局部振动检测技术深度解析：从敲击法到综合声学无损检测

在复合材料与胶接结构日益成为工程制造核心部件的今天，如何有效、可靠地评估其内部质量与结构完整性，已成为无损检测（NDT）领域面临的关键挑战。与传统的整体振动分析不同，局部振动检测技术通过在构件表面施加局部激励，并分析其微观响应，为我们提供了一套独特的、能够“聆听”材料内部缺陷的强大工具。本文将系统梳理从最古老的人工敲击法，到现代化的声阻、声谐振、定距发送/接收乃至集大成的综合声学检测技术，为一线工程师与科研人员提供一份详尽的技术图谱与实践指南。

原始的智慧：局部人工敲击检测

局部敲击检测，俗称“敲击法”，是应用于胶接结构和复合材料等非刚性结构的最直观、最经济的检测方法。它的原理根植于一个简单的物理现象：当敲击非刚性结构时，产生的声音并非源于整体结构的共振，而是敲击点下方局部区域的响应。一个完好的粘接区和一个存在脱粘、分层的缺陷区，由于其局部刚度、质量和阻尼特性截然不同，在受到敲击时会发出音调迥异的声音。

从硬币到标准敲击锤

最原始的敲击检测工具或许就是一枚硬币。用硬币轻敲蜂窝夹芯板的面板，通过聆听声音的变化，可以初步判断面板与芯材之间是否存在脱粘。缺陷区域通常会发出更低沉、更“空洞”的声音，这是因为脱粘导致局部刚度下降，振动阻尼变大。这种方法虽然简单，但对于检测近表面的分层和脱粘（如直径大于13mm的缺陷）依然有效。

然而，硬币敲击存在明显弊端：主观性强、结果难以复现、可能损伤薄壁蒙皮，且无法检测深层缺陷。为了规范化，航空航天领域催生了标准敲击锤。

图1 常用标准敲击锤的组成 1—必要时可用液体/塑料胶（也可减小手把/锤头的孔，保证干涉配合以免除粘结剂的应用） 2—2024铝制锤头，所用表面按ANSI/ASME B46.1机加工 3—直径1.6mm高强钢丝杆 4—直径为1.73~1.78mm的孔

敲击检测程序与局限

标准的敲击检测流程要求操作者系统地进行。

1. 准备工作：将参考标准件（包含已知缺陷）固定在被检工件旁，熟悉工件图纸，了解内部结构变化（如厚度、芯密度变化）可能引起的正常声音变化。
2. 操作手法：如图1©所示，以特定的握持方式，用腕力轻巧而快速地（约每秒4-5次）敲击工件表面，并使锤头自然反弹。扫查路径应有序，步进增量不超过25mm。
3. 缺陷判定与标记：当听到音调变化时，从异常中心沿径向向外敲击，以确定缺陷的边界和形状，并用无损标记笔进行标记。

尽管敲击法至今仍在初步筛选中广泛应用，但其局限性不容忽视：

• 检测深度浅：通常仅对第一层胶缝的脱粘（如表面下1.3mm以内）有效。
• 主观依赖性强：结果高度依赖操作员的听力、经验和专注度，且无数据记录。
• 效率低下：对于大型结构（如机翼），人工敲击极为耗时。

电子敲击器的演进

为了克服人工敲击的缺点，电子敲击器应运而生。这些设备通过微处理器控制的冲击器和传感器，将主观的“听音辨位”转变为客观的数据采集与分析。

• 声冲击仪：集成了敲击锤和加速度计，通过弹簧加载保持稳定的接触力，分析80Hz冲击产生的5-10kHz范围内的声响应频谱。
• 电动试验器 (Growler/Brush)：通过带锯齿的滚轮或金属刷在表面移动，用麦克风拾取并放大声音变化，供操作者通过耳机监听。
• 便携式电子敲击器：通常由冲击器、电源和显示单元组成，能直观显示正常区与缺陷区的信号差异，并可连接计算机进行数据存储和处理，其检测速度和灵敏度远超人工方法。

图2 用敲击层离检测器检测复合蜂窝壁板

电子敲击器的发展，实质上是向更精密的声学检测技术——如声阻法和声谐振法——演变的过渡阶段。

行业应用案例

• 宇航工业：严格规定了敲击法的适用范围、操作员资质（包括年度听力测试）、参考标准件的制作与验证，确保检测的规范性。
• 船用结构：针对玻璃纤维-树脂船体结构，通过试验验证了敲击法对不同类型模拟缺陷（气囊、干纤维、裂纹等）的检测能力。结果表明，该方法对气囊和干纤维等缺陷较为敏感，但对穿透裂纹等则难以检出。

表1 敲击检测结果一览（船用结构）

注：Y-可检测；N-不能。表中数据经过简化，仅展示部分内容。

定量化的飞跃：声阻法检测 (MIA)

