一種基于非線(xiàn)性聲學(xué)復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非線(xiàn)性 聲學(xué)特征參數(shù)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料層壓板一般都是由兩種以上的材料組合而成的，成型過(guò)程工序繁多，外 加使用環(huán)境復(fù)雜多變，極易產(chǎn)生基體開(kāi)裂、纖維斷裂等裂紋，為保證其安全使用，對(duì)復(fù)合材 料層壓板結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分必要。主動(dòng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)指通過(guò)驅(qū)動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)激勵(lì)信 號(hào)，通過(guò)傳感器接收結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號(hào)，并對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu) 損傷或退化的目的。超聲導(dǎo)波具有良好的穿透性并能與缺陷或損傷發(fā)生相互作用。它具有 沿傳播路徑衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)，引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能遍及構(gòu)件內(nèi)部和表面的特點(diǎn)，在平面等大 型構(gòu)件的監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。然而，目前超聲波監(jiān)測(cè)方法中，主要是利用一些線(xiàn)性聲 學(xué)參量如聲壓、聲速等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，雖然簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，但是對(duì)于復(fù)合 材料層壓板結(jié)構(gòu)中的微小裂紋尤其是剛剛出現(xiàn)疲勞損傷的監(jiān)測(cè)，往往難以得到令人滿(mǎn)意的 結(jié)果，從而降低了它的準(zhǔn)確度和靈敏性。非線(xiàn)性聲波對(duì)于固體介質(zhì)中的缺陷有很高靈敏度， 利用超聲波非線(xiàn)性聲學(xué)特征來(lái)監(jiān)測(cè)板型結(jié)構(gòu)中微小疲勞裂紋的能力優(yōu)于線(xiàn)性聲學(xué)檢測(cè)方 法，而對(duì)于復(fù)合材料層壓板的固體結(jié)構(gòu)，由于它結(jié)構(gòu)的特殊性，層介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的非線(xiàn)性聲學(xué) 特征與它的彈性系數(shù)有密切關(guān)系，一般可以用三階彈性系數(shù)來(lái)描述，通過(guò)測(cè)量三階彈性系 數(shù)，可對(duì)板材中的疲勞損傷提供信息，但由于復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)中的三階彈性系數(shù)直接 測(cè)量，難度非常大。后來(lái)，有科學(xué)家分別從連續(xù)介質(zhì)模型和離散的模型中，推導(dǎo)出固體介質(zhì) 的彈性系數(shù)與非線(xiàn)性聲學(xué)系數(shù)的關(guān)系，得到了一維非線(xiàn)性波動(dòng)方程，并通過(guò)超聲非線(xiàn)性系 數(shù)β來(lái)表征固體材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化情況，由于方程中各階諧波是交叉的，邊界條件也有 交叉項(xiàng)，這使得非線(xiàn)性聲學(xué)系數(shù)β數(shù)學(xué)計(jì)算非常困難，求解也相當(dāng)繁重。而且，非線(xiàn)性聲學(xué) 理論目前尚不明確，非線(xiàn)性系數(shù)β尚不能對(duì)復(fù)合材料層壓板中的裂紋提供準(zhǔn)確的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于非線(xiàn)性聲學(xué)復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)方法， 目的在于解決現(xiàn)有板復(fù)合材料層壓板中的微小開(kāi)裂識(shí)別能力不高，同時(shí)避免了非線(xiàn)性超聲 在復(fù)合材料層壓板構(gòu)件中傳播時(shí)的復(fù)雜特性所帶來(lái)的應(yīng)用局限性，簡(jiǎn)化了非線(xiàn)性聲學(xué)特征 參數(shù)提取方法。利用激發(fā)不同頻率的超聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)由于復(fù)合材料層壓板纖維開(kāi)裂等原因 形成的微小開(kāi)裂的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。
