基于聲振法的飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件損傷檢測(cè)技術(shù)研究

趙貴強(qiáng)

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

復(fù)合材料具有非常高的強(qiáng)度以及剛度，具備優(yōu)良的抗腐蝕效果，在航空航天等相關(guān)行業(yè)內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。飛機(jī)復(fù)合材料屬于非常復(fù)雜的多相體系，而且其結(jié)構(gòu)和成形同時(shí)完成。在成形階段，存在許多不穩(wěn)定因素可能導(dǎo)致復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題。飛機(jī)在應(yīng)用階段中，復(fù)合材料整體架構(gòu)會(huì)遭受載荷的影響，人為因素以及環(huán)境因素等均可能導(dǎo)致?lián)p傷問題的出現(xiàn)。因此，深入分析飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件損傷的種類和相關(guān)檢測(cè)、評(píng)估方法，對(duì)于確保飛機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)行非常關(guān)鍵[1]。

飛機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與材料技術(shù)存在非常密切的聯(lián)系。復(fù)合材料因?yàn)榫邆淇稍O(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗腐蝕效果好和便于成型等優(yōu)勢(shì)，在飛機(jī)生產(chǎn)過程中的運(yùn)用越來越普遍。然而，由于此類原料的各向異性等特征，其損傷原理、失效類型及修理方法等都與金屬等原料存在明顯的差異，進(jìn)而導(dǎo)致無法便捷、經(jīng)濟(jì)地對(duì)其開展損傷檢測(cè)[2]。因此，如何完成對(duì)復(fù)合材料迅速、精準(zhǔn)的無損檢測(cè)，目前仍然是相關(guān)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

復(fù)合材料具備不均勻、損傷類型復(fù)雜以及生產(chǎn)技術(shù)難度高等特征，在生產(chǎn)和應(yīng)用階段中無法避免地會(huì)產(chǎn)生纖維損傷、脫粘及分層等問題，因此對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測(cè)已逐漸發(fā)展成確保飛行安全的不可缺少的內(nèi)容?，F(xiàn)在，對(duì)復(fù)合材料的無損檢測(cè)方法具體包含超聲法、X 射線法、聲發(fā)射法以及超聲檢測(cè)法等[3-4]。此類應(yīng)用較為普遍的無損檢測(cè)法存在顯著的局限性，比如，超聲檢測(cè)法難以精準(zhǔn)檢測(cè)薄板內(nèi)的缺陷問題，X 射線法在檢測(cè)分層過程中存在顯著的限制，微波檢測(cè)法難以檢測(cè)出微小的問題，聲發(fā)射法在檢測(cè)的過程中需要將構(gòu)件放置在固定的壓力條件下，這對(duì)于部分成品構(gòu)件以及已裝配完成的構(gòu)件而言是不現(xiàn)實(shí)的。而且，部分方法對(duì)人身存在嚴(yán)重的危害，操作人員需要進(jìn)行專業(yè)化培訓(xùn)。因此，對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料損傷的檢測(cè)方法的深入分析和多元化創(chuàng)新得到了許多學(xué)者的關(guān)注。

1 飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件損傷分析

構(gòu)件從生產(chǎn)到應(yīng)用階段，可能會(huì)出現(xiàn)許多類型的問題以及損傷。復(fù)合材料在生產(chǎn)階段出現(xiàn)損傷的關(guān)鍵性原因具體包括原材料問題、固化階段管控不當(dāng)、鋪層問題、混入無關(guān)成分以及脫模方式不合理等。損傷具體包括氣孔、界面分離、夾雜物及固化不合理等。在飛機(jī)應(yīng)用階段，操作不當(dāng)、外物撞擊，冰雹、腐蝕等均屬于導(dǎo)致?lián)p傷的關(guān)鍵性因素。損傷的形式具體包含裂縫、凹陷、穿透損傷以及表層氧化等。依據(jù)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件損傷的嚴(yán)重水平，可以將其劃分為允許、可修理以及不可修理3種損傷。允許損傷具體指的是基本不會(huì)影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能以及安全性的輕微損傷，判斷結(jié)構(gòu)件是否屬于允許損傷的范圍和規(guī)范，需要參考相關(guān)機(jī)型的修理手冊(cè)的相關(guān)條款。對(duì)于可允許損傷，需要依照現(xiàn)實(shí)情況明確是否可以修理。假如允許損傷存在擴(kuò)展的可能性，可能導(dǎo)致構(gòu)件的強(qiáng)度降低并導(dǎo)致使用年限下降，則需要在要求的周期內(nèi)完成修復(fù)工作。一般對(duì)允許損傷進(jìn)行簡(jiǎn)單的修理，避免允許損傷問題變得更加嚴(yán)重?？尚蘩?yè)p傷具體指的是嚴(yán)重水平超出了允許損傷的范圍，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等降低的損傷[5]。不可修理?yè)p傷具體指的是超過可修理范圍的損傷，對(duì)此只能重新更換損傷的材料構(gòu)件。

