CN105424799A - 一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法，涉及复合材料层压板微小开裂监测领域。利用不同频率两列超声波同时加载到复合材料层压板，对接收信号分析处理后，可快速找出非线性声学特征参数，解决现有板复合材料层压板中的微小开裂识别能力不高的问题。本测试***包括任意波形发生器、换能器阵列、数字信号示波器、计算机、被测复合层压板、五根数据传输线。计算机将两列不同频率超声波加载到任意波形发生器上，任意波形发生器同时将信号加载到发射换能器阵列，利用接收换能器信号，经示波器显示存储后传给计算机，对信号进行分析，找出超声波信号与复合层压板中开裂相关的非线性特征参数。本发明适用于对复合材料层压板中开裂的监测。

Description

一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法
技术领域
本发明涉及的是复合材料层压板微小开裂的监测领域，具体涉及一种基于非线性声学特征参数监测复合材料层压板微小开裂的方法。
背景技术
复合材料层压板一般都是由两种以上的材料组合而成的，成型过程工序繁多，外加使用环境复杂多变，极易产生基体开裂、纤维断裂等裂纹，为保证其安全使用，对复合材料层压板结构状况进行监测十分必要。主动结构监测指通过驱动器对结构施加主动激励信号，通过传感器接收结构的响应信号，并对响应信号进行结构***特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。超声导波具有良好的穿透性并能与缺陷或损伤发生相互作用。它具有沿传播路径衰减小，传输距离远，引起质点振动能遍及构件内部和表面的特点，在平面等大型构件的监测中表现出更大的优势。然而，目前超声波监测方法中，主要是利用一些线性声学参量如声压、声速等来实现对被测介质的结构监测，虽然简化了分析过程，但是对于复合材料层压板结构中的微小裂纹尤其是刚刚出现疲劳损伤的监测，往往难以得到令人满意的结果，从而降低了它的准确度和灵敏性。非线性声波对于固体介质中的缺陷有很高灵敏度，利用超声波非线性声学特征来监测板型结构中微小疲劳裂纹的能力优于线性声学检测方法，而对于复合材料层压板的固体结构，由于它结构的特殊性，层介质结构中的非线性声学特征与它的弹性系数有密切关系，一般可以用三阶弹性系数来描述，通过测量三阶弹性系数，可对板材中的疲劳损伤提供信息，但由于复合材料层压板结构中的三阶弹性系数直接测量，难度非常大。后来，有科学家分别从连续介质模型和离散的模型中，推导出固体介质的弹性系数与非线性声学系数的关系，得到了一维非线性波动方程，并通过超声非线性系数β来表征固体材料的微观结构变化情况，由于方程中各阶谐波是交叉的，边界条件也有交叉项，这使得非线性声学系数β数学计算非常困难，求解也相当繁重。而且，非线性声学理论目前尚不明确，非线性系数β尚不能对复合材料层压板中的裂纹提供准确的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法，目的在于解决现有板复合材料层压板中的微小开裂识别能力不高，同时避免了非线性超声在复合材料层压板构件中传播时的复杂特性所带来的应用局限性，简化了非线性声学特征参数提取方法。利用激发不同频率的超声信号，实现由于复合材料层压板纤维开裂等原因形成的微小开裂的精准监测。
一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法测试***包括任意波形发生器、换能器阵列、数字信号示波器、计算机、五根数据传输线和被复合材料层压板，所述的换能器阵列，由三个压电换能器组成，其中两个发射换能器，一个为接收换能器，数字信号示波器可以实时接收并存储接收换能器采集的信号，数字信号示波器的信号输出端通过同轴数据传输线与计算机的信号输入端电气连接，计算机的控制信号输出端通过同轴数据传输线与任意波形发生器的控制信号输入端电气连接，通过计算机控制任意波形发生器输出信号的波形和频率，任意波形发生器的信号输出端即第一个输出通道通过同轴数据传输线与第一个发射换能器的信号输入端相连接，第二个输出通道通过同轴数据传输线与第二个发射换能器的信号输入端相连接，两个发射换能器与被复合结构层压板连接。
