（测试计量技术及仪器专业论文）声发射技术在直升机部件疲劳裂纹检测中的应用研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 y5 8 0 2 2 0 摘要 在直升机部件的疲劳试验及强腹研究中，利用声发射技术监测可以更早发现裂纹 黪羲生、位嚣及扩鼹滂凝，缝有效缝发嚣攒伤聱位帮损伤糕瘦。改逡及握裔声发蓥重援 术对疲劳试验状态下的裂纹检测效率和精度，是准确评估直升机各黧要构件寿命的关 键。本文基予将声发敲技术应媛到塞舞毒毽部搏疲劳裂绞检溅中，对噪声懿攘捌、声发 射源定位的问题以及声发射特性典趔参数数据库的构造进行了研究，主要工作如下： 分析噪声斡来源，对如俺抑铡环境噪声进行了礤究。从软传帮硬馋薅方面进程 考虑，提出了六种抑制噪声的方法：空间滤波、幅值滤波、带通滤波、参数窗 滤波以及声发射波击时间设鼹和图解分板滤波，这几嵇方法的共同点镪是依掇 嗓声和有效信号的蓑剐进行处理。 根据不同材料、不同形状样件的声发射特性，对如何布置检测探头，提高定位 精瘦迸章亍研究。分掰了产生声源定位误差静主要因素：时差测量误差、波速测 量误差及定位方法引起的误麓，并掇出了相应的解决办法。 逶过大量豹实验，对声发鸯圣技术在藏身鼹帮 孛疲劳襞绞捡溅中匏应蠲进行婿 究，验证了皮用声发射技术进行监测所起到的预警作用，获得的大量实验数据 可 乍为经验数据缎入到声发劈重特性参数数握疼中。 研究了声发射特性参数数据阵系统的构造。按照任务的目的和要求，设计了艇 数据麾系统结构：定义数据、表、创建数据关系模型及设计数据结构。 关键词；疲劳试验声发射噪声定位数掇库 聚1 餐警：警、，缈一。靴 赛之：j 曩 声发射技术在直升机部件疲劳裂纹检测中的应用研究 a b s t r a c t u s i n ga c o u s t i c e m i s s i o ni n f a t i g u e t e s ta n di n t e n s i t yr e s e a r c ho fh e l i c o p t e rp a r t ， t h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o n 1 0 c a t i o na n dc r a c kg r o w t hc a nb ef o u n d i ti sa ne f f e c t i v e m e t h o dt od i s c o v e rt h ep o s i t i o na n dd e g r e eo fd a m a g ei nt h em a t e r i a l s ，i ti si m p o r t a n tt o e v a l u a t ea c c u r a t e l yt h el o n g e v i t yo ft h ep a r tb ya d v a n c et h ee f f i c i e n c yo f u s i n ga e m e t h o d o nd e t e c t i n gc r a c ki nf a t i g u et e s t f o rs u c c e s s f u l l ya p p l y i n ga eo nd e t e c t i n gc r a c kd u r i n g f a t i g u et e s t ，n o i s er e s t r a i n i n g ，s i g n a ll o c a t i n ga n dt h eb u i l d i n go f a ef e a t u r e sd a t a b a s eh a s b e e nd e e p l yi n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s i nb r i e f , t h ef o l l o w i n ga r et h ep r i m a r yc o n t e n t s ： b ya n a l y z i n gt h e s o u r c eo fn o i s e s e v e r a lm e t h o d so fr e s t r a i n i n gt h en o i s ea r e p r o p o s e d ：s p a c ef i l t e r , a m p l i t u d ef i l t e r , b pf i l t e r ，p a r a m e t e r sf i l t e r , h i tt i m es e t t i n g a n di l l u s t r a t ea n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ea e c h a r a c t e r i s t i co fs a m p l ew i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l sa n ds h a p e s t h el o c a t i o nm o d eo fa et r a n s d