[0004] 一種基于非線(xiàn)性聲學(xué)復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)方法測(cè)試系統(tǒng)包括任意波 形發(fā)生器、換能器陣列、數(shù)字信號(hào)示波器、計(jì)算機(jī)、五根數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)和被復(fù)合材料層壓板，所 述的換能器陣列，由三個(gè)壓電換能器組成，其中兩個(gè)發(fā)射換能器，一個(gè)為接收換能器，數(shù)字 信號(hào)示波器可以實(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)接收換能器采集的信號(hào)，數(shù)字信號(hào)示波器的信號(hào)輸出端通 過(guò)同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)與計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸入端電氣連接，計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出端通過(guò)同軸數(shù) 據(jù)傳輸線(xiàn)與任意波形發(fā)生器的控制信號(hào)輸入端電氣連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制任意波形發(fā)生器 輸出信號(hào)的波形和頻率，任意波形發(fā)生器的信號(hào)輸出端即第一個(gè)輸出通道通過(guò)同軸數(shù)據(jù)傳 輸線(xiàn)與第一個(gè)發(fā)射換能器的信號(hào)輸入端相連接，第二個(gè)輸出通道通過(guò)同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)與第 二個(gè)發(fā)射換能器的信號(hào)輸入端相連接，兩個(gè)發(fā)射換能器與被復(fù)合結(jié)構(gòu)層壓板連接。
[0005] 換能器陣列即第一發(fā)射換能器、第二發(fā)射換能器和接收換能器均為同型號(hào)同材質(zhì) 的壓電晶體，所述的換能器陣列諧振頻率為1. 6MHz，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂與被測(cè)復(fù)合材料層壓板 垂直耦合。
[0006] 任意波形發(fā)生器的通道包括輸入通道和輸出通道，所述的輸入通道是可以通過(guò)計(jì) 算機(jī)把波形信號(hào)下載到任意波形發(fā)生器中，所述的輸出通道為四個(gè)獨(dú)立通道，可以同時(shí)選 擇不同頻率的發(fā)射信號(hào)，本發(fā)明僅用其中第一輸出通道和第二輸出通道。
[0007] 任意波形發(fā)生器所產(chǎn)生的兩列超聲波脈沖波的中心頻率分別為80kHz和300kHz， 并且同時(shí)分別加載到第一發(fā)射換能器和第二發(fā)射換能器。
[0008] -種基于非線(xiàn)性聲學(xué)復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟： 步驟一、通過(guò)計(jì)算機(jī)中程序編寫(xiě)的兩列超聲波信號(hào)下載到任意波形發(fā)生器中，兩列超 聲波信號(hào)的中心頻率分別為80kHz和300kHz，波形均設(shè)為猝發(fā)正弦波； 步驟二、計(jì)算機(jī)向任意波形發(fā)生器發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)任意波形發(fā)生器； 步驟三、任意波形發(fā)生器第一個(gè)輸出通道發(fā)出80kHz的猝發(fā)正弦波，通過(guò)第一同軸數(shù) 據(jù)傳輸線(xiàn)加載到第一發(fā)射換能器上；同時(shí)第二個(gè)輸出通道發(fā)出300kHz的猝發(fā)正弦波，通過(guò) 第二同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)加載第二發(fā)射換能器上； 步驟四、利用接收換能器接收被測(cè)復(fù)合材料層壓板中的波形信號(hào)，并通過(guò)同軸數(shù)據(jù)傳 輸線(xiàn)同步傳給數(shù)字信號(hào)示波器，數(shù)字信號(hào)示波器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò) 信號(hào)輸出端同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行分析處理； 步驟五、計(jì)算機(jī)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，找出復(fù)合材料層壓板中相關(guān)的非線(xiàn)性 聲學(xué)特征參數(shù)，對(duì)裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別。
[0009] 有益效果：聲波在非線(xiàn)性介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的波形畸變。典型的現(xiàn)象 就是當(dāng)單一頻率的聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高階諧波現(xiàn)象。對(duì)于復(fù)合材料層壓板來(lái)說(shuō)， 若在有限幅度條件下，產(chǎn)生二次諧波并不容易，產(chǎn)生二階諧波的條件：在幅度一定條件下， 提高聲波激勵(lì)頻率，而激勵(lì)頻率越高，聲波的能量衰減也越大，進(jìn)而導(dǎo)致利用二階諧波來(lái)評(píng) 價(jià)材料損傷程度并不理想。當(dāng)復(fù)合材料層壓板中存在多個(gè)波動(dòng)的位移場(chǎng)時(shí)，非線(xiàn)性介質(zhì)中 出現(xiàn)有趣的現(xiàn)象即不同頻率波之間的調(diào)制現(xiàn)象。非線(xiàn)性調(diào)制現(xiàn)象是材料非線(xiàn)性的另一種表 現(xiàn)形式，在時(shí)域上，表現(xiàn)為非線(xiàn)性調(diào)幅現(xiàn)象；在頻譜上，則會(huì)表現(xiàn)為能量的重新分布。對(duì)于內(nèi) 部出現(xiàn)微小開(kāi)裂的材料，非線(xiàn)性調(diào)制現(xiàn)象很明顯，因此有利于復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的 識(shí)別，而且避免解析非線(xiàn)性波導(dǎo)方程的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了非線(xiàn)性聲學(xué)特征參數(shù)提取方法。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于非線(xiàn)性聲學(xué)復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的 監(jiān)測(cè)方法測(cè)試系統(tǒng)示意圖。