换能器阵列即第一发射换能器、第二发射换能器和接收换能器均为同型号同材质的压电晶体，所述的换能器阵列谐振频率为1.6MHz，通过环氧树脂与被测复合材料层压板垂直耦合。
任意波形发生器的通道包括输入通道和输出通道，所述的输入通道是可以通过计算机把波形信号下载到任意波形发生器中，所述的输出通道为四个独立通道，可以同时选择不同频率的发射信号，本发明仅用其中第一输出通道和第二输出通道。
任意波形发生器所产生的两列超声波脉冲波的中心频率分别为80kHz和300kHz，并且同时分别加载到第一发射换能器和第二发射换能器。
一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法包括以下步骤：
步骤一、通过计算机中程序编写的两列超声波信号下载到任意波形发生器中，两列超声波信号的中心频率分别为80kHz和300kHz，波形均设为猝发正弦波；
步骤二、计算机向任意波形发生器发出控制信号，启动任意波形发生器；
步骤三、任意波形发生器第一个输出通道发出80kHz的猝发正弦波，通过第一同轴数据传输线加载到第一发射换能器上；同时第二个输出通道发出300kHz的猝发正弦波，通过第二同轴数据传输线加载第二发射换能器上；
步骤四、利用接收换能器接收被测复合材料层压板中的波形信号，并通过同轴数据传输线同步传给数字信号示波器，数字信号示波器对接收的信号进行显示和存储，同时通过信号输出端同轴数据传输线发送给计算机，进行分析处理；
步骤五、计算机对接收的信号进行存储和分析，找出复合材料层压板中相关的非线性声学特征参数，对裂纹进行监测识别。
有益效果：声波在非线性介质中传播时，会产生不同程度的波形畸变。典型的现象就是当单一频率的声波在介质中传播时，会产生高阶谐波现象。对于复合材料层压板来说，若在有限幅度条件下，产生二次谐波并不容易，产生二阶谐波的条件：在幅度一定条件下，提高声波激励频率，而激励频率越高，声波的能量衰减也越大，进而导致利用二阶谐波来评价材料损伤程度并不理想。当复合材料层压板中存在多个波动的位移场时，非线性介质中出现有趣的现象即不同频率波之间的调制现象。非线性调制现象是材料非线性的另一种表现形式，在时域上，表现为非线性调幅现象；在频谱上，则会表现为能量的重新分布。对于内部出现微小开裂的材料，非线性调制现象很明显，因此有利于复合材料层压板微小开裂的识别，而且避免解析非线性波导方程的复杂性，简化了非线性声学特征参数提取方法。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法测试***示意图。
图2是接收到的超声信号的时域信号图。
图3是接收到的超声信号的频域信号图。
图4是复合材料层压板中裂纹开闭引起的声波调幅现象。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法测试系包括任意波形发生器1、第一发射换能器2、第二发射换能器3、接收换能器4、数字信号示波器5、计算机6、被测复合材料层压板7、第一同轴数据传输线8、第二同轴数据传输线9、第三同轴数据传输线10、第四同轴数据传输线11和第五同轴数据传输线12，，所述的换能器阵列，由三个压电换能器组成，其中两个发射换能器即第一发射换能器2、第二发射换能器3和一个为接收换能器4组成，数字信号示波器5可以实时接收并存储接收换能器采集的信号，数字示波器5可以实时接收并存储接收换能器4采集的信号，数字示波器5的信号输出端通过同轴数据传输线11与计算机6的信号输入端电气连接，计算机6的控制信号输出端通过同轴数据传输线12与任意波形发生器1的控制信号输入端电气连接，通过计算机6控制任意波形发生器1输出信号的波形和频率，任意波形发生器1的信号输出端即第一个输出通道通过同轴数据传输线8与第一个发射换能器2的信号输入端相连接，第二个输出通道通过同轴数据传输线9与第二个发射换能器3的信号输入端相连接，发射换能器2和发射换能器3与被测复合材料层压板7连接。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法的区别在于，换能器阵列即第一发射换能器2、第二发射换能器3和接收换能器4均为同型号同材质的压电晶体，所述的换能器阵列谐振频率为1.6MHz，通过环氧树脂与被测复合材料层压板7垂直耦合。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法的区别在于，任意波形发生器1的通道包括输入通道和输出通道，所述的输入通道是可以通过计算机6把波形信号下载到任意波形发生器1中，所述的输出通道为四个独立通道，可以同时选择不同频率的发射信号，本发明仅用其中第一输出通道和第二输出通道。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法的区别在于，任意波形发生器1同时发出的超声波信号分别为80kHz和300kHz脉冲猝发正弦波，并且同时分别加载到第一发射换能器2和第二发射换能器3。