声阻法，又称机械阻抗分析法（Mechanical Impedance Analysis, MIA），是局部振动检测从定性走向定量的关键一步。它不再依赖人耳，而是通过精确测量结构对振动力的“抵抗”程度来识别缺陷。

检测原理：力与速度的比值

机械力阻抗（Z_m）的定义非常直观：

Z_m = F / v

其中，F 是施加于结构某点的简谐力，v 是该点的振动速度。在1-10kHz的常用检测频率下，一个区域的力阻抗由其局部的刚度和质量共同决定。当存在脱粘或分层时（如图3所示），该区域的等效刚度显著降低，导致在相同激振力下，振动速度 v 增大，从而力阻抗 Z_m 减小。仪器正是通过捕捉这种阻抗变化来定位缺陷的。

图3 声阻法检测的典型缺陷示意图

P. Cawley提出的弹簧模型（图4）生动地解释了这一过程。完好区的刚度主要由探头与表面的接触刚度决定。而缺陷区的总刚度，则是接触刚度与缺陷上方“薄板”刚度的串联。缺陷越大、埋藏越浅，这块“薄板”就越“软”，总刚度变化越明显，缺陷也就越容易被检测到。

图4 脱粘的弹簧模型

缺陷上方蒙皮的共振频率与缺陷尺寸和埋深有关，其一阶共振频率 f_r 可由下式估算：

f_r = (0.47h / r²) * √[E / (ρ(1 - ν²))]

其中 h 是埋深，r 是半径，E、ρ、ν 分别是材料的弹性模量、密度和泊松比。这个公式揭示了频率选择的重要性：合适的检测频率是获得良好检测结果的关键。

检测方法与探头设计

声阻法探头通常采用双晶片设计（图5），一个发射晶片施加正弦激励，一个接收晶片感知振动。当探头与被测件接触时，工件表面的局部阻抗会影响接收晶片的应变，从而产生与阻抗相关的电信号输出。

图5 声阻法检测探头（换能器）结构

一个核心的技术细节是接触刚度。探头与工件表面的接触力直接影响接触刚度，进而影响测量结果的稳定性。因此，现代声阻仪探头多采用弹簧加载设计，以确保接触压力恒定。

检测灵敏度与缺陷的几何尺寸密切相关。灵敏度约与缺陷半径的平方（面积）成正比，与埋深的立方成反比。这意味着，埋藏越深的缺陷，需要有更大的尺寸才能被检测到。

图6 铝胶接结构中，最小检测缺陷直径d与缺陷埋深h的关系曲线

应用与标准试块

声阻法的一大优势是无需耦合剂，特别适用于现场检测和那些蒙皮可能透水、禁止使用耦合剂的精密构件（如卫星通信设备）。

由于不同结构和材料的缺陷阻抗计算相当复杂，实际操作中严重依赖标准试块。标准试块（图7）的蒙皮、芯材、胶粘剂等都应与被测工件完全一致，并预制已知尺寸和位置的人工缺陷。通过在标准试块上校准仪器，才能建立可靠的缺陷判定基准。因此，要获得一套准确可靠的声阻检测方案，不仅需要精密的仪器，更需要对材料特性和标准件制备的深刻理解。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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图7 通用标准试块图 1—蒙皮 2—粘结剂 3—垫板 4—蜂窝夹芯 5—第二层缺陷 6—盖板 7—定位孔 8—第三层缺陷 9—第一层缺陷 10—胶带 11—橡皮泥

深入探究：声谐振检测

声谐振检测可以看作是声阻法的一种特殊且更深入的应用。它不再仅仅测量单一频率下的阻抗，而是专注于寻找并分析结构的谐振特性，从而获取更丰富的结构信息，甚至可以评估胶接强度。

表2 声谐振检测与声阻法的比较

检测原理：从单频到扫频

声谐振检测主要有两种模式：

1. 单频谐振检测： 将胶接结构简化为带阻尼的弹簧-质量系统（图8）。缺陷的存在会改变系统的刚度(k)和阻尼(c)，从而导致其自然谐振频率(ω_n)和品质因数(Q)发生变化。通过测量在特定频率激励下，换能器输出信号的振幅和相位，可以判断缺陷的存在。当检测频率恰好调谐到完好区的谐-振点时，灵敏度最高。

   图8 单自由度结构模型

2. 扫频谐振检测： 这是声谐振技术的一大突破。仪器在一个频率范围内快速扫频，当扫频信号的频率与结构的某个谐振频率（基频或谐波）重合时，换能器负载急剧增加，导致其导纳（阻抗的倒数）发生显著变化，形成一个“下陷”的信号（图9）。

   图9 压电换能器谐振频率的确定

   图10 福克仪检测机理模型

   更进一步，研究发现胶层的弹性（柔度）与其内聚强度存在近似的线性统计关系。著名的福克（Fokker）胶接检测仪正是基于这一原理。通过测量谐振频率的偏移（A标度）和振动阻尼的变化（B标度），并对照通过大量破坏性试验建立的关系曲线（图11），可以半定量地估算出板-板胶接的剪切强度或蜂窝结构的拉伸强度。

