聲發(fā)射波形分析技術(shù)在復(fù)合材料故障評(píng)價(jià)中的作用

介紹薄板中聲發(fā)射信號(hào)的一些特點(diǎn)和如何利用聲發(fā)射時(shí)域波形識(shí)別不同故障源的基礎(chǔ)理論知識(shí)，以及利用波形識(shí)別技術(shù)在雷達(dá)罩和碳纖維復(fù)合材料等試件上所獲得的一些試驗(yàn)結(jié)果。
主題詞 聲發(fā)射檢驗(yàn) 波形 復(fù)合材料

　　早在聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展初期，人們就意識(shí)到波形分析在材料性能評(píng)價(jià)中的重要作用。由于信號(hào)處理技術(shù)的限制，早期的聲發(fā)射儀器很少具備對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行瞬態(tài)捕捉和實(shí)時(shí)處理的能力，因此，用得較為廣泛并為大家所認(rèn)可的是聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)分析方法，常用參數(shù)有振鈴數(shù)、能量、事件、事件率、上升時(shí)間和脈沖持續(xù)時(shí)間等。參數(shù)分析方法獲得廣泛應(yīng)用的另一原因是，就大量存在的聲發(fā)射應(yīng)用問題而言。人們更關(guān)心的是有無聲發(fā)射信號(hào)。并以此來對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外，實(shí)際應(yīng)用中大量使用靈敏度很高的諧振式聲發(fā)射傳感器，它具有很高的信噪比，但由于一些原因，對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行波形或頻譜分析給不出多少有用信息。因此，聲發(fā)射信號(hào)的波形分析技術(shù)一直未得到廣泛應(yīng)用。
　　數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致全數(shù)字式聲發(fā)射儀的問世。這給瞬態(tài)波形分析的研究創(chuàng)造了條件并使其實(shí)際應(yīng)用成為可能。由于實(shí)驗(yàn)室試件和工程構(gòu)析多以板結(jié)構(gòu)為主，因此，研究板中聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)和不同機(jī)理的源產(chǎn)生波形的異同（以及相應(yīng)的頻譜和相關(guān)特性的異同）。進(jìn)而尋找識(shí)別方法就顯得更有意義。
　　在這一領(lǐng)域進(jìn)行了許多開拓性工作的是美國(guó)學(xué)者Gorman，他在復(fù)合材料板的聲發(fā)射波形特征方面做了大量工作，并提出了“板波聲發(fā)射”這一專門術(shù)語用以區(qū)分波形分析方法和過去人們習(xí)慣了的參數(shù)分析方法。
　　復(fù)合材料，諸如碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、玻璃纖維復(fù)合材料（GFC）和Kevlar等以其優(yōu)越的性能在航空和航天技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。由于復(fù)合材料的損傷一般發(fā)生得比較突然，如何使用無損檢測(cè)法評(píng)價(jià)其性能或監(jiān)測(cè)在它內(nèi)部的故障和缺陷，一直是人們非常關(guān)心的。但是，在利用聲發(fā)射波形識(shí)別復(fù)合材料損傷機(jī)制方面，至今尚未取得很大的成功。

理論分析
　　對(duì)于厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的板而言，相應(yīng)于一定的激勵(lì)條件，在其中主要形成的是板。

　　可以看出，前者是擴(kuò)展波（縱波），其傳播速度是一個(gè)定值，它沒有頻散效應(yīng)；后者是一種彎曲波，其傳播速度與角頻率的平方要成正比，這有頻散效應(yīng)。在一般情況下，板中的波是這兩種波的且合（這兩種波會(huì)互相耦合）。并存在多種模式的板波。但當(dāng)板厚遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，這兩種可以近似作為板中波的代表。實(shí)際上，前者相當(dāng)于最低階的對(duì)稱波S。后者相當(dāng)于最低階的反對(duì)稱波A。兩種波位移的相對(duì)幅度同激勵(lì)方式有關(guān)，當(dāng)激勵(lì)力源作用方向與板平面垂直時(shí)，在板中主要產(chǎn)生的是彎曲波。相反，當(dāng)力源作用方向是沿板平面方向時(shí)，板中產(chǎn)生的主要波型應(yīng)當(dāng)是擴(kuò)展波。例如，當(dāng)在板平面垂直方向施加斷鉛信號(hào)（相當(dāng)于階躍力脈沖）激勱薄板時(shí)，離源一定距離處所接收到的信號(hào)民呈圖1所示的波形。由該圖可以看出，先行到達(dá)傳感器的是傳播速度較快的擴(kuò)展波，后來到達(dá)的是速度較慢但占主導(dǎo)地位的變曲波，后者還有頻散效應(yīng)，而當(dāng)力源在復(fù)合材料板側(cè)面并沿板平面方向作用時(shí)，主要產(chǎn)生的是擴(kuò)展波（圖2和圖4b），一般而言，擴(kuò)展波的高頻成分要比彎曲波豐富得多，如對(duì)兩種波形進(jìn)行頻譜分析，這一點(diǎn)可以看得更清楚，從公式（5）可以看出，彎曲波的相速度與頻率的平方要成正經(jīng)，表現(xiàn)在圖1上就是先行抵達(dá)的彎曲波頻率較高，而那些姍姍來遲的彎曲波頻率都較低（脈沖寬度變大）?？梢园褟?fù)合材料中不同的故障源看成是不同的激勵(lì)源，它們所產(chǎn)生的板波特性（波形和主要頻率成分）應(yīng)當(dāng)不一樣。因此，利用所接收信號(hào)的波形來獲得有關(guān)復(fù)合材料性能或故障的信息應(yīng)當(dāng)是有可能的。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，為了驗(yàn)證上述討

