声发射波形分析技术在复合材料故障评价中的作用
空军某型飞机曾连续发生两起雷达罩脱胶故障，险些酿成重大事故，引起有关方面高度重视。这种飞机的雷达罩呈锥形，锥尖部分是玻璃纤维布夹蜂窝结构组成，后部是在铝蒙成内层铺上吸波材料，外层再粘上玻璃纤维布（共四层）。雷达罩前后部位的外层玻璃纤维布上都刷有保护漆。当玻璃纤维布出现分层故障，或者玻璃纤维布与蜂窜结构之间有脱胶故障时，就有可能出现雷达罩被气流撕开，罩上部分复合材料或内部吸波材料被吸入发动机，会打坏发动机，诱发重大事故。
从声波传播的角度看，飞机雷达罩的局部区域可以看成是一个薄板系统。当粘接质量良好时，这个板是由玻璃纤维布与蜂窝结构组成的，厚度最厚。有脱胶或分层故障时，板的厚度相应减小，当出现玻璃纤维布分层时，板的厚度最小。脉冲声波在板中传播时，如遇到板的厚度的这种变化，声波的幅度和相位以及起主导作用的板波模式（主要频率成分）都会发生变化。我们可由声波的这种变化来获得有关粘接质量的信息。为了使问题得到进一步简化并且更符合现场检测的要求，实际试验时，是在雷达罩表面上利用模拟声发射源（0.5mm铅芯断铅信号）产生激励信号，然后再在离源固定距离处使用宽带声发射传感器接收雷达罩中产生的声波，并通过对该接收波的处理和分析来获取有关粘接质量的信息，试验装置同前。
图2是利用两个宽带传感器所获信号的时域波形，模拟声发射在这两个传感器的中间位置。上图（通道2）的信号幅度明显低于下图（通道4），而且前者的高频成分也要低于后者，这与理论分析的结果一致，说明在模拟声发射源到通道4的中间区域，板的厚度较薄，即雷达罩有脱胶故障存在。如果取局部时域信号（前面的纵波成分，或者后面的弯曲波部分皆可）的频谱进行判断，结果更清楚。图5是相应于通道2和通道4纵波部分（取时间在-1-+20u之间的波形）的频谱图，可以看出，后者的高频成分要明显高于前者。实际测试时可使用两个宽带传感器，取断铅点在它们中间，根据两宽带传感器相对信号幅度和频率的关系，同时根据它们与无故障区域的平均信号幅度和主要频率值的比较结果来进行判另作考虑，这一点后面还将进一步叙述。改变传感器位置和方向，我们就可以获得雷达罩某一区域的粘接故障情况。
复合材料声传播特性的研究
复合材料一般表现出很强的声各向异性，不同方向声波的传播特性和声波衰减特性都很不一样，这些都对检测结果，尢其是声发射源定位有很大影响。因此，了解复合材料的声传播特性（声速和衰减系数）十分重要，这一研究往往同时能给出材料内部损伤的有关信息。试验仍使用图3的装置，同步触发功能由软件提供（这是Mistras2001的一个十分有用的功能）。当任一通道先行接收到超过阈值电平的信号后，该全数字式声发射仪能自动将其它各通道的控制闸门打开，接收信号，从而完成各不同通道之间的同步触发功能（即保证所有通道均同时开始接收信号）。与前面一样，这里也必须使用宽带声发射传感器。设在图3中，两传感器离激励源的距离分别为和（为表达方便，设）相应于扩展波前沿到达两传感器的时间分别为和在屏幕上把波形放大后可比较容易测量出这些时间值，则扩或由于弯曲波的相速度开始随频率增加很快，但当频率达到一定量值后其变化变得较慢，式（5）给出的数值还是有一定的代表意义的。
求解不同方向的衰减特性（设衰减系数为）是基于声波的幅度随距离作指数衰减。设与声源相距为和两处的声波幅度分别为
据式（6）即可获得某一方向的衰减特性。获得以上的结果后，如发言烃接收传感器的方向即可获得不同方向的声波速度和衰减特性，这就是利用声发射方法获得复合材料声传播特性的基本原理。
对某型飞机的雷达罩（玻璃纤维夹蜂窝结构）和两块330mm×165mm×2mm板状碳纤维复合材料试块（中间夹有蜂窝结构）进行了模拟声发射源试验（0.5mm铅芯断铅声源）。图6是在上述雷达罩上沿飞行方向，当两传感器相距20cm，而分别为4和16cm时所获波形（时域进行了扩展）。几次试验所获结果在图7中给出，由该图的两传感器距离差与扩展波前沿到达时差的关系可以得出该方向声波传播速度为3350Mm/s。
由图6也可以看出雷达罩的衰减特性。实测结果是，当同一方向两传感器与声源相距分别为4和
在碳纤维复合材料板长度方向上所获波形示于图8（两传感器与源的距离分别为4和16cm），可以得到扩展波前疝到达时差为32，而弯曲波时差为80。三次测量结果示于图9，可得出，沿试件长度方向的扩展波和弯曲波平均声速分别为3970和1700m/s（弯曲波测量结果误差稍大）。
为了解不同方向的声传播特性，在同一碳纤维复合材料板的宽度方向和对角线方向亦进行了断铅试验，得到在这两个方向的扩展波平均声速分别为5000和4300m/s。可以看出，在这种碳纤维复合材料板上的声速分布呈图10所示的椭圆形，显然，这些结果对于利用声发射监测和源定位都有重要意义。
结论
波形分析技术有助于正确了解声发射产生的机理和声发射源特性，而全数字式声发射仪的问世又为实施波形分析提供了可能，本文所进行的研究仅仅是初步的，但其结果已经表明，这一技术的正确应用，对于我们识别复合材料的不同故障源，了解复合材料的声传播特性和提高复合材料试件的声发射源定位精度是大有帮助的。
评论