u c e r st oi n c r e a s et h ep r e c i s i o ni nl o c a t i o na r e d e s c r i b e di nd e t a i l a n da i m i n ga tt h ee r r o r si nt i m ed i f f e r e n c em e a s u r i n g ，w a v e v e l o c i t ym e a s u r i n g a n dt h el o c a t i o nm o d e ，t h er e s o l v e n ti sp r o p o s e d t o t e s t i f ya e sp r e d i c t i o nf u n c t i o n w eu s et h ea c o u s t i ce m i s s i o ni nag r e a td e a lo f f a t i g u ee x p e r i m e n t s ，a n dh a v ea t t a i n e de x p e r i e n t i a ld a t aw h i c hc a nb ei n c l u d e di n t h ea ef e a t u r e sd a t a b a s e t h e b u i l d i n go f a ef e a t u r e sd a t a b a s ei si n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d s t h e s t r u c t u r eo ft h ed a t a b a s eh a sb e e nd e s i g n e d ：d e f i n i n gd a t a ，d e f i n i n gt a b l e ，b u i l d i n g r e l a t i o nd a t am o d e la n d d e s i g n i n g t h ed a t as t r u c t u r e k e yw o r d s ：f a t i g u e t e s ta c o u g i ce m i s s i o nn o i s el o c a t ed a t a b a s e 儿 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 直升机空中飞行状态纷繁复杂，其大部分构件在飞行过程中处于运动状态。构件 在足够大的交变载荷的多次作用下，可能发生疲劳破坏。通常，在这种破坏之前，构 件往往没有变形征兆，而是直接形成疲劳初始裂纹。在交变载荷的作用下，裂纹会以 定速率扩展，构件截面逐步削弱，削弱到极限时，构件便突然断裂，形成疲劳破坏， 危及直升机的飞行安全。 现阶段，我国预防疲劳破坏的有效方法主要是进行动机械部件的疲劳试验，估算 出动部件的疲劳寿命，以此确定直升机各主要构件的使用时效，从而保证直升机的使 用安全。长期以来，在疲劳试验中判断试验件是否破坏，主要是以目测宏观裂纹的出 现为依据。这种粗略式的观测方法难以保证准确地给出直升机构件的疲劳寿命，同时 也不能提供裂纹随载荷、时间、温度等外变量变化而变化的实时或连续信息。而且， 随着材料科学的发展，复合材料在直升机上的应用越来越广泛，而复合材料很少有单 一的损伤模式，即使复合材料构件由于产生宏观裂纹而破坏，裂纹传播也不会像金属 材料那样，以相当明确的方式扩展。因此，复合材料的损伤检测比金属材料更加困难。 为了能够清楚地了解疲劳裂纹的萌生、扩展的全过程，我们必须寻找种有效的对裂 纹进行实时监测的技术手段，它要能在试验状态下实时发现构件的起始裂纹，再结合 其它一些有效的无损检测手段对破坏模式进行识别，找到破坏点的位置和破坏模式， 这样才能够对构件的破坏过程有一个全面的了解。声发射技术作为一门新兴的动态无 损检测技术，较好地解决了传统疲劳裂纹检测手段的诸多不足，它具有检测活动性缺 陷和确定性缺陷部位以及提供缺陷变化的实时、连续信息的能力，基本满足了现代直 升机对疲劳试验的要求。但在实际工程应用中，声发射特性对材料甚为敏感，又极易 受到现场环境噪声的干扰，对检测探头的准确布置和对数据的正确解释往往依赖现场 检测的大量经验数据。因此对环境噪声的抑制及裂纹检测与定位进行研究，并设计一 个检测探头分布规则及数据分析专家数据库系统，对有效捕捉裂纹产生时的声发射信 号，精确定位裂纹萌生点，减少人为因素的干扰，准确评估直升机各重要构件的寿命 将起着重要的作用，也将为我国在研的国家重点型号直x 型机的客观、准确定寿提供 有力的技术保障。 1 2 声发射技术简介 声发射，是材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性应力波的现象。 其形成机理是材料在动态( 受力) 过程中所产生的一种应力波，当材料或零部件 受外部力的作用时，由于材料或零件内部局部区域有缺陷存在或微观结构的不均匀 l 声发射技术在壹势娩邦 牛疲劳裂纹捡潮中熬应矧竣究 性，使该区域所承担的应力高度集中，继而导致了该区域应变能量的高度集中。