　　論結(jié)果，在聲發(fā)射測(cè)量系統(tǒng)中必須使用寬帶聲發(fā)射傳感器和寬帶放大電器，這樣，所獲結(jié)果才有意義。
復(fù)合材料板的聲發(fā)射信號(hào)特征
　　復(fù)合材料一般總是強(qiáng)聲發(fā)射源，它產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的源有纖維斷裂、基體破裂、分層和開膠等。如何識(shí)別這些不同的破壞源一直是人們關(guān)心的問題。過去曾成功地利用Felicity效應(yīng)預(yù)報(bào)過復(fù)合材料的斷裂。事實(shí)表明，聲發(fā)射技術(shù)能比其它方法（如超聲波衰減系數(shù)的變化）更早地預(yù)報(bào)出復(fù)合材料的斷裂故障。如前所述，薄板中所產(chǎn)生的低階波究竟是哪種模式占主導(dǎo)地位，基本上取決于激盛方式，亦即同故障模式有關(guān)。我們知道，復(fù)合材料的纖維排列一般都是沿板的平面展開，不同層的纖維又在厚度方向通過粘結(jié)或其它方式堆積而成，因此，纖維斷裂總是在平面內(nèi)完成，它類似于一個(gè)沿板平面方向的階躍作用力，因此，伴隨纖維斷裂的聲發(fā)射信號(hào)總是以擴(kuò)展波為主，其特點(diǎn)是波的傳播速度較快，高頻含量豐富，而且無頻散效應(yīng)；分層故障由于發(fā)生在層與層之間，它是沿板厚方向完成的，類似于一個(gè)沿板平面垂直方向的激勵(lì)力，因此，它所激發(fā)出的聲波應(yīng)當(dāng)是以彎曲波為主，其主要特點(diǎn)是有頻散效應(yīng)，先行到達(dá)的是頻率較高的高頻波（瞬態(tài)波形的周期較短），而后來到達(dá)的波頻率較低、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；基體破裂和脫膠等故障產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，其特征應(yīng)當(dāng)介于兩情況之間，即既有擴(kuò)展波又有彎曲波。以上分析對(duì)我們識(shí)別復(fù)合材料中的不同故障源十分有用。
　　對(duì)碳纖維復(fù)合材料試塊（兩塊330mm×165mm×2mm板中間夾有蜂窩結(jié)構(gòu)）進(jìn)行了模擬聲發(fā)射源試驗(yàn)（0.5mm鉛芯斷鉛聲源），試驗(yàn)裝置的方框圖見圖3。試驗(yàn)時(shí)，在試塊的無缺陷一面上共安裝了四個(gè)寬帶聲發(fā)射傳感器（PAC公司產(chǎn)WD型，圖上僅示出兩個(gè)通道），信號(hào)經(jīng)頻帶范圍為100-1000kHz的前置放大器（1801A型）放大后，送入全數(shù)字式聲發(fā)射儀Mistras-2001(PAC公司產(chǎn)品）進(jìn)行分析并獲得信號(hào)波形和頻譜特性。為了消除邊緣回波的影響，取儀器的參數(shù)HLT（聲發(fā)射HIT鎖定時(shí)間）為1000us，這樣，前10-20次反射波的影響都能被抑制掉。圖4a是在位于試件表面，但作用力方向與表面近于垂直的模擬聲發(fā)射源作用下所獲得的波形，可以看出，先行到達(dá)的擴(kuò)展波幅度很小，而占主要地位的彎曲波具有十分明顯的頻散效應(yīng)。圖4b是當(dāng)斷鉛信號(hào)發(fā)生在試件側(cè)面時(shí)所獲得的瞬態(tài)波形，主要產(chǎn)生的是沒有頻散效應(yīng)的擴(kuò)展波（應(yīng)當(dāng)注意，其幅度仍然大大小于上述彎曲波）。在前面的分析中我們已經(jīng)說過，沿板平面方向的聲發(fā)射源相當(dāng)于纖維斷裂，而沿垂直于板平面作用的聲發(fā)射源類似于分層等故障信號(hào)，因此，圖4a相當(dāng)于分層或剝落等缺陷，而圖4b類似于纖維斷裂。上述分析為我們識(shí)別復(fù)合材料中的故障信號(hào)提供了重要依據(jù)。 飛機(jī)雷達(dá)罩膠膠故障的聲發(fā)射波形識(shí)別
　　空軍某型飛機(jī)曾連續(xù)發(fā)生兩起雷達(dá)罩脫膠故障，險(xiǎn)些釀成重大事故，引起有關(guān)方面高度重視。這種飛機(jī)的雷達(dá)罩呈錐形，錐尖部分是玻璃纖維布夾蜂窩結(jié)構(gòu)組成，后部是在鋁蒙成內(nèi)層鋪上吸波材料，外層再粘上玻璃纖維布（共四層）。雷達(dá)罩前后部位的外層玻璃纖維布上都刷有保護(hù)漆。當(dāng)玻璃纖維布出現(xiàn)分層故障，或者玻璃纖維布與蜂竄結(jié)構(gòu)之間有脫膠故障時(shí)，就有可能出現(xiàn)雷達(dá)罩被氣流撕開，罩上部分復(fù)合材料或內(nèi)部吸波材料被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)打壞發(fā)動(dòng)機(jī)，誘發(fā)重大事故。
　　從聲波傳播的角度看，飛機(jī)雷達(dá)罩的局部區(qū)域可以看成是一個(gè)薄板系統(tǒng)。當(dāng)粘接質(zhì)量良好時(shí)，這個(gè)板是由玻璃纖維布與蜂窩結(jié)構(gòu)組成的，厚度最厚。有脫膠或分層故障時(shí)，板的厚度相應(yīng)減小，當(dāng)出現(xiàn)玻璃纖維布分層時(shí)，板的厚度最小。脈沖聲波在板中傳播時(shí)，如遇到板的厚度的這種變化，聲波的幅度和相位以及起主導(dǎo)作用的板波模式（主要頻率成分）都會(huì)發(fā)生變化。我們可由聲波的這種變化來獲得有關(guān)粘接質(zhì)量的信息。為了使問題得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化并且更符合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，是在雷達(dá)罩表面上利用模擬聲發(fā)射源（0.5mm鉛芯斷鉛信號(hào)）產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，然后再在離源固定距離處使用寬帶聲發(fā)射傳感器接收雷達(dá)罩中產(chǎn)生的聲波，并通過對(duì)該接收波的處理和分析來獲取有關(guān)粘接質(zhì)量的信息，試驗(yàn)裝置同前。
　　圖2是利用兩個(gè)寬帶傳感器所獲信號(hào)的時(shí)域波形，模擬聲發(fā)射在這兩個(gè)傳感器的中間位置。上圖（通道2）的信號(hào)幅度明顯低于下圖（通道4），而且前者的高頻成分也要低于后者，這與理論分析的結(jié)果一致，說明在模擬聲發(fā)射源到通道4的中間區(qū)域，板的厚度較薄，即雷達(dá)罩有脫膠故障存在。如果取局部時(shí)域信號(hào)（前面的縱波成分，或者后面的彎曲波部分皆可）的頻譜進(jìn)行判斷，結(jié)果更清楚。圖5是相應(yīng)于通道2和通道4縱波部分（取時(shí)間在-1-+20u之間的波形）的頻譜圖，可以看出，后者的高頻成分要明顯高于前者。實(shí)際測(cè)試時(shí)可使用兩個(gè)寬帶傳感器，取斷鉛點(diǎn)在它們中間，根據(jù)兩寬帶傳感器相對(duì)信號(hào)幅度和頻率的關(guān)系，同時(shí)根據(jù)它們與無故障區(qū)域的平均信號(hào)幅度和主要頻率值的比較結(jié)果來進(jìn)行判另作考慮，這一點(diǎn)后面還將進(jìn)一步敘述。改變傳感器位置和方向，我們就可以獲得雷達(dá)罩某一區(qū)域的粘接故障情況。