本实施方式中，声波在非线性介质中传播时，会产生不同程度的波形畸变。典型的现象就是当单一频率的声波在介质中传播时，会产生高阶谐波现象。对于复合材料层压板来说，若在有限幅度条件下，产生二次谐波并不容易，产生二阶谐波的条件：在幅度一定条件下，提高声波激励频率，而激励频率越高，声波的能量衰减也越大，进而导致利用二阶谐波来评价材料损伤程度并不理想。当复合材料层压板中存在多个波动的位移场时，非线性介质中出现有趣的现象即不同频率波之间的调制现象。非线性调制现象是材料非线性的另一种表现形式，在时域上，表现为非线性调幅现象；在频谱上，则会表现为能量的重新分布。对于内部出现微小开裂的材料，非线性调制现象很明显，因此有利于复合材料层压板微小开裂的识别，而且避免解析非线性波导方程的复杂性，简化了非线性声学特征参数提取方法。
具体实施方式五、基于具体实施方式一所述的本具体实施方式包括以下步骤：
步骤一、通过计算机6中程序编写的两列超声波信号下载到任意波形发生器1中，两列超声波信号的中心频率分别为80kHz和300kHz，波形均设为猝发正弦波；
步骤二、计算机6向任意波形发生器1发出控制信号，启动任意波形发生器1；
步骤三、任意波形发生器1第一个输出通道发出80kHz的猝发正弦波，通过第一同轴数据传输线8加载到第一发射换能器2上；同时第二个输出通道发出300kHz的猝发正弦波，通过第二同轴数据传输线9加载第二发射换能器3上；
步骤四、利用接收换能器4接收被测复合材料层压板7中的波形信号，并通过同轴数据传输线10同步传给数字信号示波器5，数字信号示波器5对接收的信号进行显示和存储，同时通过信号输出端同轴数据传输线11发送给计算机6，进行分析处理；
步骤五、计算机6对接收的信号进行存储和分析，找出非线性声学信号与微小开裂相关的特征参数，对裂纹进行监测识别。
本实施方式中，对厚度5mm、长度900mm、宽度900mm,含有2mm纤维开裂的复合材料层压板进行监测，所得到时域信号波形图，如图2所示；频域信号波形如图，如图3所示。
本发明的基本原理是：
当复合材料层压板介质中存在微小裂纹时，其整体力学性能可用材料的非线性本构关系或损伤力学来描述，当复合材料层压板出现开裂、粘结脱离等时，其非线性特性由于裂隙上的接触问题而变得十分复杂。在外部波动的应力作用下，材料内部将出现交界面，并且会改变接触面的形态，导致材料出现非线性响应。可用一种简单的物理解释为：质点在振动过程中，裂纹的开闭状态将取决于加载条件和振动幅值。当加载在被测复合材料层压板的静态变形比振动幅值大得多时，裂纹将总保持相同状态，即开裂纹或闭合裂纹。而当加载的静态变形远小于振动幅值时，裂纹的开闭条件将仅取决于振动幅值的大小，此时裂纹将出现张开与闭合的交替状态，如图4所示，裂纹张开与闭合改变了波的传播，当裂纹张开时，声波的幅值衰减较大，当裂纹闭合时，裂纹对声波幅值影响相对较小。而当被测介质中没有任何裂纹时，也就是各向同性时，声波将不会出现明显的调制现象，也就非线性声学特征非常微弱，差频波与和频波的峰值幅度很难监测到。
结合具体的公式，当复合材料层压板介质中存在裂纹时，在外加超声场的作用下，当裂纹所受到的法向应力与外部应力作用方向一致时，由于裂纹的体积会随应力的大小发生微小的改变，此时在介质中的缺陷会产生拉伸或压缩的状态，假设这种接触类似于一弹簧，裂纹上的内力为：
Δσ=E(p)p(1)
此处p=u+-u-，为裂纹两侧之间相对变形。将E(p)表示成一阶泰勒级数形式
E(p)=E0+αp(2)
则有
Δσ=E0 p+αp 2 (3)
式中：α代表了材料开裂后的非线性，与前述非线性系数相似，它描述了张开板材介质材料在缺陷上产生非线性效应，是表征材料退化定量化参数。
在存在微小裂纹的复合材料层压板中，长度为L，裂纹的法向与复合层压板的纵向平行，裂纹的位置为x0。沿复合材料层压板纵向输入频率为ω1和ω2的(ω2>ω1)两超声信号，所产生的复合材料层压板的位移场分别为
