趙貴強

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

復(fù)合材料具有非常高的強度以及剛度，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。飛機在應(yīng)用階段中，復(fù)合材料整體架構(gòu)會遭受載荷的影響，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，深入分析飛機復(fù)合材料構(gòu)件損傷的種類和相關(guān)檢測、評估方法，對于確保飛機穩(wěn)定高效運行非常關(guān)鍵[1]。

飛機的設(shè)計、生產(chǎn)與材料技術(shù)存在非常密切的聯(lián)系。復(fù)合材料因為具備可設(shè)計性強、抗腐蝕效果好和便于成型等優(yōu)勢，在飛機生產(chǎn)過程中的運用越來越普遍。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，進而導(dǎo)致無法便捷、經(jīng)濟地對其開展損傷檢測[2]。因此，如何完成對復(fù)合材料迅速、精準的無損檢測，目前仍然是相關(guān)研究的重點內(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產(chǎn)生纖維損傷、脫粘及分層等問題，因此對飛機復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測已逐漸發(fā)展成確保飛行安全的不可缺少的內(nèi)容?，F(xiàn)在，對復(fù)合材料的無損檢測方法具體包含超聲法、X 射線法、聲發(fā)射法以及超聲檢測法等[3-4]。此類應(yīng)用較為普遍的無損檢測法存在顯著的局限性，比如，超聲檢測法難以精準檢測薄板內(nèi)的缺陷問題，X 射線法在檢測分層過程中存在顯著的限制，微波檢測法難以檢測出微小的問題，聲發(fā)射法在檢測的過程中需要將構(gòu)件放置在固定的壓力條件下，這對于部分成品構(gòu)件以及已裝配完成的構(gòu)件而言是不現(xiàn)實的。而且，部分方法對人身存在嚴重的危害，操作人員需要進行專業(yè)化培訓。因此，對飛機復(fù)合材料損傷的檢測方法的深入分析和多元化創(chuàng)新得到了許多學者的關(guān)注。

1 飛機復(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、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。在飛機應(yīng)用階段，操作不當、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)飛機復(fù)合材料構(gòu)件損傷的嚴重水平，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影響飛機結(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)機型的修理手冊的相關(guān)條款。對于可允許損傷，需要依照現(xiàn)實情況明確是否可以修理。假如允許損傷存在擴展的可能性，可能導(dǎo)致構(gòu)件的強度降低并導(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。一般對允許損傷進行簡單的修理，避免允許損傷問題變得更加嚴重。可修理損傷具體指的是嚴重水平超出了允許損傷的范圍，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強度等降低的損傷[5]。不可修理損傷具體指的是超過可修理范圍的損傷，對此只能重新更換損傷的材料構(gòu)件。

2 聲振法分類

聲振檢測法具體包括傳統(tǒng)敲擊法、振動阻尼法以及聲阻法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構(gòu)件，敲擊傳出的回聲會因為損傷而改變頻率，即通過敲擊的回聲能夠分析構(gòu)件是否存在損傷。實際生活和工作中經(jīng)常應(yīng)用的具體實例包括用敲擊法檢測鐵軌、用敲擊法挑選西瓜等。

（2）振動阻尼法。對構(gòu)件的膠接架構(gòu)或復(fù)合材料的強度預(yù)測可選取此類方法。對待測構(gòu)件進行外激勵后，檢測構(gòu)件的阻抗水平，檢測構(gòu)件的粘性特點，能夠了解其強度水平。使用不同頻率的激勵，構(gòu)件的所展現(xiàn)的振動特點也存在一定的差異，進而能夠深入探究強度發(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)備來激勵構(gòu)件進行振動，構(gòu)件的阻抗特點反作用于壓電換能設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)槠湄撦d。當構(gòu)件內(nèi)部存在損傷或架構(gòu)、質(zhì)量發(fā)生改變，其阻抗水平也會發(fā)生一定的改變，即換能設(shè)備的負載出現(xiàn)改變。壓電材料傳輸?shù)碾娦盘柨梢愿袘?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 檢測原理

3.1 基礎(chǔ)原理

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

3.2 力錘敲擊力學模型

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

飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫層、裂紋等相關(guān)損傷后，其原本的剛性特點將隨之發(fā)生改變，固有振動頻率（周期）同樣會發(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下降。在敲擊檢測階段，在材料結(jié)構(gòu)存在損傷的條件下，敲擊應(yīng)力的周期會延長，敲擊聲非?！皭灐?，即頻譜存在非常多的低頻成分。以上兩者能夠當作損傷識別的特征參數(shù)，聲振檢測技術(shù)就是基于此原理而設(shè)計出來的。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 設(shè)計概述

