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第 38 卷 第 1 期 孙凯华等： 钢 -铅粘接结构的粘接强度对超声体波反射与透射特性的影响 103
2.0 2.0
1.6
ᑛࡏुভവ᧚ᄈѬඋ/% 1.2 ᤩ࠱ጇ(arb. units) ᑛࡏुভവ᧚ᄈѬඋ/% ኄ3˚ႍᝈ 1.2 ᤩ࠱ጇ(arb. units)
1.6
0.8
0.8
0
0
0.4 0.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
К࠱ᝈ/(O) К࠱ᝈ/(O)
(a) fd=1.4 MHz·mmጫฉ̰ᨂࡏК࠱ᄊᤩ࠱ጇ (b) fd=0.65 MHz·mmഷฉ̰ᨂࡏК࠱ᄊᤩ࠱ጇ
图 13 超声体波斜入射钢层时透射系数与入射角、弹性模量的关系
Fig. 13 The relationship between the elastic modulus, incident angle and the reflection and trans-
mission coefficients of shear waves oblique incident in the steel-layer
选取理想粘接条件下透射峰的频厚积，当纵 反射系数，透射系数随入射角的变化较小，谐振峰比
波入射时设 fd = 1.4 MHz·mm，当横波入射时设 较稳定，同时透射波能够携带更多的粘接层信息，对
fd = 0.65 MHz·mm，研究透射系数与入射角、弹性 于粘接层的质量变化更加敏感。
模量的变化关系，如图 13所示。无论是纵波入射还 (3) 当粘接层粘附质量从理想粘接退化到完全
是横波入射，透射系数随弹性模量的变化呈无规律 脱粘时，在小角度入射条件下，纵波和横波的透射系
现象，在不同弹性模量处存在多个极大值，并且随着 数均对界面刚度的变化灵敏，在0 入射时透射系数
◦
入射角度的增加逐渐减小。该结果表明，入射角度 随界面刚度的变化最大，并且纵波和横波的透射系
越小，不同弹性模量处的透射系数越大。结合图 12 数谐振峰随着法向界面刚度的减小向高频方向偏
结果可得，小角度入射超声波的透射系数的高频谐 移，谐振峰频率越低，受界面强度变化影响的频移
振峰频移更利于粘接内聚强度的检测。 量越大；而当粘附界面由理想粘接退化为滑移弱粘
接时，仅横波的透射系数对界面刚度的变化较灵敏。
3 结论
因此，选择横波垂直入射，可以利用其透射系数的低
频谐振峰向高频方向的偏移来表征界面粘附强度
本文采用传递矩阵法推导了斜入射超声波在
的变化。
N 层粘接结构中反射与透射系数方程，利用线性弹
(4) 选择纵波或横波垂直入射，可以利用其透
簧模型来表征界面粘附强度而利用等效弹性模量
射系数的高频谐振峰向低频方向的偏移来表征界
模型来表征粘接内聚强度，通过同时连续改变两种
参数来系统研究钢 -环氧树脂 -铅粘接结构中粘接 面内聚强度的变化。
强度变化对超声波反射与透射特性的影响规律，从 本文较系统和全面地分析了多个参数条件同
时变化对粘接结构中超声波反射和透射特性的影
而确定能够敏感表征粘接强度的超声参量。通过上
响规律，确定了能够敏感表征粘接强度的超声检
述研究，得到以下结论：
(1) 对于钢 -环氧树脂 -铅粘接结构，超声体波 测条件，对于其他各向同性材料组成的粘接结构具
从钢层斜入射比从铅层入射时更有利于粘接质量 有普适性，能够为粘接强度的无损检测与评价提供
的检测。因为钢层入射的声波受临界角的影响少， 理论依据。下一步，笔者将对该方法开展相关的有
只有横波入射时存在第三临界角，透射或反射系数 限元仿真和实验检测，验证理论方法的准确性和可
的谐振峰 (或谷) 比较稳定，并且具有一定的带宽， 靠性。
谐振峰处的透射系数也较大，这对于粘接质量的检
测非常有利。 参 考 文 献
(2) 超声体波以小角度(小于30 )入射时，利用
◦
透射系数能够更好地表征粘接质量的变化。相比于 [1] 艾春安, 李剑, 刘瑜, 等. 多层结构超声检测理论与技术 [M].
