聲發(fā)射波形分析技術(shù)在復合材料故障評價中的作用

聲發(fā)射波形分析技術(shù)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(chǔ)理論知識，以及利用波形識別技術(shù)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(shù)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(shù)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(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。并以此來對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行監(jiān)測。另外，實際應(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(shù)一直未得到廣泛應(yīng)用。
　　數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)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(yīng)用成為可能。由于實驗室試件和工程構(gòu)析多以板結(jié)構(gòu)為主，因此，研究板中聲發(fā)射信號的特點和不同機理的源產(chǎn)生波形的異同（以及相應(yīng)的頻譜和相關(guān)特性的異同）。進而尋找識別方法就顯得更有意義。
　　在這一領(lǐng)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(shù)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(shù)中得到廣泛應(yīng)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(guān)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(yīng)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(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(guān)，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(yīng)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(yīng)，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(yīng)當不一樣。因此，利用所接收信號的波形來獲得有關(guān)復合材料性能或故障的信息應(yīng)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(guān)心的問題。過去曾成功地利用Felicity效應(yīng)預報過復合材料的斷裂。事實表明，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(guān)。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(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，類似于一個沿板平面垂直方向的激勵力，因此，它所激發(fā)出的聲波應(yīng)當是以彎曲波為主，其主要特點是有頻散效應(yīng)，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(yīng)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(gòu)）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(yīng)。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(yīng)的擴展波（應(yīng)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