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
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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(kāi)，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(lái)獲得有關(guān)粘接質(zhì)量的信息。為了使問(wèn)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(guò)對(duì)該接收波的處理和分析來(lái)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(shuō)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(wú)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(lái)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(guò)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(mén)打開(kāi)，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(kāi)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(kāi)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。可以看出，在這種碳纖維復(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(wèn)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。
評(píng)論