2 聲振法分類

聲振檢測(cè)法具體包括傳統(tǒng)敲擊法、振動(dòng)阻尼法以及聲阻法3 種方法[6]。

（1）傳統(tǒng)敲擊法。應(yīng)用棒、硬幣或者彈性手柄等不斷敲擊待測(cè)構(gòu)件，敲擊傳出的回聲會(huì)因?yàn)閾p傷而改變頻率，即通過敲擊的回聲能夠分析構(gòu)件是否存在損傷。實(shí)際生活和工作中經(jīng)常應(yīng)用的具體實(shí)例包括用敲擊法檢測(cè)鐵軌、用敲擊法挑選西瓜等。

（2）振動(dòng)阻尼法。對(duì)構(gòu)件的膠接架構(gòu)或復(fù)合材料的強(qiáng)度預(yù)測(cè)可選取此類方法。對(duì)待測(cè)構(gòu)件進(jìn)行外激勵(lì)后，檢測(cè)構(gòu)件的阻抗水平，檢測(cè)構(gòu)件的粘性特點(diǎn)，能夠了解其強(qiáng)度水平。使用不同頻率的激勵(lì)，構(gòu)件的所展現(xiàn)的振動(dòng)特點(diǎn)也存在一定的差異，進(jìn)而能夠深入探究強(qiáng)度發(fā)生改變的原因。

（3）聲阻法。此方法選取壓電原料的換能設(shè)備來激勵(lì)構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)，構(gòu)件的阻抗特點(diǎn)反作用于壓電換能設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)槠湄?fù)載。當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部存在損傷或架構(gòu)、質(zhì)量發(fā)生改變，其阻抗水平也會(huì)發(fā)生一定的改變，即換能設(shè)備的負(fù)載出現(xiàn)改變。壓電材料傳輸?shù)碾娦盘?hào)可以感應(yīng)出相應(yīng)的改變，通過放大以及濾波等操作，就能夠分析物件是否存在損傷。

3 檢測(cè)原理

3.1 基礎(chǔ)原理

常規(guī)的聲振檢測(cè)法僅可以對(duì)被測(cè)構(gòu)件開展粗略的測(cè)量，一般由檢測(cè)者使用硬幣、小錘等相關(guān)工具對(duì)被檢測(cè)構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)?shù)那脫?。而現(xiàn)代化的數(shù)字敲擊檢測(cè)主要是運(yùn)用壓電傳感設(shè)備獲取被測(cè)構(gòu)件的振動(dòng)特點(diǎn)，從而對(duì)信號(hào)開展分析，完成對(duì)被測(cè)構(gòu)件的損傷檢測(cè)。由于去除了主觀限制因素，因此更加客觀、方便，測(cè)量結(jié)果也更加精準(zhǔn)。

3.2 力錘敲擊力學(xué)模型

假設(shè)飛機(jī)復(fù)合材料存在穩(wěn)定的剛性特點(diǎn)，激振完成后的自由振動(dòng)主要受復(fù)合材料被測(cè)物自身的品質(zhì)以及材質(zhì)特點(diǎn)的影響。檢測(cè)的過程中，敲擊可以理解為對(duì)被測(cè)構(gòu)件的瞬態(tài)激勵(lì)階段[7]。

飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫層、裂紋等相關(guān)損傷后，其原本的剛性特點(diǎn)將隨之發(fā)生改變，固有振動(dòng)頻率（周期）同樣會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變?；谝陨贤茖?dǎo)的敲擊模型，由于損傷部位剛度持續(xù)降低，周期則不斷增大，損傷缺陷位置的固有頻率會(huì)下降。在敲擊檢測(cè)階段，在材料結(jié)構(gòu)存在損傷的條件下，敲擊應(yīng)力的周期會(huì)延長(zhǎng)，敲擊聲非?！皭灐?，即頻譜存在非常多的低頻成分。以上兩者能夠當(dāng)作損傷識(shí)別的特征參數(shù)，聲振檢測(cè)技術(shù)就是基于此原理而設(shè)計(jì)出來的。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)概述

本文基于以上聲振檢測(cè)技術(shù)的原理，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套智能化敲擊檢測(cè)系統(tǒng)，具體包含敲擊力錘和拾音器兩個(gè)部分，依次對(duì)應(yīng)于上述原理的力學(xué)以及聲學(xué)特征參數(shù)。力錘主要對(duì)被測(cè)構(gòu)件施加局部激勵(lì)，內(nèi)嵌的壓電薄膜傳感設(shè)備會(huì)在動(dòng)態(tài)應(yīng)力的影響下出現(xiàn)變形，傳輸體現(xiàn)力學(xué)特點(diǎn)的電壓信號(hào)。該信號(hào)通過SOC 快速單片機(jī)采集，傳輸至上位機(jī)Matlab分析平臺(tái)。由電容式高靈敏度定向型麥克風(fēng)組成的拾音器獲取構(gòu)件受激勵(lì)情況下發(fā)出的聲音信號(hào)。此路信號(hào)通過PC 機(jī)聲卡傳輸至上位機(jī)Matlab 分析平臺(tái)，平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)展開進(jìn)一步分析和處理。

