一种基于共振声学原理的无损检测技术

一种基于共振声学原理的无损检测技术

Gail R Stultz、Richard W Bono、Mark I Schiefer 著

王健、陈闪译

摘要

快速发展的汽车制造行业对粉末金属件和铸造件的机械加工要求日益提高，客户和主机厂对产品质量的高要求已经不能容忍几个PPM的不合格率，因此在整个供应链中，产品的零缺陷率已经是大势所趋。为了达到产品零缺陷的要求，制造厂家希望在产线中投入在线无损检测设备，这种在线无损检测设备需要有精度高、可靠性高和检测速度快等特点。基于共振声学原理的NDT系统（简称RAM-NDT）正是基于上述需求开发的一套无损检测系统。NASA对构成飞行器部件的每一个零件进行质量检测，RAM-NDT系统的检测目的就是对部件进行100%地测试和筛选。基于结构动力学和静力学特性，RAM-NDT是一项已被实验室证实、成熟、稳定且性价比高的无损测试技术。

1.典型案例

同其他粉末金属部件供应商一样，ABC公司已经开始对生产过程中的部件分批次进行磁粉无损检测。问题源于一个客户-汽车生产商遭遇了现场故障，导致ABC公司需要承担部分责任并且支付全部客户现场检测费用。为避免损坏公司名誉，丢失现有客户和新客户，ABC开始对部件进行大批量磁粉探伤检测，对全套生产线进行三遍视觉检测，即三名技术人员分别对每个部件进行视觉检测。所有可以从其他岗位调来的员工都被拉来应对这场危机。为确保质量，必须对产品进行100%出厂检测；传统的无损检测技术，如磁粉技术，液体渗透，涡流，X射线，或纯粹的目视检测都是非常辛苦的主观人工检测方法。因此，这种费神费力的全检手段很少能够持续下去，进而导致“缺陷部件轮盘赌”的恶性循环。

基于共振声学原理的无损检测技术简称RAM-NDT，该技术可以为生厂商的大批量产品提供安全可靠的产品检测以及定量、客观的检测结果。其特点是简单直接、吞吐量大、成本低，可以轻松的消除人为因素引起的误差，而对生产的影响微乎其微。RAM-NDT通过测量待测部件的完整性来判别该部件是否存在缺陷。该技术在粉末金属件、锻件和铸件生产线有着大量的成功案例，说明RAM-NDT已成为解决这类问题最为简单和高效的解决方案。

2.历史

无损检测技术（以下简称NDT）为零部件生产商提供质量控制检测的历史可以追溯到工业制造时代初期。最初，经营者采用的目视检测法是零部件质量控制的主要方法。随着先进NDT技术的发展，磁粉探伤检测成为铸造件、锻造件、以及新兴的粉末金属件等质量控制的主要方法。这种目前最为普遍的主观检测技术在过去的五十多年里基本保持不变。

传统的NDT技术专注于检测和诊断产品缺陷，利用目视技术或成像技术通过扫描来寻找缺陷。对于典型案例中的事件，找出不合格件的重要性要远高于确定缺陷类型。只有当评估或检测某些系统时，如天然气管道或类似产品，才可能要求诊断出具体的缺陷类型，而大批量制造型零部件的100%检测往往不需要确定具体的缺陷类型，重要的是判断出部件是否符合要求而不是其原因。因此，像RAM-NDT这种客观检测方法要优于主观诊断方法。

扫描法包括磁粉探伤（MT），超声波检测（UT），涡流/电磁测试（ET），染料渗透测

试（PT），X-ray/放射测试（RT）和目视检测（VT）法。这些传统的无损测试方法和共振检测法根本区别在于扫描原理的不同。扫描法由人工操作并且需要操作者的主观判断，因此，必须对操作者进行一定的技术培训和/或使之具备一定资质来恰当地判断出部件的缺陷及其对部件功能的影响。另外，当某种技术需要由人为进行判断的话，其可靠性就大打折扣。在《Juran’s Quality Handbook》中Juran指出，操作者的平均可靠性只有80%左右，这个数字反映的是人类判断的因素，而不是技术本身的精确性，参考文献1。这些扫描技术都没有考虑到如何对每个部件进行有效的、成本低廉的、结果可靠的100%检测。需要注意的是，在一些案例中涡流检测技术可以被视为“整体部件”检测法，也能实现自动化检测，测试时通过一个环绕线圈，依靠高速电流实现自动检测。然而这种情况下由于缺陷表面的类型限制或参数的不同，探伤的有效性被降低。