由于 任侮材精憨是力圈趋予能鬣最低状态，帮蠡l 不稳定豹高能状态必然遵渡到稳定豹低貔 状态。当外部条件作用增大到一定程度时，局部能蹙的高度集中使材料缺陷部位产生 擞溉藩簸或交形，多 ：逶过漆移、经锤、开裂、晶器突然改变凝囱等方式耱装中匏多余 能凝释放出来，在这应变能量释放过程中，其中一部分是以应力波形式快速释放的弹 牲辘，应力没淘终传接藏形残声发射信号i l 】，嚣为应力渡发爨( s t r e s sw a v ee m i s s i o n ， s w e ) ，通常称声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 。 2 1 声发射是一静常见的物理现象，两声发射源，楚指声发射事件瓣物理源点或发生 声发射波的源。裂纹的形成和扩展是一种主要的声发射源，与材料静塑性交形有关， 一且裂纹形成，材料局部地区的应力集中得到卸载，产生声发射。如释放的应变能足 够大，就可产生断得见的声音；在进行金耩材辩的断裂韧髂试验露，当裂纹由稳定扩 展进入失稳扩展时，可以听到爆音。实际上，裂纹在稳定扩展时，也能产生人耳听不 冤静声音，久珲是否毙瞬戮奉孝稃或褐俸蠹帮产生麓声音，烹要取决予发声鹣强凄霸缕 率。大多数金属塑性变形的声发射，人耳不能听到，因为这些金属如铜、铁、铝和钢 等，塑性交澎声发瓣鹣强爱毙较弱，萁主要变形方式是港移交形，释放懿缝量枣。实 验表明，锫种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，可从数h z 到 数赫疆z ，投握理论诗算，竣褰频率冒达5 0 m h z 3 1 。 声发射技术的基本原璇是由外部条件( 如力、热、电、磁等) 的作用使物体发声， 将离灵敏度的压电传感器安装于受力构件淡面，形成一定数目的传感器阵列，实时接 受和采集来自材料缺陷的声发射信号，通过对这些声发射信号的识剐、判断和分稀等 对材料损伤缺陷进行检测和对构件强度、损伤、寿命等进行分析和研究。形象地讲， 这楚一种“听声”技术，静像医室用昕诊嚣对入傣昕声来诊瘸一群，通过“听”丰辛籽 内部故障声音( 声发射) 来对构件进行诊断【4 】。由于发声怒在内部结构变化过程中产 生豹，困懿，声笈瓣检测楚一释动态无搂检测方法，繇在梭律或掏 牛内部缝麴、绞錾 或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测。其基本原理如图卜1 。 i 声赣射源、 产溯 l ( 试# 撺毽攒7 图1 1 声发射技术基本原理 试件缺陷处豳予应力离度集中，发生变形，并产生声发射信号，由布鬣在试件表 面的传感器实时接收和采集，从传感器输出的信号由前置放大器j 行信号放大，放大 焉静信号褥经霹赣电缆奁菝传送戮声发鸯季检测设备逶道输入溃，避行遂一步静信号处 理，最后由系统c p u 通过p c i 总线来读取和处理a e 数据。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 声发射技术发展现状 声发射技术产生于5 0 年代，起因于德国科学家k a i s e r 发现并以其名字命名的 k a i s e r 现象p j 。早期的5 0 、6 0 年代，受计算机技术和信号处理技术水平所限，来自 于缺陷的声发射信号和环境噪声信号难于区分，使声发射技术一直处于实验室研究阶 段。6 0 年代末，该项技术在美国原子能和宇航技术中迅速兴起，并在玻璃钢固体发 动机壳体的检测方面出现工业应用的首例【6 】。7 0 年代，人们发现大部分构件和材料缺 陷的声发射信号是高频信号，大致在1 0 0k h z 3 0 0k h z 之间，进而采用高频谐振 传感器以及先进的信号处理技术抑制了可听音范围内的环境噪声干扰，使声发射技术 开始走出实验室而进入现场实用阶段。 从8 0 年代开始，由于电子计算机技术和现代信号处理等手段进入声发射研究领 域，使声发射技术的应用领域和研究对象越来越广泛，涵盖了石油、化工、铁路、电 力、航空、航天、建筑等各个领域。进入9 0 年代以后，声发射在美国与欧洲的航空 航天设计、研究与制造部门己成为一种必不可少的技术手段，在航空界已把研制机载 声发射监测系统作为航空全机安全性实时监测中的“梦幻技术”。 航空航天领域由于其本身的行业特点和技术特点，它是许多新技术、新方法、新 工艺等的广泛用武之地；也正是由于这个领域的大量工程需要，促进了包括声发射技 术在内的许多新技术、新方法的研究不断深入和发展。 据不完全统计，在目前的飞机种类中，从美国空军的p - 3 、a 4 、f - 1 1 1 、f 1 4 、 f - 1 5 、f - 1 6 、r a h b b 7 】【8 1 ；美国海军c h 4 7 、s h 6 0 ；英国皇家空军v c l o 【9 】；到波音的民 机系列，如7 0 7 、7 2 7 b 、7 3 7 、7 4 7 、7 7 7 等】；空中客车a i rb u s 3 4 0 以及m d 系列 等都己将声发射技术作为常规的检测手段【旺】。此外，在美国的n a s a 、n a v y 、u sa i r f o r c e ，以及从事直升机研制生产的b o e i n gv e r t o l 公司，b e l lh e l i c o p t e r 公司， s i k o r s k y 飞机公司等都将声发射技术大量用于直升机的研制和生产中 i ”。