4.2 敲擊錘設(shè)計(jì)

4.2.1 傳感器選取

敲擊錘的主要構(gòu)件是壓電傳感設(shè)備。通常選取的壓電原料包括壓電晶體和壓電陶瓷兩類，均具備較高的壓電常數(shù)，且機(jī)械性能較好、時(shí)間穩(wěn)定性好。然而，由于壓電式傳感設(shè)備的固有頻率與壓電原料的厚度存在反比關(guān)系，因此本文選取壓電薄膜傳感設(shè)備獲取初始應(yīng)力特征參數(shù)，提升傳感設(shè)備的頻率上限。

4.2.2 敲擊錘三維設(shè)計(jì)

為了提升敲擊錘的可維護(hù)性，所有的構(gòu)件均選用螺栓進(jìn)行連接，便于后續(xù)的拆卸和構(gòu)件換新。傳感器放置區(qū)域兩側(cè)的材料選擇螺栓連接的形式對(duì)傳感設(shè)備進(jìn)行可靠預(yù)緊，保證壓電傳感設(shè)備具有較高的靈敏度和優(yōu)良的頻率響應(yīng)。

4.2.3 拾音器設(shè)計(jì)

拾音器的主要元件是電容式高靈敏度定向型麥克風(fēng)。為了減小外界環(huán)境噪音對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，拾音器設(shè)計(jì)基于雙麥克風(fēng)降噪理論，此理論廣泛運(yùn)用在諸多類型的手機(jī)語音系統(tǒng)內(nèi)。拾音器一般包含兩個(gè)高靈敏度的麥克風(fēng)，且麥克風(fēng)均為定向型。一個(gè)為主麥克風(fēng)，負(fù)責(zé)獲取聲音信號(hào)；另一個(gè)為副麥克風(fēng)，負(fù)責(zé)獲取外界的環(huán)境噪聲。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)麥克風(fēng)獲取的信號(hào)進(jìn)行“相減”處理，進(jìn)而去除外界噪聲，達(dá)到優(yōu)良的降噪效果。

5 檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)化方向

5.1 聲振法優(yōu)化

局部敲擊理論具體主要分析敲擊力的持續(xù)時(shí)間，也能夠通過力信號(hào)的時(shí)域以及頻域特征進(jìn)行深入探究。在現(xiàn)實(shí)的敲擊階段，運(yùn)用敲擊力持續(xù)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比的方法雖然比較實(shí)用，但在噪音非常大的條件下所獲取的敲擊力持續(xù)時(shí)間就變得十分不精準(zhǔn)。因此，可對(duì)聲振檢測(cè)的理論進(jìn)行深入研究，選取更加恰當(dāng)?shù)奶卣髯鳛闄z測(cè)依據(jù)。

5.2 敲擊錘的優(yōu)化

在實(shí)際的敲擊階段，敲擊力必須保證敲擊方向垂直、敲擊速度恰當(dāng)，力度穩(wěn)定且不可以產(chǎn)生敲擊“拖尾”等問題，這對(duì)敲擊實(shí)驗(yàn)工作者的要求非常高。敲擊的誤操作很可能導(dǎo)致誤判斷問題的產(chǎn)生，因此必須對(duì)敲擊的自動(dòng)化以及智能化展開深入分析。

5.3 檢測(cè)儀器的優(yōu)化

由于局部敲擊檢測(cè)方法僅對(duì)被檢測(cè)構(gòu)件的局部進(jìn)行檢測(cè)，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)構(gòu)件的全面檢測(cè)，就需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)。如果全是人工操作，任務(wù)量會(huì)顯著提升，因此可以開展檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。另外，儀器內(nèi)部可增加數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Process，DSP），針對(duì)敲擊信號(hào)的相關(guān)特征值，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，對(duì)脫層的大小以及深度進(jìn)行具體的量化研究。

6 結(jié)語

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程中，通常需要依照復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸、種類、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，損傷的種類、大小、區(qū)域、取向，以及檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)水平等相關(guān)因素進(jìn)行系統(tǒng)性的分析和判斷，選取幾種差異化的檢測(cè)方法進(jìn)行相互補(bǔ)充。聲振檢測(cè)法從產(chǎn)生以來，基于檢測(cè)方法便捷、不會(huì)損傷被測(cè)構(gòu)件且檢測(cè)結(jié)果非常精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，已逐漸轉(zhuǎn)變成對(duì)復(fù)合材料開展無損檢測(cè)的關(guān)鍵方式。本文所提的檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)應(yīng)用壓電薄膜傳感設(shè)備和拾音器對(duì)構(gòu)件開展具體的檢測(cè)，通過對(duì)聲卡的二次研發(fā)，使其可以在非常低的檢測(cè)成本下對(duì)復(fù)合材料的損傷進(jìn)行非常準(zhǔn)確的檢測(cè)，這對(duì)于我國(guó)正飛速發(fā)展的復(fù)合材料的無損檢測(cè)科技具有非常關(guān)鍵的意義。