復(fù)合材料聲傳播特性的研究
　　復(fù)合材料一般表現(xiàn)出很強(qiáng)的聲各向異性，不同方向聲波的傳播特性和聲波衰減特性都很不一樣，這些都對(duì)檢測(cè)結(jié)果，尢其是聲發(fā)射源定位有很大影響。因此，了解復(fù)合材料的聲傳播特性（聲速和衰減系數(shù)）十分重要，這一研究往往同時(shí)能給出材料內(nèi)部損傷的有關(guān)信息。試驗(yàn)仍使用圖3的裝置，同步觸發(fā)功能由軟件提供（這是Mistras2001的一個(gè)十分有用的功能）。當(dāng)任一通道先行接收到超過閾值電平的信號(hào)后，該全數(shù)字式聲發(fā)射儀能自動(dòng)將其它各通道的控制閘門打開，接收信號(hào)，從而完成各不同通道之間的同步觸發(fā)功能（即保證所有通道均同時(shí)開始接收信號(hào)）。與前面一樣，這里也必須使用寬帶聲發(fā)射傳感器。設(shè)在圖3中，兩傳感器離激勵(lì)源的距離分別為和（為表達(dá)方便，設(shè)）相應(yīng)于擴(kuò)展波前沿到達(dá)兩傳感器的時(shí)間分別為和在屏幕上把波形放大后可比較容易測(cè)量出這些時(shí)間值，則擴(kuò)或由于彎曲波的相速度開始隨頻率增加很快，但當(dāng)頻率達(dá)到一定量值后其變化變得較慢，式（5）給出的數(shù)值還是有一定的代表意義的。
　　求解不同方向的衰減特性（設(shè)衰減系數(shù)為）是基于聲波的幅度隨距離作指數(shù)衰減。設(shè)與聲源相距為和兩處的聲波幅度分別為

