声发射波形分析技术在复合材料故障评价中的作用

声发射波形分析技术在复合材料故障评价中的作用

介绍薄板中声发射信号的一些特点和如何利用声发射时域波形识别不同故障源的基础理论知识，以及利用波形识别技术在雷达罩和碳纤维复合材料等试件上所获得的一些试验结果。
主题词 声发射检验 波形 复合材料

　　早在声发射技术的发展初期，人们就意识到波形分析在材料性能评价中的重要作用。由于信号处理技术的限制，早期的声发射仪器很少具备对声发射信号进行瞬态捕捉和实时处理的能力，因此，用得较为广泛并为大家所认可的是声发射信号的参数分析方法，常用参数有振铃数、能量、事件、事件率、上升时间和脉冲持续时间等。参数分析方法获得广泛应用的另一原因是，就大量存在的声发射应用问题而言。人们更关心的是有无声发射信号。并以此来对结构的稳定性进行监测。另外，实际应用中大量使用灵敏度很高的谐振式声发射传感器，它具有很高的信噪比，但由于一些原因，对其输出信号进行波形或频谱分析给不出多少有用信息。因此，声发射信号的波形分析技术一直未得到广泛应用。
　　数字信号处理（DSP）技术的迅速发展导致全数字式声发射仪的问世。这给瞬态波形分析的研究创造了条件并使其实际应用成为可能。由于实验室试件和工程构析多以板结构为主，因此，研究板中声发射信号的特点和不同机理的源产生波形的异同（以及相应的频谱和相关特性的异同）。进而寻找识别方法就显得更有意义。
　　在这一领域进行了许多开拓性工作的是美国学者Gorman，他在复合材料板的声发射波形特征方面做了大量工作，并提出了“板波声发射”这一专门术语用以区分波形分析方法和过去人们习惯了的参数分析方法。
　　复合材料，诸如碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维复合材料（GFC）和Kevlar等以其优越的性能在航空和航天技术中得到广泛应用。由于复合材料的损伤一般发生得比较突然，如何使用无损检测法评价其性能或监测在它内部的故障和缺陷，一直是人们非常关心的。但是，在利用声发射波形识别复合材料损伤机制方面，至今尚未取得很大的成功。

理论分析
　　对于厚度方向尺寸远小于其它两个方向的板而言，相应于一定的激励条件，在其中主要形成的是板。

　　可以看出，前者是扩展波（纵波），其传播速度是一个定值，它没有频散效应；后者是一种弯曲波，其传播速度与角频率的平方要成正比，这有频散效应。在一般情况下，板中的波是这两种波的且合（这两种波会互相耦合）。并存在多种模式的板波。但当板厚远小于波长时，这两种可以近似作为板中波的代表。实际上，前者相当于最低阶的对称波S。后者相当于最低阶的反对称波A。两种波位移的相对幅度同激励方式有关，当激励力源作用方向与板平面垂直时，在板中主要产生的是弯曲波。相反，当力源作用方向是沿板平面方向时，板中产生的主要波型应当是扩展波。例如，当在板平面垂直方向施加断铅信号（相当于阶跃力脉冲）激劢薄板时，离源一定距离处所接收到的信号民呈图1所示的波形。由该图可以看出，先行到达传感器的是传播速度较快的扩展波，后来到达的是速度较慢但占主导地位的变曲波，后者还有频散效应，而当力源在复合材料板侧面并沿板平面方向作用时，主要产生的是扩展波（图2和图4b），一般而言，扩展波的高频成分要比弯曲波丰富得多，如对两种波形进行频谱分析，这一点可以看得更清楚，从公式（5）可以看出，弯曲波的相速度与频率的平方要成正经，表现在图1上就是先行抵达的弯曲波频率较高，而那些姗姗来迟的弯曲波频率都较低（脉冲宽度变大）。可以把复合材料中不同的故障源看成是不同的激励源，它们所产生的板波特性（波形和主要频率成分）应当不一样。因此，利用所接收信号的波形来获得有关复合材料性能或故障的信息应当是有可能的。需要强调指出的是，为了验证上述讨

　　论结果，在声发射测量系统中必须使用宽带声发射传感器和宽带放大电器，这样，所获结果才有意义。
复合材料板的声发射信号特征
　　复合材料一般总是强声发射源，它产生声发射信号的源有纤维断裂、基体破裂、分层和开胶等。如何识别这些不同的破坏源一直是人们关心的问题。过去曾成功地利用Felicity效应预报过复合材料的断裂。事实表明，声发射技术能比其它方法（如超声波衰减系数的变化）更早地预报出复合材料的断裂故障。如前所述，薄板中所产生的低阶波究竟是哪种模式占主导地位，基本上取决于激盛方式，亦即同故障模式有关。我们知道，复合材料的纤维排列一般都是沿板的平面展开，不同层的纤维又在厚度方向通过粘结或其它方式堆积而成，因此，纤维断裂总是在平面内完成，它类似于一个沿板平面方向的阶跃作用力，因此，伴随纤维断裂的声发射信号总是以扩展波为主，其特点是波的传播速度较快，高频含量丰富，而且无频散效应；分层故障由于发生在层与层之间，它是沿板厚方向完成的，类似于一个沿板平面垂直方向的激励力，因此，它所激发出的声波应当是以弯曲波为主，其主要特点是有频散效应，先行到达的是频率较高的高频波（瞬态波形的周期较短），而后来到达的波频率较低、持续时间较长；基体破裂和脱胶等故障产生的声发射信号，其特征应当介于两情况之间，即既有扩展波又有弯曲波。以上分析对我们识别复合材料中的不同故障源十分有用。
　　对碳纤维复合材料试块（两块330mm×165mm×2mm板中间夹有蜂窝结构）进行了模拟声发射源试验（0.5mm铅芯断铅声源），试验装置的方框图见图3。试验时，在试块的无缺陷一面上共安装了四个宽带声发射传感器（PAC公司产WD型，图上仅示出两个通道），信号经频带范围为100-1000kHz的前置放大器（1801A型）放大后，送入全数字式声发射仪Mistras-2001(PAC公司产品）进行分析并获得信号波形和频谱特性。为了消除边缘回波的影响，取仪器的参数HLT（声发射HIT锁定时间）为1000us，这样，前10-20次反射波的影响都能被抑制掉。图4a是在位于试件表面，但作用力方向与表面近于垂直的模拟声发射源作用下所获得的波形，可以看出，先行到达的扩展波幅度很小，而占主要地位的弯曲波具有十分明显的频散效应。图4b是当断铅信号发生在试件侧面时所获得的瞬态波形，主要产生的是没有频散效应的扩展波（应当注意，其幅度仍然大大小于上述弯曲波）。在前面的分析中我们已经说过，沿板平面方向的声发射源相当于纤维断裂，而沿垂直于板平面作用的声发射源类似于分层等故障信号，因此，图4a相当于分层或剥落等缺陷，而图4b类似于纤维断裂。上述分析为我们识别复合材料中的故障信号提供了重要依据。 飞机雷达罩胶胶故障的声发射波形识别
　　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。