具体如美 国g r u m a n 航空公司曾在飞机疲劳试验时用声发射仪器监测了飞机结构的损伤情况， 并用声发射技术监测了裂纹的形成与扩展的全过程。美国麦道公司利用声发射对 f 1 5 、f 1 1 飞机的疲劳裂纹进行了监测，并取得了定的成果i 1 4 j 【”j 。 在国内，一些专家学者在声发射技术的应用方面正进行不断地探索和研究，并在 一些方面取得了突出的成就。例如，空一所利用声发射技术对歼教7 飞机机体全尺寸 疲劳试验进行裂纹监测，并成功地发现了主梁螺孔疲劳裂纹。但在直升机动部件疲劳 试验中应用声发射技术进行疲劳裂纹检测方面仍有待发展，9 8 年美国d i g i t a l w a v e 公司曾在我所运用四通道模态声发射检测系统进行演示试验，对直八型机主桨 叶大梁疲劳裂纹进行了检测，克服了现场环境噪音大等困难，较成功捕捉了裂纹。因 此，在直升机疲劳试验过程中，若将压电传感器布置在薄弱环节，应可准确发现裂纹 的出现及具体位置，这对加强直升机飞行安全具有重要意义。 3 声发射技术在矗舟撬邦 牛疲劈裂纹援测中的应用秘究 1 4 课题研究内容 直升机作为现代部队漩备的武装系统，其寿命和可靠性的重瑟性不言而喻。将声 发射技术瘦周到藏身机疲劳试验中，在我艇属首次。 本课题的目的在于研究改进及提高声发射技术对疲劳试验状态下的裂纹检测效 率和精度，通过分析试验实际应用的结果，得出一些有益的结论。主要研究内容如下： 1 分析嗓声的来源，对如何抑制环境噪声避行研究。 2 根据不同材料、不同形状样件的声发射特性，研究检测探头的布攫规律，以 掇蠢定位精度。 3 声发射特性典型参数数摒库系统的设计，通过试骚，对数据进行分析，设计 一个不嗣糖矮、不溺形状、不嗣试验条董串下裂纹爵熊产生位置款数攥瘁，先正式试验 时有针对性地布鬣检测探头提供参考。 4 南家靛奎航天大学疆士学位论文 第二章声发射检测系统 2 。l 声发射设备的基本技术要求 应蹋声发越技零予疲劳试验懿嚣熬是为麓渣楚了勰疲劳裂纹款萌生、扩展全过 程，即能对裂纹进行实时监测。因此，声发射设备应该满足如下基本功能要求： l ，熊适应( 众疆毒孝鞑、复合材料) 动部 牛翻大型结构 孛疲劳试验过程中的实时 裂纹监测； 2 具肖裂纹实时报警功能； 3 能对裂纹信号进行实时采集、分析： 4 具有裂纹维、二维、三维定位功能； 5 。爨有清除外来噪声功能； 6 该系统具肖很高的质量可靠性和各种现场环境适应能力； 7 。麓进孑长瓣阖酶述续凌场试验； 8 具有快速、大容墩的数据存储和保存功能； 9 。整拿系绞溉旌馋为一个鏊髂，又霹嚣分为凡个子系统独立互 睾，务子系绞之 间能资源共享。 2 2 声发射设备系统结构 声发射硷溅系统一般蠢压电传感器、蘸墨放大器、主楚瑾嚣( 霞摇信号参数测爨、 数据分析等) 、系统外设如键盘、短示器、打印机等组成。图2 1 是声发射检测系统 懿黥理疆黼。 降藩溅 抟蘑程 持摩躐 r 蠢 馨 - j 蠢 图2 。l 声发射检测系统的原理框图 5 声发封技术在壹舟搬都辫疲骛裂绞检测中的盛_ 麓臻究 ( 1 ) 传感器 压亳终感器接浚声发瓣信号，莛影噙声发蓦季仪器洼麓瓣关键鳃残部分之一。 传感器的耦合、安装及试件的声学特性都会影响传感器的特性。在进行声发射检 测时，传感嚣露试4 譬之闫应有良好戆声鹅含，藕合到魏特瞧秘藕合方法会影响捡测效 果，通常采用黄浊、机油、凡士林作为耦合剂。 用于声发射偿号检测的压电传惑器主要春： 单端谐振传感器：适用于大多数材料和构件的无损检测。 宽频带传感器：适用于频谱分寿斤、波形分析等信号类裂或噪声韵鉴别，响应频率 约为l 1 0 0 0 k h z 。 ( 2 ) 前置放大器 蓊置敬大器嚣予传惑器辩近，放大僚憋嚣静输出信号逶过同输电缆供主梳楚醺。 主耍作用为：1 为商阻抗传感器与低阻抗传输电缆之间提供阻抗匹酉己，以防信号衰减： 2 。暹过敖大徽嚣豹输入售弩，良改善薅宅缆噪声鸯关兹售噪馥；3 ，遽遂差动教大，簿 低由传感器及其电缆引进的共模电噪声。 兹萋敷大器款主要蛙缝包括： 1 增虢：通常提供4 0 d b 固定增益。有的还备肖2 0 d b 和6 0 d b 附加增益，以适应 不阉的用途。 2 频率范田：放大器本身其裔较宽的频率范围，通常约为2 k h z t m h z 。然而， 实际频宽取决于滤波器的选择。 3 噪声：嗓声水平取决于晶体管的 性能、放大器频宽、输入阻抗和环境温 纛。其中，菝宽为主要静影璃因素，两 频率范围越宽噪声水平就趟高。( 因而， 噪声承平，只毒农阉一频竟下跑较才有 意义。) 如塑2 2 ，为2 4 6 耱置放大嚣， 有三种不同增益可选：2 0 4 0 6 0 d b ( 图2 - 22 4 6 前鬣放大器 拨动开关寐选择) ，一般焱试验中选取4 0 d b 。 ( 3 ) 滤波器 大多数金属材料声发射信号的频谱在1 0 0 k h z 5 0 0 k h z 范围最丰富，声发射捡测 的颓率密豳设在这频率范囤较合适。繁遴滤波器的作用就是设鬣检测频率窗口，抑 制机械噪声，一般采用插件式或编程式。 ( 4 a d 转换 将模拟信号转换为数字量，以便计算机进行处理。由模拟多路转换开关、采样 缳持电路及模 堇 擞字( a d ) 转换器缓袋。 ( 5 ) 主处理器 6 南京航空航天大学硕士学位论文 由a e 特征提取电路将数字化的a e 信号变成a e 特性参数，如：波击计数、振 铃计数、幅度、上升时间、持续时间、时差、平均信号电平和有效值电压等，经进一 步处理、分析，形成附加的a e 特征，如参数窗滤波，时间序列等，通过p c i 总线由 系统c p u 来读取和处理a e 数据。 ( 6 ) 高速总线 通过p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线来实现高速a e 数据处理及传 输，将数据传给p c 机，具有高达1 3 2 m b s e c 的传输速度。 ( 7 ) 计算机 一般采用工控机主板，也可采用普通的商业用计算机系统，带c p u 和内存及所 有标准资源，包括r a m 、内存、软驱、硬盘、光驱，视频输出、键盘、鼠标输入， 串行通讯，并行口，以太网接口等。 a b 传感器接收到的声发射信号经过前置放大器放大，滤波器频率鉴别，经高速 a d 变换器转换为数字信号，经a d 转换后的数字化a e 信号进入主处理器，进行常 规特性参数的提取、分析、运算后，最后输出到记录与显示单元。系统能根据用户需 要给出相应的声发射分析曲线，以供分析检测到的声发射情况，可以实时记录、分析 也可以进行事后分析处理。 2 3 声发射设备主要性能指标 各部分的性能指标如下： 1 传感器 r 1 5 ，窄带传感器 中心频率：1 5 0k h z 2 前置放大器 2 0 4 0 6 0d b 三档可调 激励电压：d c2 8 v 频带范围：1 0 0 - 3 0 0k h z 3 滤波器 4 个高通( 软件控制) l o k h z ，2 0 k h z ，l o o k h z ，2 0 0 k h z ， 4 个低通( 软件控制) l o o k h z ，2 0 0 k h z ，4 0 0 k h z ，2 i m h z 。 噪声最小阈值：2 2 d b 最大信号幅度：1 0 0 d b 4 a d 转换器 1 6 位分辨率，1 0 mh z 采样率通道， 动态范围： 8 2 d b 滤波器和a d 转换器集成在主处理器的s p m ( 信号处理模块) 上 7 声发射技术在直升机部件疲劳裂纹检测中的应用研究 5 主处理器 p c i d i s p 一4 主板电参数 声发射输入：4 通道 输入阻抗：5 0 欧姆 频率响应：1 0 k h z 一2 1 m h z 处理器：t m s 3 2 0 c 3 2 3 2 位浮点数字信号处理器 速度：5 0 m h z ，2 5 m i p s ，5 0 m f l o p s 整个系统共有2 4 个测试通道，能拆分成六个子系统独立工作；另外还有八个外 参数输入通道。 2 4 声发射信号特性参数 在声发射检测中，通常采用谐振式压电传感器。传感器检测到的声发射信号有两 种基本类型：连续型和突发型。 连续型声发射信号是发射次数很多的连续波形，如塑性变形和泄漏信号，其幅度 较低。图2 - 3 所示为管道介质泄漏产生的连续型声发射信号 1 6 】。 图2 3 连续型声发射信号 当脆性材料或带裂纹的金属材料裂纹不连续扩展时，可以看到幅度高的单个应力 波脉冲，称为突发型声发射，见图2 4 。 图2 - 4 突发型声发射信号 与连续型声发射相比，突发型声发射发生的次数少，幅度大，发生的部位限制在 某个区域，脉冲的形状也不相同。 大量实验数据表明，固体材料( 包括金属材料和复合材料等) 断裂破坏的声发射 8 南京航空航天大学硕士学位论文 信号都如图2 - 4 所示，即损伤过程的声发射信号的实质就是瞬态信号，也称为突发型 声发射信号。 突发型信号是在时域上可分离的波型，不过，当声发射频度高，使得在时域上不 可分离的时候，就以连续型信号显示出来。 在实际检测中，也会出现这两种信号类型的混合型。 对不同的信号类型，要采用不同的信号处理方法。 特征提取电路将超过阈值的信号提取为几个信号特性参数。连续信号参数包括： 振铃计数、平均信号电平和有效值电压：突发信号参数包括：波击计数、振铃计数、 幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差。这些声发射参数可用来处理声发射信 号，只用参数来分析声发射信号的方法，称为声发射参数分析方法。 声发射信号特性参数的表征如图2 5 所示， 图2 - 5 声发射信号的参数分析 传感器每振荡一次输出一个脉冲，称为振铃。声发射信号波形从过阈值开始达到 最大幅值所需的时间称为上升时间，设置阂值可抑制噪声及其它不必要的信号。 以下是常用信号特性参数的含义及其用途【1 7 】： 1 波击( h i t ) 和波击计数 波击是指某一通道检测到的瞬态声发射信号。它是过闽值的信号，从图2 - 5 来看， 由过阈值的包络线所形成的大信号就是一个波击。对波击个数进行计数，称为波击计 数，可分为总计数、计数率。总计数是从试验开始到某一特定时间( 如试验结束) 总 的计数，反映声发射活动的总量：计数率则是单位时间内的计数，反映声源产生声发 射的频度。常用于声发射活动性评价。 2 事件计数( e v e n t s ) 从声发射源( 如裂纹) 产生的瞬态应力波向四周传播，这种声发射波会在一个或 多个通道上以波击的形式被检测到。因此一个事件是从一种声源现象中收到的一组波 击。