聲發(fā)射波形分析技術在復合材料故障評價中的作用

介紹薄板中聲發(fā)射信號的一些特點和如何利用聲發(fā)射時域波形識別不同故障源的基礎理論知識，以及利用波形識別技術在雷達罩和碳纖維復合材料等試件上所獲得的一些試驗結(jié)果。
主題詞 聲發(fā)射檢驗 波形 復合材料

　　早在聲發(fā)射技術的發(fā)展初期，人們就意識到波形分析在材料性能評價中的重要作用。由于信號處理技術的限制，早期的聲發(fā)射儀器很少具備對聲發(fā)射信號進行瞬態(tài)捕捉和實時處理的能力，因此，用得較為廣泛并為大家所認可的是聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法，常用參數(shù)有振鈴數(shù)、能量、事件、事件率、上升時間和脈沖持續(xù)時間等。參數(shù)分析方法獲得廣泛應用的另一原因是，就大量存在的聲發(fā)射應用問題而言。人們更關心的是有無聲發(fā)射信號。并以此來對結(jié)構的穩(wěn)定性進行監(jiān)測。另外，實際應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，對其輸出信號進行波形或頻譜分析給不出多少有用信息。因此，聲發(fā)射信號的波形分析技術一直未得到廣泛應用。
　　數(shù)字信號處理（DSP）技術的迅速發(fā)展導致全數(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)造了條件并使其實際應用成為可能。由于實驗室試件和工程構析多以板結(jié)構為主，因此，研究板中聲發(fā)射信號的特點和不同機理的源產(chǎn)生波形的異同（以及相應的頻譜和相關特性的異同）。進而尋找識別方法就顯得更有意義。
　　在這一領域進行了許多開拓性工作的是美國學者Gorman，他在復合材料板的聲發(fā)射波形特征方面做了大量工作，并提出了“板波聲發(fā)射”這一專門術語用以區(qū)分波形分析方法和過去人們習慣了的參數(shù)分析方法。
　　復合材料，諸如碳纖維增強塑料（CFRP）、玻璃纖維復合材料（GFC）和Kevlar等以其優(yōu)越的性能在航空和航天技術中得到廣泛應用。由于復合材料的損傷一般發(fā)生得比較突然，如何使用無損檢測法評價其性能或監(jiān)測在它內(nèi)部的故障和缺陷，一直是人們非常關心的。但是，在利用聲發(fā)射波形識別復合材料損傷機制方面，至今尚未取得很大的成功。

理論分析
　　對于厚度方向尺寸遠小于其它兩個方向的板而言，相應于一定的激勵條件，在其中主要形成的是板。

　　可以看出，前者是擴展波（縱波），其傳播速度是一個定值，它沒有頻散效應；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。在一般情況下，板中的波是這兩種波的且合（這兩種波會互相耦合）。并存在多種模式的板波。但當板厚遠小于波長時，這兩種可以近似作為板中波的代表。實際上，前者相當于最低階的對稱波S。后者相當于最低階的反對稱波A。兩種波位移的相對幅度同激勵方式有關，當激勵力源作用方向與板平面垂直時，在板中主要產(chǎn)生的是彎曲波。相反，當力源作用方向是沿板平面方向時，板中產(chǎn)生的主要波型應當是擴展波。例如，當在板平面垂直方向施加斷鉛信號（相當于階躍力脈沖）激勱薄板時，離源一定距離處所接收到的信號民呈圖1所示的波形。由該圖可以看出，先行到達傳感器的是傳播速度較快的擴展波，后來到達的是速度較慢但占主導地位的變曲波，后者還有頻散效應，而當力源在復合材料板側(cè)面并沿板平面方向作用時，主要產(chǎn)生的是擴展波（圖2和圖4b），一般而言，擴展波的高頻成分要比彎曲波豐富得多，如對兩種波形進行頻譜分析，這一點可以看得更清楚，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）。可以把復合材料中不同的故障源看成是不同的激勵源，它們所產(chǎn)生的板波特性（波形和主要頻率成分）應當不一樣。因此，利用所接收信號的波形來獲得有關復合材料性能或故障的信息應當是有可能的。需要強調(diào)指出的是，為了驗證上述討

