聲發(fā)射在某型飛機(jī)水平尾翼半軸狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用

圖9 hits隨時(shí)間的變化圖 圖10 參數(shù)濾波后hits隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖
取381～900飛行小時(shí)這段時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)濾波，只保留峰值頻率等于170kHz和上升時(shí)間為22 的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行趨勢(shì)分析。圖10為參數(shù)濾波后撞擊數(shù)hits隨時(shí)間變化圖，在381～623飛行小時(shí)這段時(shí)間撞擊數(shù)hits幾乎為零，也就是說(shuō)裂紋信號(hào)還沒(méi)發(fā)生，在623飛行小時(shí)以后信號(hào)逐漸并跳躍性增加，而當(dāng)達(dá)到759飛行小時(shí)時(shí)hits數(shù)量達(dá)到最大為1532個(gè)，從759飛行小時(shí)之后信號(hào)趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明了在623～759飛行小時(shí)這段時(shí)間裂紋的擴(kuò)展是一個(gè)從小到大的過(guò)程，而在759飛行小時(shí)以后是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的過(guò)程，與圖8中的變化趨勢(shì)非常接近，圖10更加精確地表示出裂紋信號(hào)的發(fā)展過(guò)程，623飛行小時(shí)為半軸裂紋萌生點(diǎn)，而759飛行小時(shí)為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的分界點(diǎn)。 對(duì)于這樣的一個(gè)結(jié)果可從其它方面進(jìn)一步分析論證。
3.2 參數(shù)濾波后信號(hào)周期性和幅度分布分析
圖11為半軸斷口的圖片，從圖中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)裂紋的萌生點(diǎn)上下對(duì)稱，圖12、圖13分別對(duì)應(yīng)上下萌生點(diǎn)的局部放大圖，從圖中發(fā)現(xiàn)裂紋是從上下兩個(gè)焊點(diǎn)處開始萌生，從里向外的方向擴(kuò)展的。為什么沒(méi)有從一個(gè)點(diǎn)開裂呢？這主要是半軸除了焊點(diǎn)處為薄弱環(huán)節(jié)外，還有加載的原因引起的，最大載荷存在 和 兩個(gè)極限位置處，而這兩個(gè)作用點(diǎn)正好為半軸的上下兩個(gè)對(duì)稱的焊點(diǎn)處，這樣存在兩個(gè)裂紋萌生點(diǎn)也就不難解釋了。裂紋信號(hào)在半軸上下處交替出現(xiàn)的，半軸運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，上下兩處裂紋各擴(kuò)展一次。根據(jù)上邊的分析，具有峰值頻率（peak frequency）為170kHz和上升時(shí)間（rise time）為22 參數(shù)特性的信號(hào)為裂紋信號(hào)，這些信號(hào)應(yīng)該具有這樣特征：
（1）信號(hào)周期形變化，一個(gè)加載周期內(nèi)上下裂紋各開裂一次。
（2）信號(hào)的數(shù)量應(yīng)各從小到大，且發(fā)生在載荷最大處。
（3）信號(hào)的幅度上分布應(yīng)該向高幅度方向移動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間趨于穩(wěn)定。
（4）從信號(hào)的頻譜上看應(yīng)該是一個(gè)寬頻范圍的信號(hào)，頻譜應(yīng)該非常接近，主峰頻率應(yīng)該一樣，從波形上看應(yīng)該和高韌性金屬材料非常相似。
圖14為峰值頻率（peak frequency）為170kHz和上升時(shí)間（rise time）為22 的信號(hào)hits隨時(shí)間變化圖，處理的時(shí)間段為623～656飛行小時(shí)，圖14、圖15中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為623飛行小時(shí)、629飛行小時(shí)、643飛行小時(shí)、649飛行小時(shí)、656飛行小時(shí)，圖14中（A）在某幾個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)的撞擊hits，但這些信號(hào)都是在水平尾翼運(yùn)行到 這個(gè)極限位置時(shí)產(chǎn)生的，此時(shí)正是加載最大處。而圖14（B）在 最大加載點(diǎn)都出現(xiàn)了信號(hào)，由于采集十個(gè)周期信號(hào)，所以在十個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)了信號(hào)，而這十個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)水平尾翼運(yùn)行到 的十個(gè)最大加載點(diǎn)（圖中標(biāo)記1處），這可以用kaiser效應(yīng)得到很好的證實(shí)，這說(shuō)明了在半軸的正上方焊點(diǎn)處開始出現(xiàn)疲勞損傷，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，從圖14（C）發(fā)現(xiàn)在水平尾翼運(yùn)行到 時(shí)最大加載點(diǎn)處有幾個(gè)點(diǎn)也出現(xiàn)了信號(hào)（圖中標(biāo)2處），圖14（D）中 時(shí)最大加載點(diǎn)處都出現(xiàn)了信號(hào)，這說(shuō)明在半軸的正下方焊點(diǎn)處開始出現(xiàn)疲勞損傷，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，信號(hào)的數(shù)量開始逐步增大。這很好的說(shuō)明了裂紋的生長(zhǎng)過(guò)程。從圖中我們可以得到半軸正上方（1斷口對(duì)應(yīng)處）的裂紋萌生時(shí)間應(yīng)該在靠近623飛行小時(shí)處，半軸正下方（2斷口對(duì)應(yīng)處）的裂紋萌生時(shí)間應(yīng)該靠近在643飛行小時(shí)處。圖15對(duì)應(yīng)圖14中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的撞擊hits對(duì)應(yīng)幅度的分布圖，從圖15發(fā)現(xiàn)在隨著試驗(yàn)的進(jìn)行除了信號(hào)的信號(hào)數(shù)量變化外幅度分布向高幅度方向移動(dòng)，這也很好的說(shuō)明了裂紋發(fā)展過(guò)程，信號(hào)的幅度由小變大。

