實(shí)驗(yàn)名稱：復(fù)合材料沖擊疲勞試樣的非線性聲學(xué)共振法檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽檠芯繌?fù)合材料中的沖擊疲勞損傷，還展開(kāi)了非線性聲學(xué)共振法的相關(guān)檢測(cè)研究，并將檢測(cè)結(jié)果與振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)相對(duì)比。與振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)方法一樣，非線性聲學(xué)共振法也屬于非經(jīng)典非線性的范疇，其檢測(cè)原理主要是隨著檢測(cè)材料中損傷的日益累積，材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或剛度逐漸降低，使得彈性波發(fā)生畸變，在所激勵(lì)電壓幅值逐漸遞增的情況下，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的共振頻率向左偏移。

測(cè)試設(shè)備：電壓放大器、電荷放大器、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：(a)非線性振動(dòng)聲調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)；(b)復(fù)合材料試樣

上圖1分別為非線性聲學(xué)共振法實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置平臺(tái)以及復(fù)合材料試樣圖。由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)寬頻帶電壓放大器放大后，用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率為3W、電阻為4Ω的揚(yáng)聲器，該揚(yáng)聲器利用石蠟粘接于復(fù)合材料試樣板表面的中心位置處，用來(lái)激勵(lì)檢測(cè)試樣使之產(chǎn)生振動(dòng)，響應(yīng)信號(hào)則由一個(gè)質(zhì)量約為1.6g的微型加速度傳感器捕獲，該加速度計(jì)同樣用石蠟粘接在復(fù)合材料試樣右邊緣28mm處，接收信號(hào)后利用電荷放大器放大，再由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器采集，采樣頻率設(shè)置為10kHz。最后，在計(jì)算機(jī)上對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換信號(hào)處理。同樣的整個(gè)復(fù)合材料板試樣被放置在海綿上以模擬自由邊界條件。

在對(duì)該型號(hào)的復(fù)合材料試樣進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試后，重新將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的掃頻范圍設(shè)置為共振頻率左右各50Hz（掃描長(zhǎng)度為100Hz），并進(jìn)行非線性聲學(xué)共振法檢測(cè)，調(diào)整揚(yáng)聲器的激勵(lì)電壓幅值范圍為52.5V至65.0V，且每2.5V取一點(diǎn)對(duì)試樣進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將復(fù)合材料試樣放置加熱平臺(tái)上加熱以融化石蠟，去除揚(yáng)聲器和加速度傳感器，隨后在試樣板中引入對(duì)應(yīng)的沖擊疲勞損傷，并循環(huán)測(cè)試，直至復(fù)合材料試樣損壞。

下圖2為完好復(fù)合材料試樣板的共振頻率響應(yīng)頻譜，該試樣在各個(gè)振動(dòng)模態(tài)下所對(duì)應(yīng)的頻率分別為720Hz，1360Hz和2350Hz，且在頻率為1360Hz時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)幅值相對(duì)較高，因此為了獲得足夠強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng)，選擇1360Hz作為此次非線性聲學(xué)共振法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的共振頻率f0。

圖2：完好試樣的共振頻率響應(yīng)頻譜

下圖3為完好試樣的非線性聲學(xué)共振響應(yīng)頻譜圖，從圖中可以看出，各個(gè)激勵(lì)電壓下的幅值-頻率曲線能夠被很清晰地分辨出來(lái)，其幅值隨著激勵(lì)電壓的增加而增加，且共振頻率幾乎保持不變。

圖3：完好試樣的非線性聲學(xué)共振譜

下圖4為各個(gè)損傷試樣的非線性聲學(xué)共振測(cè)試頻譜圖，分別對(duì)應(yīng)于為(a)3J沖擊能量下沖擊2800次；(b)4J沖擊能量下沖擊2400次；(c)5J沖擊能量下沖擊1600次；(d)7J沖擊能量下沖擊25次。隨著激勵(lì)電壓的逐漸遞增，幅值-頻率曲線的幅值同樣明顯增加，但與完好試樣不同的是，由于沖擊疲勞損傷的存在，復(fù)合材料試樣的剛度發(fā)生了改變，在激勵(lì)電壓遞增的情況下，其共振頻率出現(xiàn)明顯的左偏現(xiàn)象，且共振頻率變化量(f-f0)隨著激勵(lì)電壓的增大而增大。因此在聲學(xué)共振法檢測(cè)中，可以通過(guò)觀察檢測(cè)試樣接收信號(hào)頻域譜中的共振頻率是否發(fā)生偏移來(lái)判定試樣是否存在損傷。

圖4：損傷試樣的非線性聲學(xué)共振譜：(a)3J沖擊能量下沖擊2800次；(b)4J沖擊能量下沖擊2400次；(c)5J沖擊能量下沖擊1600次；(d)7J沖擊能量下沖擊25次

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

非線性振動(dòng)聲調(diào)制和非線性聲學(xué)共振法檢測(cè)技術(shù)都是基于非經(jīng)典非線性效應(yīng)，并且它們都能夠快速、有效的識(shí)別出碳纖維復(fù)合材料中的沖擊疲勞損傷。隨著沖擊疲勞損傷程度的增加，材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或剛度性能逐步退化，從而使得由損傷引起的額外非線性增加，在聲學(xué)共振法中，在驅(qū)動(dòng)振幅逐漸增大的情況下，其接收信號(hào)頻域譜中的共振頻率發(fā)生向左偏移現(xiàn)象，而振動(dòng)聲調(diào)制則是同時(shí)激勵(lì)低頻振動(dòng)信號(hào)和高頻超聲信號(hào)，在低頻振動(dòng)、高頻超聲波以及損傷缺陷三者之間的相互作用下，其接收信號(hào)頻域譜中產(chǎn)生調(diào)制旁瓣非線性信號(hào)。

由于聲學(xué)共振檢測(cè)法和振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)法的機(jī)理不同，對(duì)傳感器的要求也不同。對(duì)于聲學(xué)共振法而言，通常使用磁致伸縮傳感器[84]和揚(yáng)聲器[92]來(lái)激勵(lì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，明顯的結(jié)構(gòu)振動(dòng)是分析共振頻率變化的必要條件，且不需要較高的激勵(lì)電壓。對(duì)于振動(dòng)聲調(diào)制而言，壓電換能器是最常用的激勵(lì)與接收傳感器，在進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要同時(shí)激勵(lì)低頻振動(dòng)和高頻超聲波，高頻超聲波信號(hào)中正常的激勵(lì)電壓足以滿足振動(dòng)聲調(diào)制的需求，而對(duì)于低頻振動(dòng)信號(hào)，為了獲得足夠強(qiáng)的振動(dòng)響應(yīng)，需要較高的低頻振動(dòng)激勵(lì)電壓，只有在這樣的實(shí)驗(yàn)條件下，損傷區(qū)域處的接觸面才能更頻繁的閉合，增強(qiáng)經(jīng)過(guò)損傷缺陷處高頻超聲波的調(diào)制效應(yīng)，從而使得非線性振動(dòng)聲調(diào)制的檢測(cè)效果更好。

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審核編輯 黃宇