　　論結(jié)果，在聲發(fā)射測量系統(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。
復合材料板的聲發(fā)射信號特征
　　復合材料一般總是強聲發(fā)射源，它產(chǎn)生聲發(fā)射信號的源有纖維斷裂、基體破裂、分層和開膠等。如何識別這些不同的破壞源一直是人們關心的問題。過去曾成功地利用Felicity效應預報過復合材料的斷裂。事實表明，聲發(fā)射技術能比其它方法（如超聲波衰減系數(shù)的變化）更早地預報出復合材料的斷裂故障。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地位，基本上取決于激盛方式，亦即同故障模式有關。我們知道，復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)射信號總是以擴展波為主，其特點是波的傳播速度較快，高頻含量豐富，而且無頻散效應；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，類似于一個沿板平面垂直方向的激勵力，因此，它所激發(fā)出的聲波應當是以彎曲波為主，其主要特點是有頻散效應，先行到達的是頻率較高的高頻波（瞬態(tài)波形的周期較短），而后來到達的波頻率較低、持續(xù)時間較長；基體破裂和脫膠等故障產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，其特征應當介于兩情況之間，即既有擴展波又有彎曲波。以上分析對我們識別復合材料中的不同故障源十分有用。
　　對碳纖維復合材料試塊（兩塊330mm×165mm×2mm板中間夾有蜂窩結(jié)構）進行了模擬聲發(fā)射源試驗（0.5mm鉛芯斷鉛聲源），試驗裝置的方框圖見圖3。試驗時，在試塊的無缺陷一面上共安裝了四個寬帶聲發(fā)射傳感器（PAC公司產(chǎn)WD型，圖上僅示出兩個通道），信號經(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）進行分析并獲得信號波形和頻譜特性。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，先行到達的擴展波幅度很小，而占主要地位的彎曲波具有十分明顯的頻散效應。圖4b是當斷鉛信號發(fā)生在試件側(cè)面時所獲得的瞬態(tài)波形，主要產(chǎn)生的是沒有頻散效應的擴展波（應當注意，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，因此，圖4a相當于分層或剝落等缺陷，而圖4b類似于纖維斷裂。上述分析為我們識別復合材料中的故障信號提供了重要依據(jù)。 飛機雷達罩膠膠故障的聲發(fā)射波形識別
　　空軍某型飛機曾連續(xù)發(fā)生兩起雷達罩脫膠故障，險些釀成重大事故，引起有關方面高度重視。這種飛機的雷達罩呈錐形，錐尖部分是玻璃纖維布夾蜂窩結(jié)構組成，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）。雷達罩前后部位的外層玻璃纖維布上都刷有保護漆。當玻璃纖維布出現(xiàn)分層故障，或者玻璃纖維布與蜂竄結(jié)構之間有脫膠故障時，就有可能出現(xiàn)雷達罩被氣流撕開，罩上部分復合材料或內(nèi)部吸波材料被吸入發(fā)動機，會打壞發(fā)動機，誘發(fā)重大事故。
　　從聲波傳播的角度看，飛機雷達罩的局部區(qū)域可以看成是一個薄板系統(tǒng)。當粘接質(zhì)量良好時，這個板是由玻璃纖維布與蜂窩結(jié)構組成的，厚度最厚。有脫膠或分層故障時，板的厚度相應減小，當出現(xiàn)玻璃纖維布分層時，板的厚度最小。脈沖聲波在板中傳播時，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作用的板波模式（主要頻率成分）都會發(fā)生變化。我們可由聲波的這種變化來獲得有關粘接質(zhì)量的信息。為了使問題得到進一步簡化并且更符合現(xiàn)場檢測的要求，實際試驗時，是在雷達罩表面上利用模擬聲發(fā)射源（0.5mm鉛芯斷鉛信號）產(chǎn)生激勵信號，然后再在離源固定距離處使用寬帶聲發(fā)射傳感器接收雷達罩中產(chǎn)生的聲波，并通過對該接收波的處理和分析來獲取有關粘接質(zhì)量的信息，試驗裝置同前。
　　圖2是利用兩個寬帶傳感器所獲信號的時域波形，模擬聲發(fā)射在這兩個傳感器的中間位置。上圖（通道2）的信號幅度明顯低于下圖（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，即雷達罩有脫膠故障存在。如果取局部時域信號（前面的縱波成分，或者后面的彎曲波部分皆可）的頻譜進行判斷，結(jié)果更清楚。圖5是相應于通道2和通道4縱波部分（取時間在-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。實際測試時可使用兩個寬帶傳感器，取斷鉛點在它們中間，根據(jù)兩寬帶傳感器相對信號幅度和頻率的關系，同時根據(jù)它們與無故障區(qū)域的平均信號幅度和主要頻率值的比較結(jié)果來進行判另作考慮，這一點后面還將進一步敘述。改變傳感器位置和方向，我們就可以獲得雷達罩某一區(qū)域的粘接故障情況。

