聲發(fā)射波形分析技術(shù)在復(fù)合材料故障評價中的作用
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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(guān)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(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(gòu)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(fù)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(gòu)組成的，厚度最厚。有脫膠或分層故障時，板的厚度相應(yīng)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(guān)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(guān)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(yīng)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(guān)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(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(fù)合材料的聲傳播特性（聲速和衰減系數(shù)）十分重要，這一研究往往同時能給出材料內(nèi)部損傷的有關(guān)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(shè)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(shè)）相應(yīng)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(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。
對某型飛機的雷達罩（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(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(fù)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(fù)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?？梢钥闯觯谶@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(shù)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(shù)的正確應(yīng)用，對于我們識別復(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。
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