本文基于以上聲振檢測技術(shù)的原理，設(shè)計構(gòu)建了一套智能化敲擊檢測系統(tǒng)，具體包含敲擊力錘和拾音器兩個部分，依次對應(yīng)于上述原理的力學以及聲學特征參數(shù)。力錘主要對被測構(gòu)件施加局部激勵，內(nèi)嵌的壓電薄膜傳感設(shè)備會在動態(tài)應(yīng)力的影響下出現(xiàn)變形，傳輸體現(xiàn)力學特點的電壓信號。該信號通過SOC 快速單片機采集，傳輸至上位機Matlab分析平臺。由電容式高靈敏度定向型麥克風組成的拾音器獲取構(gòu)件受激勵情況下發(fā)出的聲音信號。此路信號通過PC 機聲卡傳輸至上位機Matlab 分析平臺，平臺負責對信號展開進一步分析和處理。

4.2 敲擊錘設(shè)計

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)，且機械性能較好、時間穩(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

為了提升敲擊錘的可維護性，所有的構(gòu)件均選用螺栓進行連接，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傳感設(shè)備進行可靠預(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

拾音器的主要元件是電容式高靈敏度定向型麥克風。為了減小外界環(huán)境噪音對整個系統(tǒng)的影響，拾音器設(shè)計基于雙麥克風降噪理論，此理論廣泛運用在諸多類型的手機語音系統(tǒng)內(nèi)。拾音器一般包含兩個高靈敏度的麥克風，且麥克風均為定向型。一個為主麥克風，負責獲取聲音信號；另一個為副麥克風，負責獲取外界的環(huán)境噪聲。整個系統(tǒng)對兩個麥克風獲取的信號進行“相減”處理，進而去除外界噪聲，達到優(yōu)良的降噪效果。

5 檢測技術(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)時間，也能夠通過力信號的時域以及頻域特征進行深入探究。在現(xiàn)實的敲擊階段，運用敲擊力持續(xù)時間進行對比的方法雖然比較實用，但在噪音非常大的條件下所獲取的敲擊力持續(xù)時間就變得十分不精準。因此，可對聲振檢測的理論進行深入研究，選取更加恰當?shù)奶卣髯鳛闄z測依據(jù)。

5.2 敲擊錘的優(yōu)化

在實際的敲擊階段，敲擊力必須保證敲擊方向垂直、敲擊速度恰當，力度穩(wěn)定且不可以產(chǎn)生敲擊“拖尾”等問題，這對敲擊實驗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，因此必須對敲擊的自動化以及智能化展開深入分析。

5.3 檢測儀器的優(yōu)化

由于局部敲擊檢測方法僅對被檢測構(gòu)件的局部進行檢測，因此，要實現(xiàn)對整個構(gòu)件的全面檢測，就需要對構(gòu)件進行逐點檢測。如果全是人工操作，任務(wù)量會顯著提升，因此可以開展檢測機器人的設(shè)計。另外，儀器內(nèi)部可增加數(shù)字信號處理器（Digital Signal Process，DSP），針對敲擊信號的相關(guān)特征值，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，對脫層的大小以及深度進行具體的量化研究。

6 結(jié)語

在現(xiàn)實應(yīng)用過程中，通常需要依照復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸、種類、檢測標準，損傷的種類、大小、區(qū)域、取向，以及檢測設(shè)備的檢測水平等相關(guān)因素進行系統(tǒng)性的分析和判斷，選取幾種差異化的檢測方法進行相互補充。聲振檢測法從產(chǎn)生以來，基于檢測方法便捷、不會損傷被測構(gòu)件且檢測結(jié)果非常精準的優(yōu)勢，已逐漸轉(zhuǎn)變成對復(fù)合材料開展無損檢測的關(guān)鍵方式。本文所提的檢測系統(tǒng)同時應(yīng)用壓電薄膜傳感設(shè)備和拾音器對構(gòu)件開展具體的檢測，通過對聲卡的二次研發(fā)，使其可以在非常低的檢測成本下對復(fù)合材料的損傷進行非常準確的檢測，這對于我國正飛速發(fā)展的復(fù)合材料的無損檢測科技具有非常關(guān)鍵的意義。