相反，共振检测法测量的是待测件的结构响应，将这个响应和合格部件的结构响应进行对比来判别这个待测件是否存在缺陷。这种方法是对结构整体进行测量，包括结构的内部缺陷和外部缺陷，并给出客观和定量的检测结果。这种结构响应是由结构的共振特性决定的，是独一无二的、可重复测量的特征，它反映了部件的几何特点和材料属性，是共振检测技术的基础。测试过程中，一次测试就可以测量出一个部件的共振特性。表格1给出了粉末金属件、铸件和锻件会产生的一些典型缺陷类型。之前讨论的大多传统的NDT技术也可以将这些缺陷检测出来，但是只有共振检测法可以在一次测试中客观地探测出所有缺陷类型（包括深层亚表面缺陷）。

表1.

利用共振检测技术将缺陷部件筛选出来后，可以再使用传统NDT技术对缺陷部件进行主观诊断，这样有利于确定造成缺陷的原因，最终改进生产过程。表2是各种的NDT技术对不同缺陷类型的判别能力。ASME出版的标准详细说明了这里提到的每一种传统的无损检测方法，参见文献2-8。

3. 理论依据

模态分析是用于研究机械结构的动力学特性一种分析手段。所有的金属结构，如齿轮等看起来非常坚硬的结构，都会因各种原因而产生变形。这种变形通过肉眼很难观察到，但通过模态分析就能将其描述出来。每一种结构都有特定的共振频率，在这些共振频率点处，任意小的能量输入都会被结构本身放大。例如，音叉和钟在受到很小的触碰下，也会以特定的频率产生长时间的振动，这些特定频率成为结构的固有频率。产生的声音也是直接由这些固有频率引起的。事实上，结构的振动表现为一系列单频振动的叠加，任何结构产生的声音都是由这类振动引起的。RAM-NDT 技术正是利用了结构的这个动力学特性来评价待测部件的整体性和一致性的。

如图1所示的单自由度振子系统，包含质量块，弹簧和阻尼。系统的三个基本元素分别是质量（m ）、刚度（k ）和阻尼（c ），系统状态可由质量块的位移来描述，激振力F 输入给系统的能量表现为质量块的动能和弹簧的弹性势能，并由阻尼在不断耗散。系统的数学表达式，也称为运动微分方程见式（1），

()()()()mx t cx t kx t F t '''++= (1)

对于一个无阻尼系统，上述运动方程的解见下式

12k f m

π=

(2) 由式（2）可见，无阻尼结构的固有频率f 由结构的质量和刚度决定。对于多自由度系统，式（2）中质量和刚度的关系仍然成立。增加刚度会提高固有频率，增加质量会降低固有频率。拿吉他的琴弦而言，大直径的琴弦（质量更大）产生的声音比细弦更为低沉；张紧的琴弦产生的声音比松散的琴弦更为高亢。RAM-NDT 技术正是利用这些结构的基本特性来评价待测物的整体性和一致性的。

图1. 单自由度系统示意图

固有频率是结构的全局属性，结构的缺陷会导致固有频率的偏移。例如，裂纹会改变裂纹所在处周围的刚度，密度的变化或气孔会改变结构的质量。裂纹一般会降低结构的刚度，导致固有频率降低。类似的，气孔会导致减小结构质量，进而导致固有频率升高。假如缺陷大小和位置在某一阶模态表现明显，那么这一阶固有频率的偏移是可以通过测量得到的。某些缺陷甚至是可以通过人耳判别出来的，比如存在裂纹的钟产生的钟声和完好的钟产生的钟声是有明显差异的。