u 1 (x,t)=U1(x)cosω 1 t(4)
u 2 (x,t)=U2(x)cosω 2 t(5)
若裂纹有效体积为，半径为R，如果它们与发射的超声波波长相比很小，可进一步假设裂纹存在对应力和应变场的影响很小。由于外在声波的作用，裂纹处的体积会发生改变，即
(6)
将式(6)代入式(3)，给出由于差频超声信号与裂纹的作用产生的内应力
(7)
从式7中不难看出，两列不同频率的超声波在有缺陷的复合材料层压介质中传播时，除了声源激励信号频率ω1和ω2之外，将会产生调制频率成分ω1±ω2，ω1±ω2可作为超声波识别复合材料层压板中微小裂纹的非线性特征参数。

Claims (5)

1.一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法，其特征在于,测试系包括任意波形发生器(1)、第一发射换能器(2)、第二发射换能器(3)、接收换能器(4)、数字信号示波器(5)、计算机(6)、被测复合材料层压板(7)、第一同轴数据传输线(8)、第二同轴数据传输线(9)、第三同轴数据传输线(10)、第四同轴数据传输线(1)1和第五同轴数据传输线(12)，所述的换能器阵列，由三个压电换能器组成，其中两个发射换能器即第一发射换能器(2)、第二发射换能器(3)和一个为接收换能器(4)组成，数字信号示波器(5)可以实时接收并存储接收换能器采集的信号，数字示波器(5)可以实时接收并存储接收换能器(4)采集的信号，数字示波器(5)的信号输出端通过同轴数据传输线(11)与计算机(6)的信号输入端电气连接，计算机(6)的控制信号输出端通过同轴数据传输线(12)与任意波形发生器((1)的控制信号输入端电气连接，通过计算机(6)控制任意波形发生器(1)输出信号的波形和频率，任意波形发生器(1)的信号输出端即第一个输出通道通过同轴数据传输线(8)与第一个发射换能器(2)的信号输入端相连接，第二个输出通道通过同轴数据传输线(9)与第二个发射换能器3的信号输入端相连接，发射换能器(2)和发射换能器(3)与被测复合材料层压板(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法，其特征在于，换能器阵列即第一发射换能器(2)、第二发射换能器(3)和接收换能器(4)均为同型号同材质的压电晶体，所述的换能器阵列谐振频率为1.6MHz，通过环氧树脂与被测复合材料层压板7垂直耦合。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法，其特征在于，任意波形发生器(1)的通道包括输入通道和输出通道，所述的输入通道是可以通过计算机(6)把波形信号下载到任意波形发生器(1)中，所述的输出通道为四个独立通道，可以同时选择不同频率的发射信号，本发明仅用其中第一输出通道和第二输出通道。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法，其特征在于，任意波形发生器(1)所产生的两列超声波脉冲波的中心频率分别为80kHz和300kHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过计算机(6)中程序编写的两列超声波信号下载到任意波形发生器(1)中，两列超声波信号的中心频率分别为80kHz和300kHz，波形均设为猝发正弦波；
计算机(6)向任意波形发生器(1)发出控制信号，启动任意波形发生器(1)；
任意波形发生器(1)第一个输出通道发出80kHz的猝发正弦波，通过第一同轴数据传输线8加载到第一发射换能器(2)上；同时第二个输出通道发出300kHz的猝发正弦波，通过第二同轴数据传输线(9)加载第二发射换能器(3)上；
利用接收换能器(4)接收被测复合材料层压板(7)中的波形信号，并通过同轴数据传输线(10)同步传给数字信号示波器(5)，数字信号示波器(5)对接收的信号进行显示和存储，同时通过信号输出端同轴数据传输线(11)发送给计算机(6)，进行分析处理；计算机(6)对接收的信号进行存储和分析，找出非线性声学信号与微小开裂相关的特征参数，对裂纹进行监测识别。
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