　　據(jù)式（6）即可獲得某一方向的衰減特性。獲得以上的結(jié)果后，如發(fā)言烴接收傳感器的方向即可獲得不同方向的聲波速度和衰減特性，這就是利用聲發(fā)射方法獲得復(fù)合材料聲傳播特性的基本原理。
　　對(duì)某型飛機(jī)的雷達(dá)罩（玻璃纖維夾蜂窩結(jié)構(gòu)）和兩塊330mm×165mm×2mm板狀碳纖維復(fù)合材料試塊（中間夾有蜂窩結(jié)構(gòu)）進(jìn)行了模擬聲發(fā)射源試驗(yàn)（0.5mm鉛芯斷鉛聲源）。圖6是在上述雷達(dá)罩上沿飛行方向，當(dāng)兩傳感器相距20cm，而分別為4和16cm時(shí)所獲波形（時(shí)域進(jìn)行了擴(kuò)展）。幾次試驗(yàn)所獲結(jié)果在圖7中給出，由該圖的兩傳感器距離差與擴(kuò)展波前沿到達(dá)時(shí)差的關(guān)系可以得出該方向聲波傳播速度為3350Mm/s。
　　由圖6也可以看出雷達(dá)罩的衰減特性。實(shí)測(cè)結(jié)果是，當(dāng)同一方向兩傳感器與聲源相距分別為4和

　　在碳纖維復(fù)合材料板長(zhǎng)度方向上所獲波形示于圖8（兩傳感器與源的距離分別為4和16cm），可以得到擴(kuò)展波前疝到達(dá)時(shí)差為32，而彎曲波時(shí)差為80。三次測(cè)量結(jié)果示于圖9，可得出，沿試件長(zhǎng)度方向的擴(kuò)展波和彎曲波平均聲速分別為3970和1700m/s（彎曲波測(cè)量結(jié)果誤差稍大）。

　　為了解不同方向的聲傳播特性，在同一碳纖維復(fù)合材料板的寬度方向和對(duì)角線方向亦進(jìn)行了斷鉛試驗(yàn)，得到在這兩個(gè)方向的擴(kuò)展波平均聲速分別為5000和4300m/s?？梢钥闯觯谶@種碳纖維復(fù)合材料板上的聲速分布呈圖10所示的橢圓形，顯然，這些結(jié)果對(duì)于利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和源定位都有重要意義。

結(jié)論
　　波形分析技術(shù)有助于正確了解聲發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)理和聲發(fā)射源特性，而全數(shù)字式聲發(fā)射儀的問世又為實(shí)施波形分析提供了可能，本文所進(jìn)行的研究?jī)H僅是初步的，但其結(jié)果已經(jīng)表明，這一技術(shù)的正確應(yīng)用，對(duì)于我們識(shí)別復(fù)合材料的不同故障源，了解復(fù)合材料的聲傳播特性和提高復(fù)合材料試件的聲發(fā)射源定位精度是大有幫助的。