4. 共振声学原理

关于共振检测技术和理论背景已经分别在第二和第三部分中描述过。这一部分主要讨论共振检测的具体工作过程和共振声学法的优点。

共振检测是基于模态分析方法而简化的一种检测手段，以批量产品的质量控制为目的。常规的检测流程如下：

1. 对待测件施加一个的敲击力，这个敲击力大小恒定、且可重复输出，在分析频段范围内具有平坦的能量谱，一般由手动力锤或电动力锤输出。

2. 利用麦克风或加速度传感器以及一个带有抗混叠滤波的高速模数转换器采集待测物在敲击力下产生的声学或振动响应。

3. 对采集的时域数据进行快速傅里叶变换，将其转换成频域数据。

4. 将每个待测件的频域曲线与标准频域曲线进行对比，分析其一致性，标准频域曲线是来自于已知合格部件的测试曲线。共振频率表现为频谱曲线上各个峰值，“合格件”频谱

曲线的各个峰值与标准曲线在幅度和频率与标准频域曲线是一致的。频谱曲线上峰值的幅度和频率差异都意味着该待测件与合格件有差异。

简而言之，共振声学技术就是通过敲击待测件，并利用麦克风“听取”其声学响应。可控的敲击力在频域上是一条平坦的能量谱，麦克风实现对结构的非接触式测量。输入能量在待测件的固有频率点被“放大”和辐射，并被麦克风采集到，图2给出了一套麦克风采集到的0-40kHz的响应曲线。

图2. 粉末金属件的声学频谱响应曲线

待测部件严重的缺陷一般能通过人耳直接判断，但人耳带有主观性，且人耳在高频和低频的判别能力很差。然后很多小的缺陷往往体现在20kHz以上的共振频率点处，这些缺陷通过普通的产线质量控制手段很难避免。这些缺陷一般表现为共振峰值的偏移，如图3所示。特定共振峰值的偏移体现了特定位置的缺陷。共振频率是结构的固有特点，一般一个缺陷至少会影响一个共振频率，基于这样的原因，建议在实际操作中多设置一些频率标准。

图3. 结构曲线造成的共振峰值的偏移

在进行信号处理时，施加一个时延函数会提高判别结果的精度。有时，一个缺陷不会引起共振频率的明显偏移，但会影响结构辐射声音的时间长短，通过对麦克风响应施加一个时延（一般延迟几个毫秒），缺陷件的某些共振峰值就不会被探测到，因为这些共振峰值的能量很快就衰减掉了，如图4所示，红色曲线在该频率范围内就不存在共振峰值。以一个有裂纹的钟为例，敲击它产生声音的持续时间就不会有好的钟持续的时间长。

图4. 采用时延函数后，缺陷件的某共振峰值“消失”

基于上述的测试流程，RAM-NDT系统很容易实现自动化测试和大批量测试。无需对待测件进行预处理-无需磁化、无需表面清洁、无需浸透等，省去了大量化学材料以及产生

的废料。待测部件在传送带上移动时按次序受到力锤敲击和声音采集，检测速度高达每秒钟一件。整个过程没有任何停顿，也不需要采用昂贵的机械臂来进行精确位置的传感器粘贴和振动采集，适合不同类型和不同形状的产品检测，只需要简单的调试就能定位合适的敲击位置。正是由于系统的自动化能力、检测结果的客观性和准确性，RAM-NDT系统非常适用于生产线的批量产品质量控制。系统的核心部件如图5和图6所示。麦克风、电动力锤和NEMA智能控制器的外围设计非常坚固耐用，也非常符合如铸铁车间等条件恶劣的使用环境。图7显示了一套全自动NDT测试系统。

图5. 可重复敲击三亿次的电动力锤、麦克风、传送带等系统核心部件

图6. 进行信号采集和数据处理的智能控制器

图7. 全自动系统，带有消声腔

RAM-NDT的使用关键步骤是合适的设置频率标准。每一类待测部件都需要设置一类频率标准，且待测部件处于同一种工艺状态。一般情况下，频率标准的设置过程需要几十件左右的已知合格件和十件左右的已知不合格件（最好能带有不同批次的部件），设置过程能在半小时内完成。一般建议通过几百个部件的测试来验证设置的频率标准是否准确。其他例如磁粉探伤等NDT手段也会采用这种验证流程来确定设置的标准是否合适。一旦设置的频率标准被确认是准确的，那么就可以快速和可靠地进行100%的部件检测了。

