基于声振法的飞机复合材料构件损伤检测技术研究

赵贵强

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710000）

0 引言

复合材料具有非常高的强度以及刚度，具备优良的抗腐蚀效果，在航空航天等相关行业内应用非常广泛。飞机复合材料属于非常复杂的多相体系，而且其结构和成形同时完成。在成形阶段，存在许多不稳定因素可能导致复合材料的结构出现问题。飞机在应用阶段中，复合材料整体架构会遭受载荷的影响，人为因素以及环境因素等均可能导致损伤问题的出现。因此，深入分析飞机复合材料构件损伤的种类和相关检测、评估方法，对于确保飞机稳定高效运行非常关键[1]。

飞机的设计、生产与材料技术存在非常密切的联系。复合材料因为具备可设计性强、抗腐蚀效果好和便于成型等优势，在飞机生产过程中的运用越来越普遍。然而，由于此类原料的各向异性等特征，其损伤原理、失效类型及修理方法等都与金属等原料存在明显的差异，进而导致无法便捷、经济地对其开展损伤检测[2]。因此，如何完成对复合材料迅速、精准的无损检测，目前仍然是相关研究的重点内容。

复合材料具备不均匀、损伤类型复杂以及生产技术难度高等特征，在生产和应用阶段中无法避免地会产生纤维损伤、脱粘及分层等问题，因此对飞机复合材料构件的无损检测已逐渐发展成确保飞行安全的不可缺少的内容。现在，对复合材料的无损检测方法具体包含超声法、X 射线法、声发射法以及超声检测法等[3-4]。此类应用较为普遍的无损检测法存在显著的局限性，比如，超声检测法难以精准检测薄板内的缺陷问题，X 射线法在检测分层过程中存在显著的限制，微波检测法难以检测出微小的问题，声发射法在检测的过程中需要将构件放置在固定的压力条件下，这对于部分成品构件以及已装配完成的构件而言是不现实的。而且，部分方法对人身存在严重的危害，操作人员需要进行专业化培训。因此，对飞机复合材料损伤的检测方法的深入分析和多元化创新得到了许多学者的关注。

1 飞机复合材料构件损伤分析

构件从生产到应用阶段，可能会出现许多类型的问题以及损伤。复合材料在生产阶段出现损伤的关键性原因具体包括原材料问题、固化阶段管控不当、铺层问题、混入无关成分以及脱模方式不合理等。损伤具体包括气孔、界面分离、夹杂物及固化不合理等。在飞机应用阶段，操作不当、外物撞击，冰雹、腐蚀等均属于导致损伤的关键性因素。损伤的形式具体包含裂缝、凹陷、穿透损伤以及表层氧化等。依据飞机复合材料构件损伤的严重水平，可以将其划分为允许、可修理以及不可修理3种损伤。允许损伤具体指的是基本不会影响飞机结构性能以及安全性的轻微损伤，判断结构件是否属于允许损伤的范围和规范，需要参考相关机型的修理手册的相关条款。对于可允许损伤，需要依照现实情况明确是否可以修理。假如允许损伤存在扩展的可能性，可能导致构件的强度降低并导致使用年限下降，则需要在要求的周期内完成修复工作。一般对允许损伤进行简单的修理，避免允许损伤问题变得更加严重。可修理损伤具体指的是严重水平超出了允许损伤的范围，导致结构的强度等降低的损伤[5]。不可修理损伤具体指的是超过可修理范围的损伤，对此只能重新更换损伤的材料构件。

2 声振法分类

声振检测法具体包括传统敲击法、振动阻尼法以及声阻法3 种方法[6]。

（1）传统敲击法。应用棒、硬币或者弹性手柄等不断敲击待测构件，敲击传出的回声会因为损伤而改变频率，即通过敲击的回声能够分析构件是否存在损伤。实际生活和工作中经常应用的具体实例包括用敲击法检测铁轨、用敲击法挑选西瓜等。

（2）振动阻尼法。对构件的胶接架构或复合材料的强度预测可选取此类方法。对待测构件进行外激励后，检测构件的阻抗水平，检测构件的粘性特点，能够了解其强度水平。使用不同频率的激励，构件的所展现的振动特点也存在一定的差异，进而能够深入探究强度发生改变的原因。

（3）声阻法。此方法选取压电原料的换能设备来激励构件进行振动，构件的阻抗特点反作用于压电换能设备，转变为其负载。当构件内部存在损伤或架构、质量发生改变，其阻抗水平也会发生一定的改变，即换能设备的负载出现改变。压电材料传输的电信号可以感应出相应的改变，通过放大以及滤波等操作，就能够分析物件是否存在损伤。

3 检测原理

3.1 基础原理

常规的声振检测法仅可以对被测构件开展粗略的测量，一般由检测者使用硬币、小锤等相关工具对被检测构件进行适当的敲击。而现代化的数字敲击检测主要是运用压电传感设备获取被测构件的振动特点，从而对信号开展分析，完成对被测构件的损伤检测。由于去除了主观限制因素，因此更加客观、方便，测量结果也更加精准。