復合材料聲傳播特性的研究
　　復合材料一般表現(xiàn)出很強的聲各向異性，不同方向聲波的傳播特性和聲波衰減特性都很不一樣，這些都對檢測結(jié)果，尢其是聲發(fā)射源定位有很大影響。因此，了解復合材料的聲傳播特性（聲速和衰減系數(shù)）十分重要，這一研究往往同時能給出材料內(nèi)部損傷的有關信息。試驗仍使用圖3的裝置，同步觸發(fā)功能由軟件提供（這是Mistras2001的一個十分有用的功能）。當任一通道先行接收到超過閾值電平的信號后，該全數(shù)字式聲發(fā)射儀能自動將其它各通道的控制閘門打開，接收信號，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開始接收信號）。與前面一樣，這里也必須使用寬帶聲發(fā)射傳感器。設在圖3中，兩傳感器離激勵源的距離分別為和（為表達方便，設）相應于擴展波前沿到達兩傳感器的時間分別為和在屏幕上把波形放大后可比較容易測量出這些時間值，則擴或由于彎曲波的相速度開始隨頻率增加很快，但當頻率達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（設衰減系數(shù)為）是基于聲波的幅度隨距離作指數(shù)衰減。設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)射方法獲得復合材料聲傳播特性的基本原理。
　　對某型飛機的雷達罩（玻璃纖維夾蜂窩結(jié)構）和兩塊330mm×165mm×2mm板狀碳纖維復合材料試塊（中間夾有蜂窩結(jié)構）進行了模擬聲發(fā)射源試驗（0.5mm鉛芯斷鉛聲源）。圖6是在上述雷達罩上沿飛行方向，當兩傳感器相距20cm，而分別為4和16cm時所獲波形（時域進行了擴展）。幾次試驗所獲結(jié)果在圖7中給出，由該圖的兩傳感器距離差與擴展波前沿到達時差的關系可以得出該方向聲波傳播速度為3350Mm/s。
　　由圖6也可以看出雷達罩的衰減特性。實測結(jié)果是，當同一方向兩傳感器與聲源相距分別為4和

　　在碳纖維復合材料板長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），可以得到擴展波前疝到達時差為32，而彎曲波時差為80。三次測量結(jié)果示于圖9，可得出，沿試件長度方向的擴展波和彎曲波平均聲速分別為3970和1700m/s（彎曲波測量結(jié)果誤差稍大）。

　　為了解不同方向的聲傳播特性，在同一碳纖維復合材料板的寬度方向和對角線方向亦進行了斷鉛試驗，得到在這兩個方向的擴展波平均聲速分別為5000和4300m/s。可以看出，在這種碳纖維復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)果對于利用聲發(fā)射監(jiān)測和源定位都有重要意義。

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