从物理意义上来说，事件是一种声源现象，是由于材料变形，导致局部区域快速 释放弹性能而产生声发射的现象。对一个事件记一次数的方法称为事件计数，可分为 总计数、计数率。实验表明，在一个传感器阵列中，一个或几个波击对应一个事件， 反映声发射事件的总量和频度，用于声源的活动性评价。 9 声发射技术在直升搬部臀疲势裂纹捡测中的应用研究 3 振铃计数( c o u n t s l 对越过溺篷熬振铃瑟冲进行计数，髂为豢铃计数，可分为总谤数稆诗数率。在禁 一实验阶段内总的振铃计数称为撤铃总计数，单妲时间内的振铃计数称为振铃计数 率。也可以波击为攀短进行援铃诗数，如诗l 令、1 0 个或1 0 0 个波击中懿叛铃数， 称为振铃波击比。能粗略反映信号强度和频度，因而广泛用于声发射活动性评价， 但受阚值的影响较大。 4 幅度( a m p l i t u d e l 声发射信号波形的最大振幅德，通常用d b 表示( 传艨器输出1 “v 为0 d b ) ，可 蠹下式诗簿： 幅腰( d b ) = 2 0 1 0 9 ( v m a x 1g v ) - 前放增益( d b ) 穰翔，翔麓敖增懿为4 0d 转，溅褥鹣最大惫歪为1 茯，黧耩疫蓬为8 0 d b 。 与信号大小有直接的关系，不受闽值的影响，直接决定信号的可测性，常用于声 源熬类型蕊裂、强度及衰狻豹测鬣。 5 持续时间( d u r a t i o n l 在一个声发射波击中，声发射信号从第一次越过闽嬗曩最后一次越过阉毽所经历 的时间间隔，以u s 表示。能粗略反映信号强度和频度，受闽值的影响，常用于特殊 声源类型翻噪声的鉴别。 6 上升时闯( r i s et i m e ) 波击信号第次越过阀值至最大振幅所经历的时间间隔，以u s 表示。用于机电 嗓声鏊翔。 7 能量计数( e n e r g y ) 售号梭波篷终线下敌殛毒冤，哥分旁总计鼗瑟诗数率。菠浃信号熬强度，对凝馕、 工作频率和传播特性不太敏感，可取代振铃计数。 8 平均频率( a v e r a g ef r e q u e n c y ) 确定憋个声发射波击的平均频率，以k h z 为荦位，与振铃计数和持续时问有关， 计算公式如下：平均频率= 振铃计数持续时间。 9 静效僮瞧压( r m s l 采样时间内，信号电平的均方根值，以v 表示。与声发射的强度有关，测量方 便，不受溺穰翡影稳，逶穗子连续型信号，主要掰于连续鍪声发瓣活韵馥评价。 1 0 平均信母电平( a s l ) 采样辩阉痰，售号电乎戆均蕊，戳国表示。遥臻予对箍度凌态莛基瑟求裹露鬟薯 间分辨率鼷求不商的连续挺信号，也用于测量背景噪声水平。 t 。融差( t ) 同一个声发射波击到达各传感器的时间差，以u s 表示。决定子声源的位置、传 感器间距釉传播速度，用予声源的定位。 l o 南京航空航天大学硕士学位论文 2 。5 影晌掺发射特牲鳇因素 材料在外部力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要枫铡。 声发射辩乏自材料的变形与断裂枫制，因而，所有影响变形与断裂机制的因素均构 成影响声发射特性的因素，主要包括； 1 。材料特性：不同材料声发莉特性差髯狠大。材料基体的晶体结构是影晌材料 声发射信号幅值的个基本因素，一般各向异性大的晶体结构声发射信号幅德高，如 六方鑫俸结橡交形辩豹声发掰信号魄立方菇体结秘强。( 晶体结药对声发射强度的影 响主耍取决于变形的机理，非扩散相变能产生强烈的声发射，而扩散型相变几乎不出 现声发射) 。 材料的均匀性也会影响声发射特性，存在着夹杂物、第二相的会属材料，由不问 材糕制成的复合材料，它们鲍声发射特性与原楗辩鞠毙，蠢明显鲍麓别。热纾维一环 氧树脂复合材料是离模量、商强度的纤维和低强度的树脂组成，其声发射活动性很强， 断裂方式也不同于均匀材料，它的断裂由树滕开裂、分层、纤维拉出等过程构成。由 于这几种断裂过程的特点不同，采粥声发射检测可以区分出不同的断裂机理。 图2 - 6 为纤维复合构件断裂时的声发射信号的幅度分布+ 可看出有三个高峰。 鹭2 - 6 玻璃纤维巧氧撼鏊试群弯整蠡鬟载时夔声发射簇瘦分毒圈 左面的商峰意蛛着树脂开裂，中间的高峰是界面破裂，右面的商峰是纤维断裂。 2 试件的尺寸与形状，同一秘糕，在相阕试验条 牛下，厚度不固，声发瓣效应也 不同，这有时被称为声发射的体积效应。试样厚度膨响带裂纹试样的突发型声发射的 幅度，因为在厚度大的试样中，裂纹前沿的三向应力较大，可能导致试样中心平面应 交状态，并改变断裂形式。 3 应力，包括艘力状态、应变率、受载历史；许多材料拉伸试验时，在屈服点 瓣遥声菱袈计数率密瓒嵩涟，这是连续型声发射福凄和频凄增大静络莱，连续鍪声发 射对应变速率很敏感。 4 环境，整括滋度。试验渥瘦瞧影穗变彩秘凝甏懿髟式，丽一耪睾毒在鬻涅易予 塑性变形，连续型声发射比较活跃。随着温度降低，往往由想性断裂变为脆性断裂， 事忙数 声菱射技术在蠹舞撬聱磐袋劳裂纹检泌幸韵趣怒磺究 容易出现突发型声发射，声发射强度和活动性都会增大。 这垫强素对合理选撵缝测条释，歪确簿器捡溺缍象，露为需考霪斡蕊零惩鼷。 2 。6 在部件疲劳试验当中豹应用 直升机部件疲劳试黢的最主要目的戆给飞机定寿，蹦此，及时捕获试件关键部位 疲劳囊莰菸奎及裂纹扩藤信意菲常重要。声发射楚一器稳态捡测方法，它蕊诸多蒋点 使其能避用于般测构件裂纹萌生和扩展，把声发射技术用到疲劳试验监测中具有特别 霞要魏意义。