系统的准确性可通过一组已知的部件进行验证，这组部件包括合格件和不合格件，建议将这组已知的部件作为标样保存，每次运行系统时，都预先对这组标样进行测试，以验证频率标准是否被改动或发生变化。分析不同时间不同批次的检测结果，质量人员可以发现某种频率偏移的趋势，或者由于材料变化（如密度）引起，或者由于工艺流程变化（如热处理）引起。在这个长时间的分析过程中，质量人员或产线工程师就能更好的理解其产品及产品生产过程，并且保证质量控制体系的可靠性。

5. 案例研究：粉末金属齿轮

如图8所示，粉末金属齿轮制造商需要对齿轮进行自动检测，主要检查齿轮是否有裂缝及缺陷。初始判别标准由70个部件样品测试得到，其中30个部件通过目视检查为合格部件，其他40个则存在各种缺陷，如破损，齿轮有缺口或裂缝，如图9所示。图10显示的是其中几个齿轮的测试数据，其中存在缺口的齿轮的共振频率偏低（蓝色方框左侧的两条蓝

色曲线），存在破损的齿轮的共振频率频率偏高（蓝色方框右侧的红色、粉色和黄褐色曲线），合格的样品的共振频率的峰值位于蓝色方框内。这些物理缺陷符合第二部分的理论。存在缺口就意味着刚度变小，存在破损就意味着质量变小，根据公式（1）可看出其如何影响共振频率。

图8. 粉末金属齿轮

图9. 存在缺口、裂纹和破损的齿轮

图10. 齿轮测试曲线

测评结果表明，共振声学技术可以有效地将缺陷部件从合格部件中筛选出来。值得注意的是，其中的一个合格部件的共振频率点与其他合格部件存在明显差异，说明该合格部件存在结构性缺陷。这种现象非常常见，来自于磁粉探伤判断出来的标样本身就存在判断失误，因为目视扫描法无法检测内部裂痕。通过共振声学技术进行测试，就可以将这个部件挑选出来，而主观的目视检测则不能。

根据这批标样齿轮生成的测试模板已经在生产成功使用至今，每年检测量达数百万。在使用RAM-NDT之前，生产车间通过磁粉探伤技术进行产品全检，报废6-8％的生产出来的齿轮，即使这样仍然有客户因为现场故障将其产品退回。RAM-NDT技术通过消除误判将废品率降低了2%，此外，更重要的是，RAM-NDT技术阻止了任何有缺陷的产品交到客户手中。

6.结论

RAM-NDT技术为重视产品质量的制造商服务，他们不满于费时费力的主观目视检测技术，如磁性颗粒，液体渗透，或X-射线法。RAM-NDT为客户提供整体检测方案，为质量控制和过程改进提供可靠和全面的自动检测工具。这种快速发展的技术创建了一种经济的、可提供无缺陷产品供应的在线检测系统。世界各地的粉末金属制造商、铸件和锻件制造商都已经证明了RAM-NDT技术相对于无损检测技术的优越性。

7. 参考文献

[1] Juran, Joseph M. and Godfrey, A. Blanton, Fifth Edition, Juran’s Quality Handbook, McGraw-Hill.

[2] ASTM E1444-01 Standard Practice for Magnetic Particle Examination.

[3] ASTM E309-95 Standard Practice for Eddy-Current Examination.

[4] ASTM B594-02 Standard Practice for Ultrasonic Inspection Examination.

[5] ASTM F1467-99 Standard Guide for Use of an X-Ray Tester.

[6] ASTM E2001-98 Standard Guide for Resonant Ultrasound Spectroscopy for Defect Detection.

[7] ASTM D4086-92a (1997) e1 Standard Practice for Visual Evaluation.

[8] ASTM E165-02 Standard Test Method for Liquid Penetrant Examination.