[0011] 圖2是接收到的超聲信號(hào)的時(shí)域信號(hào)圖。
[0012] 圖3是接收到的超聲信號(hào)的頻域信號(hào)圖。
[0013] 圖4是復(fù)合材料層壓板中裂紋開(kāi)閉引起的聲波調(diào)幅現(xiàn)象。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0014] 一、結(jié)合圖1說(shuō)明本，本所述的一種基 于非線(xiàn)性聲學(xué)復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)方法測(cè)試系包括任意波形發(fā)生器1、第一發(fā) 射換能器2、第二發(fā)射換能器3、接收換能器4、數(shù)字信號(hào)示波器5、計(jì)算機(jī)6、被測(cè)復(fù)合材料層 壓板7、第一同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)8、第二同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)9、第三同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)10、第四同軸 數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)11和第五同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)12,，所述的換能器陣列，由三個(gè)壓電換能器組成，其 中兩個(gè)發(fā)射換能器即第一發(fā)射換能器2、第二發(fā)射換能器3和一個(gè)為接收換能器4組成，數(shù) 字信號(hào)示波器5可以實(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)接收換能器采集的信號(hào)，數(shù)字示波器5可以實(shí)時(shí)接收 并存儲(chǔ)接收換能器4采集的信號(hào)，數(shù)字示波器5的信號(hào)輸出端通過(guò)同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)11與計(jì) 算機(jī)6的信號(hào)輸入端電氣連接，計(jì)算機(jī)6的控制信號(hào)輸出端通過(guò)同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)12與任意 波形發(fā)生器1的控制信號(hào)輸入端電氣連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)6控制任意波形發(fā)生器1輸出信號(hào) 的波形和頻率，任意波形發(fā)生器1的信號(hào)輸出端即第一個(gè)輸出通道通過(guò)同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)8 與第一個(gè)發(fā)射換能器2的信號(hào)輸入端相連接，第二個(gè)輸出通道通過(guò)同軸數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)9與第 二個(gè)發(fā)射換能器3的信號(hào)輸入端相連接，發(fā)射換能器2和發(fā)射換能器3與被測(cè)復(fù)合材料層 壓板7連接。
【具體實(shí)施方式】 [0015] 二、本與一所述的一種基于非線(xiàn)性聲學(xué) 復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)方法的區(qū)別在于，換能器陣列即第一發(fā)射換能器2、第二發(fā) 射換能器3和接收換能器4均為同型號(hào)同材質(zhì)的壓電晶體，所述的換能器陣列諧振頻率為 1. 6MHz，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂與被測(cè)復(fù)合材料層壓板7垂直耦合。
【具體實(shí)施方式】 [0016] 三、本與一所述的一種基于非線(xiàn)性聲學(xué) 復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)方法的區(qū)別在于，任意波形發(fā)生器1的通道包括輸入通道 和輸出通道，所述的輸入通道是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)6把波形信號(hào)下載到任意波形發(fā)生器1中， 所述的輸出通道為四個(gè)獨(dú)立通道，可以同時(shí)選擇不同頻率的發(fā)射信號(hào)，本發(fā)明僅用其中第 一輸出通道和第二輸出通道。
【具體實(shí)施方式】 [0017] 四、本與一所述的一種基于非線(xiàn)性聲學(xué) 復(fù)合材料層壓板微小開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)方法的區(qū)別在于，任意波形發(fā)生器1同時(shí)發(fā)出的超聲波信 號(hào)分別為80kHz和300kHz脈沖猝發(fā)正弦波，并且同時(shí)分別加載到第一發(fā)射換能器2和第二 發(fā)射換能器3。
[0018] 本實(shí)施方式中，聲波在非線(xiàn)性介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的波形畸變。典型的 現(xiàn)象就是當(dāng)單一頻率的聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高階諧波現(xiàn)象。對(duì)于復(fù)合材料層壓板 來(lái)說(shuō)，若在有限幅度條件下，產(chǎn)生二次諧波并不容易，產(chǎn)生二階諧波的條件：在幅度一定條 件下，提高聲波激勵(lì)頻率，而激勵(lì)頻率越高，聲波的能量衰減也越大，進(jìn)而導(dǎo)致利用二階諧 波來(lái)評(píng)價(jià)材料損傷程度并不理想。當(dāng)復(fù)合材料