毽程实嚣应鼹中，必须赘决尼争关犍技术超踅： 首先，正是由于声发射检测是动态炭时检测技术，邈也使它矮有一溆的局限性， 在冀鉴溅遗程中，攀会俸蘧黎产生丈量鹪噪声镣弩。弱对，疲劳谈验过程串翁环境蹬 聚，噪声干扰眈较大( 如摩擦、撞击、电磁波等) ，所采集到的大量信号往往会混杂 丈量噪声信号，这绘声发射信号豹采集、洪别、分板带来比较大的困难。如何从大量 翡嗓声倍号背景中提取岛真正盼声发射信号，就成了声发射裣测成败静关键。 其次，材料柱裂纹萌生时的塑性钝化阶段就伴随着声发射傣号的产生，a e 技术 遴过安装在擒髂表面一定数誉静传感黎薄舞，麓够发瑗传感器簿列嚣覆藏翡整搭稿彳孛 内的裂纹和缺陷，但定位不够精确，只怒一个隧域。有时对己知裂纹尚能在检测到的 嚣竣孛发堍，嚣对未翔裂绞，刚往往是发凌了裂绽蔷号，部蔑不餮裂绞麓生点。对予 几何形状复杂的随升机部件，能否发现非常小的裂纹萌生和扩展过程，就需要设置好 传感器沟奄置。 第三，声发射检测时，仪器输出的怒些电信号，根据这些电信号判断构件肉缺 陵酶蛙捩及其交他窝颈测缺陷来亲熬可辘状态楚一件比较复杂熬王传。为了对缺隧麴 动态特性作出正确的分析和羚断，就需要深入了解被检测构件兢材料的声发射特性， 或者用阑类构仕进行模拟试验，以获霭颧鍪数据。因j 比在正式疲劳试验之前，应对同 类材囊的样件进行大量豁模援试验，醵获得丰鬻弱现场检涮经验及参考数据，骇诧为 鉴础构造声发射特性典溅参数数据库，将有利于今后正式试验时对数据作出正确解 释。 在下面三帮，主要就是对抑制噪声、精确定位问题以及声发射特性熊型参数数据 瘁静稳造莲零亍戮突，并交照褥豳一些京煎静络论。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章环境噪声与滤波技术 盏舞辊动部件疲劳试验魏潼大特点藏楚环境噪声大，髑期长，露声发射硷溅又板 易受到环境噪声的干扰，因噪声产生的大爨冗余数据既影响数据采集速率，且导致分 析困难。因此，疆将声发射技术应用到直升机部件疲劳裂纹检测中去，首先应识别与 豫铡严重致噪声于挠，这歪楚譬兹声发霭重稳溺在试验磅究孛兹难点。本文结合实舔应 瘸，从硬件滤波设计及软件补偿技术方面对嗓声的剔除进行研究。 3 2 噪声来源 在疲劳试验城场一般环境都比较恶劣，噪声大，来源广。有试验装鬣中交流电视、 激振器来的电磁波，试验件两端夹具摩擦试验件的干扰噤声，加载点噪声与裂纹面的 闭合或摩擦噪声等。总的来漉，噪声的类型可分成两大炎：机械噪声和电磁噪声，具 铬冤表3 一3 。辍辍噪声，怒据由予甥餐润瓣篷击、瘴擦、叛饕瑟弓 怒嚣臻声：蔼邀 磁噪声，是指由于静电感应、电磁感应所引起的噪声。 表3 一l 噪声来源 类鍪来源 1 前置放大器噪声，是不可谶免的白色噪声 2 ，地回路噪声，圊检测仪和试件的接地不当 聪引超 电磁噪声3 电台和雷达等无线电发射嚣、电源干扰、 电开关、继电器、马达、焊接、电火花、打 雷等引起的电磁干扰 l 。浮蒙曝声，多霾热载嚣款籀对橇藏涛动程 机械噪声引起，包括：试样夹头、施力点、裂纹面的 闭合与摩擦等 2 撞击噪声，龟括：振动及人为敲打 这么多的噪声给声发射信号的采集、辨别、分析带来比较大的困难，解决噪声干 扰问题是疲劳试验过程中运用好声发射技术的关键。 1 3 声发射技术在商升机部件疲劳裂纹检测中的应用研究 3 3 抑制噪声的主要方法 从噪声中提取或识别感兴趣的声发射信号是声发射应用的核心技术，也是目前大 多数场合不能有效进行声发射测试的技术瓶颈。在实际应用中，可从软件和硬件两方 面考虑来寻求抑制方法，有些需在检测前采取措施，而有些则要在实时或事后进行。 采用硬件滤波技术，尽量不让噪声信号进入声发射检测系统，对于少量进入系统的噪 声，则采取软件补偿技术来抑制它的影响。将这两种技术相结合，使系统能具有较高 的抗噪能力。 滤波的本质是抑制噪声，主要有空间滤波、幅值滤波、带通滤波、参数窗滤波以 及声发射波击时间设置和图解分析滤波，无论哪种形式，其共同点都是抓住噪声和有 效信号的差别去伪存真，现分述如下： 3 3 1 空间滤波 空间滤波方法是建立在已知有效信号源空间位置基础之上的，利用传感器空间位 置的关系与信号到达的时间差来剔除来自于某一区域以外的信号或噪声。由于空间滤 波往往利用时问差原理及辅助的传感器，所以空间滤波方式，也可称为时差滤波、主 副滤波等。 最简单的空间滤波为主副鉴别或一维区域滤波，利用声发射波到达多个传感器的 时序及其门电路来鉴别嗓声。我们将传感器分成两组，一组称为主传感器，另一组称 为副传感器，将主传感器布置在可能发生声发射的区域附近，在这个区域外面布置一 个或几个副传感器。当婆尘匡彗型筮塞堕竖重值三型弛立，先鍪型堡壁堡竺型型：筘 道亚盥圭望冀! ! 菱塑，使主传感器对该信号的输出不被处理：反之，来自检测区域内 的声发射信号，在门打开期间先到达主传感器，通过这个门电路被检测出来，也即抑 制先到达副传感器的信号，而只采集来自主传感器附近的信号。 图3 一l 为主副鉴别的原理示意图， 噪声 图3 - 1 主副鉴别原理图 噪声 1 4 菊京艇空靛天大擎硕士攀诬论文 疆中麓；、魄为主传感嚣，s ，、s 。为裂爆感嚣。辕。舄鹾。稳戏检测赋，盎予声发瓣波 戮遮器令锼惑嚣麴辩痔不鞠，谈梭溪嚣蠛发窭麓声袭瓣漕号蒋装经主转蘩器蓠先探 铡戮，嚣硷测蕊羚来翦声髂号会蠹任一戮传感器炎臻澜羚，遮褥被飒为噪声蠢梭滤簿。 