圖11 半軸的斷口圖片 圖13 對(duì)應(yīng)圖11中2處斷口放大圖

圖14 撞擊hits隨時(shí)間變化圖 圖15 撞擊數(shù)hits對(duì)幅度的分布圖
隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，對(duì)數(shù)據(jù)做同樣處理，圖16為峰值頻率（peak frequency）為170kHz和上升時(shí)間（rise time）為22 的信號(hào)撞擊數(shù)hits隨時(shí)間變化圖，處理的時(shí)間段為662～715飛行小時(shí)，圖16、圖17中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為662飛行小時(shí)、669飛行小時(shí)、676飛行小時(shí)、682飛行小時(shí)、715飛行小時(shí)，從圖16發(fā)現(xiàn)隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在兩個(gè)最大加載點(diǎn)處信號(hào)是逐步增加，對(duì)應(yīng)的幅度分布如圖17所示，幅度分布隨著試驗(yàn)的進(jìn)行繼續(xù)向高幅度方向移動(dòng)，這段時(shí)間說(shuō)明上下裂紋是在加速擴(kuò)展的階段。
對(duì)748～887飛行小時(shí)段進(jìn)行同樣的處理，圖18為hits隨時(shí)間變化圖，圖19為幅度分布圖。圖18、圖19中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為748飛行小時(shí)、779飛行小時(shí)、813飛行小時(shí)、853飛行小時(shí)、887飛行小時(shí)，從圖18發(fā)現(xiàn)隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在兩個(gè)最大加載點(diǎn)處信號(hào)是趨于穩(wěn)定的，對(duì)應(yīng)的幅度分布如圖19所示，幅度分布隨著試驗(yàn)的進(jìn)行不再向高幅度方向移動(dòng)，主要在62dB為中心的范圍內(nèi)分布，說(shuō)明隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，裂紋開始均勻擴(kuò)展。

圖16 撞擊hits隨時(shí)間變化圖 圖17 撞擊數(shù)hits對(duì)幅度的分布圖

圖18 撞擊hits隨時(shí)間變化圖 圖19撞擊數(shù)hits對(duì)幅度的分布圖
4 頻率分析

圖20 裂紋信號(hào)的波形圖 圖21 裂紋信號(hào)的頻譜圖
我們提取出參數(shù)特性為上升時(shí)間（rise time）為22 和峰值頻率（peak frequency）為170kHz裂紋信號(hào)，我們?nèi)〔煌瑫r(shí)間點(diǎn)的10個(gè)波形信號(hào)對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，看信號(hào)是否具有一致性質(zhì)。圖20為其中一個(gè)裂紋信號(hào)的波形圖，從波形上看這些裂紋信號(hào)是非常相似，為了更能說(shuō)明問(wèn)題從頻譜上來(lái)分析。監(jiān)控中采樣頻率為5MHz，圖21對(duì)應(yīng)其頻譜圖，頻譜圖上出現(xiàn)了四個(gè)峰值，其中（1）、（2）、（3）、（4）對(duì)應(yīng)的頻率分別為175.8kHz、449.2kHz、556.6kHz、644.5kHz。說(shuō)明裂紋信號(hào)是一個(gè)寬頻信號(hào)，從一致性上看這十個(gè)信號(hào)在這些頻率點(diǎn)處都出現(xiàn)峰值，能量主要集中175.8kHz附近，頻譜圖非常接近，都出現(xiàn)了相同的主峰頻率，所以認(rèn)為這些信號(hào)是同一材料（裂紋擴(kuò)展）發(fā)出來(lái)的。
5 結(jié)論
（1）通過(guò)對(duì)水平尾翼的運(yùn)行過(guò)程和加載點(diǎn)分析，根據(jù)Kaiser效應(yīng)，認(rèn)為裂紋信號(hào)僅出現(xiàn)在加載時(shí)間段。
（2）上升時(shí)間（rise time）為22 和峰值頻率（peak frequency）為170kHz信號(hào)含有大量裂紋信號(hào)信息。其撞擊數(shù)hits對(duì)時(shí)間的趨勢(shì)分布、出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)、周期性、幅度分布和信號(hào)的頻譜分析，均可說(shuō)明具有此類特征的信號(hào)為裂紋信號(hào)。據(jù)此能找出裂紋的萌生時(shí)間和生長(zhǎng)過(guò)程，證明同一種材料產(chǎn)生的裂紋信號(hào)經(jīng)過(guò)單一路徑傳遞，信號(hào)參數(shù)具有統(tǒng)計(jì)特性。
（3）在半軸的裂紋信號(hào)監(jiān)控中，根據(jù)裂紋信號(hào)參數(shù)具有的統(tǒng)計(jì)特性，可以很容易地找出裂紋信號(hào)。根據(jù)圖8、圖10所示，這些信號(hào)占總體數(shù)量將近50%，當(dāng)然還有一些裂紋信號(hào)漏掉，但數(shù)量相對(duì)很少，對(duì)分析結(jié)果沒(méi)有影響。
（4）由于窄帶傳感器的諧振頻率主要在150kHz處，信號(hào)的一些信息無(wú)法反映出來(lái)，所以寬帶傳感器