检测方法与强度评估

使用福克仪等设备进行强度评估，关键在于校准和关系曲线。

• 0/100校准：将探头置于一块与被测件上板等厚的单板上，校准为“0%强度”（完全脱粘）；再置于与被测件总厚度相同的单板上，校准为“100%强度”（理想刚性连接）。
• 关系曲线：针对特定材料、厚度和胶粘剂组合，制作破坏强度与仪器读数（A标度）的校准曲线。这是一项耗时费力的工作，但却是实现定量评估的基础。

图11 胶接强度检测仪A标度指示与铝合金单胶接结构结合质量的关系曲线（线旁为下板厚度）

在实际检测中，通常将胶接质量划分为A、B、C等不同等级，对应不同的强度百分比，以简化质量控制流程。

表3 结合质量的分级

另辟蹊径：定距发送/接收检测

定距发送/接收（Pitch-Catch）检测采用了一种与声阻和声谐振截然不同的思路。它利用板波（一种在薄板结构中传播的导波）的传播特性来探测不连续。

检测原理：板波的能量泄漏

该技术的探头包含一个发送和一个接收换能器，两者保持固定距离，无需耦合剂。

1. 发送换能器以低频或射频信号激励，在工件中产生板波。
2. 在完好粘接区，板波的能量会通过胶层“泄漏”到底层结构中，导致能量衰减，因此接收换能器收到的信号较弱。
3. 在脱粘区，板波被限制在表层蒙皮内传播，能量泄漏路径被阻断，几乎没有衰减，因此接收换能器会收到一个强度显著增强的信号。

图12 定距发送/接收检测原理

该技术主要激发弯曲波（A₀模式），因为它对板厚变化和缺陷更敏感。

检测模式

根据激励方式的不同，定距发送/接收检测可细分为三种模式：

• 扫频模式 (20-40kHz)：通过扫频激励，在相位-幅度图上，脱粘区会显示一个较大的圆形轨迹，而完好区则是一个靠近中心的小点（图13）。这种模式设置简单，且对探头提离不敏感，误报率低。
• 脉冲模式 (2.5-70kHz)：使用单频短脉冲激励，通过时间门选择幅度变化最大的回波。此模式对埋藏较深的缺陷探测能力更强。
• 射频连续波模式 (2.5-150kHz)：采用连续波激励，频率范围更宽。其高频端（75-150kHz）对薄壁材料，特别是碳纤维蒙皮-芳纶纸芯（Nomex）蜂窝结构的检测效果尤为出色。

图13 扫频发/收信号图形 (a)完好粘接 (b)探头提离 ©脱粘

定距发送/接收技术填补了声阻法（擅长近表面）和声谐振法（擅长较厚结构）之间的空白，极大地拓展了声学检测的应用范围。

终极形态：综合声学检测技术

随着复合材料结构日益复杂，单一的检测方法往往难以应对所有挑战。为了兼顾现场使用的便利性与检测的可靠性，集多种检测原理于一体的综合声学检测技术应运而生。

一机多能：综合声学检测仪

以美国Staveley NDT Technologies公司的Sonic BondMaster为代表的综合声学检测仪，开创了该领域的新纪元。它将声阻法、声谐振法、以及三种模式的定距发送/接收法等五种核心技术集成在一台便携式设备中。

图14 机械阻抗分析的扫频双迹显示 a—完好粘接 b—脱粘

这种仪器的核心优势在于：

• 灵活性与适应性：可根据被检工件的材料、结构和缺陷类型，灵活切换并优选最佳检测模式。
• 智能化操作：具备探头自动识别、参数自动设定、最佳测试频率自动优选（如图14）等功能，大大降低了操作难度。
• 可靠性增强：通过双迹显示功能，可将实时测量曲线与预存的完好区曲线进行比对，使缺陷判别更为直观、准确。
• 性能优化：例如，其新型机械阻抗探头采用可调压紧力设计，消除了人为因素对测量结果的干扰，为自动化扫查铺平了道路。

表4 BondMaster应用摘要

技术小结与展望

局部振动检测技术，常被统称为“声振检测”，它与大家熟知的超声脉冲回波技术形成了完美的互补。

表5 声振检测与超声脉冲回波检测的比较

从最初的“敲一敲，听一听”，到如今能够半定量评估粘接强度的精密仪器，再到集成多种模式的智能化平台，局部振动检测技术的发展历程，是人类不断追求更深层次、更精确定量理解材料内部世界的缩影。

表6 常用声振检测仪性能比较

未来，随着传感器技术、信号处理算法和人工智能的进一步融合，我们有理由相信，声振检测技术将能够提供更全面的缺陷信息，甚至实现对材料性能的实时、在线监控，为先进制造和结构健康监测开启新的篇章。如果您在实际工作中也面临类似的胶接结构检测挑战，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。

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