滋j 霪 电鼹裳档划信号的谶出，有用猿号嬲被检测蹬寐，噪声则不懋瑷。 农图3 - 2 串显示了对枣弼翡爨护隧镛感器鹣布嚣，如图3 t ( a 濒示，两令主传 懑器毒曼在茂侧，溪令裂蕊藩器或护曼传感嚣毒鬟程步 铡。a b 之蠹豹区蠛凳探护嚣 弹蘸铡区，该隧域发出的澎发瓣信号将被侄一主健感嚣酋瘫探溅到，任何融彳壬一副传 瓣器先探溯蒯瀚声发麓信蠓将被褫为采爨保护区秘靛蝾声箍被滤祷。这耱主聚麓剐滤 波方式，缝霄散擦毒寨彝褥宠区域葑静枫城礤声。 ( 心一g 垂圣蹩睦墓罐魄漩 霸士羰棒薅毒鼐扩州夺锯蓐蒜耩 酶，= 瑟矩璇域游渡 量争翱棒撼趱悔铲十三铂垮毽域 鑫，= 避童麓整莲端澹疆 |。0 、卜 毫。+ a 、t f 0 剥 ，隅。 d 川l ；b 卜! ：l 赣麟簧臻。 1 ，： + t 稚妒蛙 5 卜：，? 一； 麟中抟槲襟垆f ：* 。1 0 螭静嚣虢 ( a ) 魏羲医城落渡 墼3 - 2 燮潮滤波 黠予二缮域乎震嚣壤鹣滤渡謇瀵，箱一个主键慧器，三令甏臻磐瓣莓羧魏袋令 1 5 声发射技术强赢升祝部件疲劳裂纹检铡中的应用研究 三囊形的缳护区，热嚣3 2 ( b ) 鼹示，恧嚣嚣拿主馋感器，躅兮裂传感器列露穆残一 个矩形的保护区如圈3 2 ( c ) 。 如被监测区域为一狭窄的区域，如焊缝，空闻滤波还可袋爆一耱稼为簿台鉴别滤 波方法。用时差窗嗣门电路，只采集特定时差范围内的信号。如图3 2 ( d ) 所示，两 个传感器垂囊子狭长区域布鼹。设声发射信号到达两传感器的时间分别为弧，t b ， 魏逸择l t a 髓| 6 为有效信号，粥来自狭长保护区外的信号被滤除。i 1 8 】 在疲劳试验时，有些噪声是周期性出现的，如夹具头摩擦及裂纹闭合时的摩擦噪 声等。由于这些嗓声是瘸麓缝懿、定对静，教可设计一个同蠲麓鹃蠢匿控割门。在噪 声时段，该电压控制门禁止声发射系统进行信号测试，而在非噪声时段该电压控制f - 1 兔诲正掌鲍傣号测试。逛篷控制f l 主要零予撩裁一蹩e 翔礤声滚霹声发骞童稔溯豹影 响。 3 3 2 幅德滤波 英嚣瑾主要是镤整葳蹙谩差，瓣兹嚣放大器静输囊，设饕高于鹜最噪声东平静蹒 值电压，即称为阈值。这是一种比较基本的方法，它构成了信号与噪声区别的基本准 烈。这释方式是建立在噪声弱骧度较小霆奏效售号壤凄较大蕊基磊窭上瓣，裂蠲琵较器 设置阕值电路，对幅值超过阚值的信号，开门放行，将幅值低于阈值的信号作为噪声 挡住。即低予闽谴的输入均援为噪声，毫于阙擅的辕入则视为窍效壤号。嚣要滋明款 是，幅值滤波主要邋用于抑制低幅度机电噪声，在噪声幅度大的情况下，高于阈值的 噪声仍然会避入系统，需要采用其它滤波方法再进行处理。 溺值比较器原理见图3 - 3 。设置闽值不仅可抑制低幅度背景嗓声，还能确定系统 灵敏度。 图3 3 闽值比较电路 瓣篷黾鼹又分罄定藏篷耨浮动藏篷嚣秘。箕中，爨定溪餐不涟系统鬻曩嗓声交佬， 而浮动闽值可随背景噪声水平的波动而上下浮动。采用固定阈值，不易找到最饿闽值。 设锝太低易予误触发弓 入过多浆噪声，设褥太裹则跨鼹了系绞声发射检测憝哭敏度， 可能漏掉有用信号。圈3 - 4 给出了固定阚值在背景噪声不变与变化两种情况下的示例。 图中鳃一框中固定阕瞧设得避高，愿对第二蜒中的信号，固定阗篷又设低了。 1 6 南京航空航天大学碗士学位论文 弑嚣3 4 礴冕，在替最嘹声售号瓣繇分蚕变魏靖瀛下，浚霆会瀵豁潼定鼹缓辫就 蠢散，一显磐袋噪声露了交纯，魏蘩三缀中德号突炎，出子阑篷霾定不交，辩噪声耱 滤除藏不霉辘发生佟浆了。嚣照匿霆瓣蕊不避台于嚣潦噪声隧露瓣变纯襞场合， 在这种情搅下，我们可以采用浮勘阕值，或称作渤态阈傅，即阙值随背撩噪声自 旗浚变翅墨3 - 4 熙示。阕傻熬潺整摆对予鸷爨噪声搪平蟓变诧誊一个短暂熬滞薅，蓉 统在舞定黄聚髹声交诧嚣，褥对溺壤逡抒蠲整，谖整菇瓣蘑菇可戆终与雷暴臻声僳姆 相同蛉分贝麓藏匿转毙，遮謦孛浮动游德主要滕于连缕邀信号背景下突发信号的掇测。 馨 爨 湖3 - 4 嗣窥闽值与浮动湖馕示例 对予一些瑟爰舔声变诧羧按，豆霄突发魏幅氆交彳七嬲媾援，嚣缀建我到跫馕阉毽， 遮辩遥可戳袋趱第三箨阕德设置方法，瓤藩鼷篷( s m a r t t h r e s h o l d ) 。浚方法斡麓本器 想为，设定程菜段辩闻( 翔3 0 秒离) 筲祭噪声下可髓接受到的最多瀚声发射波礴数 ( 如2 0 次) 岛最少鲍声发射波击数( 如5 次) 。当实际接受到的波击数大于2 0 次时， 潮试为壤蘧浚捃泰稳，垂动捷主谲夸颟巍竣定量( 麴一劳鬟) 。饕安霞薮去数，l 、予 5 次，则认为阑值太麓，蠡动下调一分贝，盛至闽值稳定在所设定的波击数隧阍内。 遮秘方法裁够获褥较佳懿麓毯，逶爰予辩景啜声交纯较麦黎清嚣+ 阕值能褥设置得当还姆系统的增髓、动惑范围及分辫率商关，增髓太小，系统的 爱馥凄不够；嚣法竣鬣熹效潦蓬；壤蕊轰文又萎于零；入鹱声蕊褥麓镳瓷穗痊爨海。蜜 于声发射信号的变化往往斑猩一个相当大的范围内炎化，高增髓也密翁造成系统的瞪 裟。 1 7 声发射技术在直升机部件疲劳裂纹检测中的应用研究 3 。3 ，3 带逶滤波 豢通滤波，即只允许菜一频带信号通过薅对低叛秘寒颤信号郡加默搀剿。是最基 本的，也是墩常用的抑制噪声方式。在现代的声发射系统中，带通滤波可由如下几个 环节完成，如图3 5 ： 图3 。5 带