3.2 力锤敲击力学模型

假设飞机复合材料存在稳定的刚性特点，激振完成后的自由振动主要受复合材料被测物自身的品质以及材质特点的影响。检测的过程中，敲击可以理解为对被测构件的瞬态激励阶段[7]。

飞机复合材料结构出现脱层、裂纹等相关损伤后，其原本的刚性特点将随之发生改变，固有振动频率（周期）同样会发生相应的改变。基于以上推导的敲击模型，由于损伤部位刚度持续降低，周期则不断增大，损伤缺陷位置的固有频率会下降。在敲击检测阶段，在材料结构存在损伤的条件下，敲击应力的周期会延长，敲击声非常“闷”，即频谱存在非常多的低频成分。以上两者能够当作损伤识别的特征参数，声振检测技术就是基于此原理而设计出来的。

4 系统设计

4.1 设计概述

本文基于以上声振检测技术的原理，设计构建了一套智能化敲击检测系统，具体包含敲击力锤和拾音器两个部分，依次对应于上述原理的力学以及声学特征参数。力锤主要对被测构件施加局部激励，内嵌的压电薄膜传感设备会在动态应力的影响下出现变形，传输体现力学特点的电压信号。该信号通过SOC 快速单片机采集，传输至上位机Matlab分析平台。由电容式高灵敏度定向型麦克风组成的拾音器获取构件受激励情况下发出的声音信号。此路信号通过PC 机声卡传输至上位机Matlab 分析平台，平台负责对信号展开进一步分析和处理。

4.2 敲击锤设计

4.2.1 传感器选取

敲击锤的主要构件是压电传感设备。通常选取的压电原料包括压电晶体和压电陶瓷两类，均具备较高的压电常数，且机械性能较好、时间稳定性好。然而，由于压电式传感设备的固有频率与压电原料的厚度存在反比关系，因此本文选取压电薄膜传感设备获取初始应力特征参数，提升传感设备的频率上限。

4.2.2 敲击锤三维设计

为了提升敲击锤的可维护性，所有的构件均选用螺栓进行连接，便于后续的拆卸和构件换新。传感器放置区域两侧的材料选择螺栓连接的形式对传感设备进行可靠预紧，保证压电传感设备具有较高的灵敏度和优良的频率响应。

4.2.3 拾音器设计

拾音器的主要元件是电容式高灵敏度定向型麦克风。为了减小外界环境噪音对整个系统的影响，拾音器设计基于双麦克风降噪理论，此理论广泛运用在诸多类型的手机语音系统内。拾音器一般包含两个高灵敏度的麦克风，且麦克风均为定向型。一个为主麦克风，负责获取声音信号；另一个为副麦克风，负责获取外界的环境噪声。整个系统对两个麦克风获取的信号进行“相减”处理，进而去除外界噪声，达到优良的降噪效果。

5 检测技术的优化方向

5.1 声振法优化

局部敲击理论具体主要分析敲击力的持续时间，也能够通过力信号的时域以及频域特征进行深入探究。在现实的敲击阶段，运用敲击力持续时间进行对比的方法虽然比较实用，但在噪音非常大的条件下所获取的敲击力持续时间就变得十分不精准。因此，可对声振检测的理论进行深入研究，选取更加恰当的特征作为检测依据。

5.2 敲击锤的优化

在实际的敲击阶段，敲击力必须保证敲击方向垂直、敲击速度恰当，力度稳定且不可以产生敲击“拖尾”等问题，这对敲击实验工作者的要求非常高。敲击的误操作很可能导致误判断问题的产生，因此必须对敲击的自动化以及智能化展开深入分析。

5.3 检测仪器的优化

由于局部敲击检测方法仅对被检测构件的局部进行检测，因此，要实现对整个构件的全面检测，就需要对构件进行逐点检测。如果全是人工操作，任务量会显著提升，因此可以开展检测机器人的设计。另外，仪器内部可增加数字信号处理器（Digital Signal Process，DSP），针对敲击信号的相关特征值，运用神经网络等方法，对脱层的大小以及深度进行具体的量化研究。

6 结语

在现实应用过程中，通常需要依照复合材料构件的尺寸、种类、检测标准，损伤的种类、大小、区域、取向，以及检测设备的检测水平等相关因素进行系统性的分析和判断，选取几种差异化的检测方法进行相互补充。声振检测法从产生以来，基于检测方法便捷、不会损伤被测构件且检测结果非常精准的优势，已逐渐转变成对复合材料开展无损检测的关键方式。本文所提的检测系统同时应用压电薄膜传感设备和拾音器对构件开展具体的检测，通过对声卡的二次研发，使其可以在非常低的检测成本下对复合材料的损伤进行非常准确的检测，这对于我国正飞速发展的复合材料的无损检测科技具有非常关键的意义。