t es t r u c t u r e 【J 】A C T A A C U S T I C A2 0 0 5 ；3 0 ( 4J = 3 3 7 - 3 4 2l
