實驗(yan)名稱：復合(he)材料沖擊疲勞試樣(yang)的非線(xian)性(xing)聲學共振法(fa)檢測

　　實驗目(mu)的(de)：為研究復合材(cai)料(liao)(liao)中的(de)沖擊疲(pi)勞損傷，還(huan)展開了非(fei)線性聲(sheng)(sheng)學共(gong)振(zhen)法的(de)相(xiang)關檢測(ce)(ce)(ce)研究，并將(jiang)檢測(ce)(ce)(ce)結(jie)果與(yu)振(zhen)動聲(sheng)(sheng)調制檢測(ce)(ce)(ce)相(xiang)對(dui)比。與(yu)振(zhen)動聲(sheng)(sheng)調制檢測(ce)(ce)(ce)方法一樣，非(fei)線性聲(sheng)(sheng)學共(gong)振(zhen)法也屬于非(fei)經典(dian)非(fei)線性的(de)范疇，其(qi)檢測(ce)(ce)(ce)原理(li)主要是隨著檢測(ce)(ce)(ce)材(cai)料(liao)(liao)中損傷的(de)日益累積，材(cai)料(liao)(liao)結(jie)構的(de)強度(du)或剛度(du)逐漸降(jiang)低，使(shi)得彈性波發(fa)生畸變，在所(suo)激勵(li)電壓(ya)幅值(zhi)逐漸遞增的(de)情(qing)況下，導致材(cai)料(liao)(liao)結(jie)構的(de)共(gong)振(zhen)頻率向左偏移。

　　測試設(she)備：電壓放(fang)大器、電荷放(fang)大器、動態(tai)數(shu)據采集(ji)器、函數(shu)信號發(fa)生器、計算機等。

　　實驗過程：

　　圖(tu)1：(a)非線性振動聲調制實驗裝置系統；(b)復合材料試樣

　　上(shang)(shang)圖1分別為(wei)非線性聲學共振法實驗測試裝(zhuang)置(zhi)平臺以及復(fu)合(he)材料試樣圖。由(you)函(han)數(shu)(shu)信(xin)號(hao)(hao)發(fa)生器(qi)(qi)輸(shu)出一(yi)個正弦波(bo)信(xin)號(hao)(hao)，經過寬頻(pin)帶電壓放大(da)器(qi)(qi)放大(da)后，用(yong)來驅動一(yi)個功率為(wei)3W、電阻為(wei)4Ω的(de)揚聲器(qi)(qi)，該揚聲器(qi)(qi)利(li)用(yong)石蠟粘接(jie)于復(fu)合(he)材料試樣板表(biao)面的(de)中(zhong)心位置(zhi)處(chu)，用(yong)來激勵(li)檢測試樣使之產生振動，響(xiang)應信(xin)號(hao)(hao)則由(you)一(yi)個質量約為(wei)1.6g的(de)微型加速度傳感器(qi)(qi)捕獲，該加速度計同(tong)樣用(yong)石蠟粘接(jie)在(zai)(zai)(zai)復(fu)合(he)材料試樣右邊(bian)緣28mm處(chu)，接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)(hao)后利(li)用(yong)電荷放大(da)器(qi)(qi)放大(da)，再由(you)動態數(shu)(shu)據采集器(qi)(qi)采集，采樣頻(pin)率設置(zhi)為(wei)10kHz。最后，在(zai)(zai)(zai)計算(suan)機(ji)上(shang)(shang)對采集的(de)信(xin)號(hao)(hao)進行(xing)快(kuai)速傅(fu)立葉變換信(xin)號(hao)(hao)處(chu)理。同(tong)樣的(de)整個復(fu)合(he)材料板試樣被放置(zhi)在(zai)(zai)(zai)海綿上(shang)(shang)以模擬自由(you)邊(bian)界條件(jian)。

　　在對(dui)該型號的(de)(de)復(fu)(fu)合(he)材(cai)料試(shi)(shi)(shi)樣(yang)進行(xing)(xing)頻(pin)率響應(ying)測試(shi)(shi)(shi)后，重新(xin)將(jiang)函數(shu)信(xin)號發生器的(de)(de)掃頻(pin)范圍設置為共振頻(pin)率左右各50Hz（掃描長度為100Hz），并進行(xing)(xing)非線性聲(sheng)學共振法檢(jian)測，調(diao)整揚聲(sheng)器的(de)(de)激(ji)勵(li)電壓幅值范圍為52.5V至65.0V，且每2.5V取一點對(dui)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)進行(xing)(xing)重復(fu)(fu)實驗，檢(jian)測實驗結束后將(jiang)復(fu)(fu)合(he)材(cai)料試(shi)(shi)(shi)樣(yang)放置加熱(re)平臺上加熱(re)以融化石蠟，去除揚聲(sheng)器和加速度傳感器，隨后在試(shi)(shi)(shi)樣(yang)板(ban)中(zhong)引入(ru)對(dui)應(ying)的(de)(de)沖(chong)擊疲勞損傷(shang)，并循環測試(shi)(shi)(shi)，直至復(fu)(fu)合(he)材(cai)料試(shi)(shi)(shi)樣(yang)損壞。

　　下圖2為完好復合材(cai)料試樣板的(de)共振頻(pin)(pin)(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)頻(pin)(pin)(pin)譜，該(gai)試樣在(zai)各個振動(dong)模(mo)態下所對(dui)應(ying)的(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分別為720Hz，1360Hz和2350Hz，且(qie)在(zai)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)為1360Hz時(shi)的(de)振動(dong)響(xiang)應(ying)幅值(zhi)相對(dui)較高，因此為了獲得(de)足夠強的(de)振動(dong)響(xiang)應(ying)，選擇1360Hz作為此次非線(xian)性聲學(xue)共振法檢測實驗的(de)共振頻(pin)(pin)(pin)率(lv)f0。

　　圖2：完好試(shi)樣的共(gong)振(zhen)頻率(lv)響應頻譜

　　下圖(tu)(tu)3為完好試樣的非(fei)線性聲學共(gong)振響應頻譜圖(tu)(tu)，從圖(tu)(tu)中可以看出，各(ge)個激(ji)(ji)勵電(dian)壓下的幅(fu)值(zhi)-頻率(lv)曲線能夠被(bei)很清晰(xi)地分辨出來，其(qi)幅(fu)值(zhi)隨著激(ji)(ji)勵電(dian)壓的增加(jia)(jia)而增加(jia)(jia)，且共(gong)振頻率(lv)幾(ji)乎保持不變。

　　圖3：完好(hao)試樣的非線性(xing)聲學共振譜

　　下(xia)(xia)圖(tu)4為各個損傷(shang)試(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)非線(xian)性聲學(xue)(xue)共振測試(shi)頻(pin)(pin)譜(pu)圖(tu)，分(fen)別對(dui)應(ying)于為(a)3J沖(chong)擊能(neng)量(liang)(liang)下(xia)(xia)沖(chong)擊2800次(ci)(ci)；(b)4J沖(chong)擊能(neng)量(liang)(liang)下(xia)(xia)沖(chong)擊2400次(ci)(ci)；(c)5J沖(chong)擊能(neng)量(liang)(liang)下(xia)(xia)沖(chong)擊1600次(ci)(ci)；(d)7J沖(chong)擊能(neng)量(liang)(liang)下(xia)(xia)沖(chong)擊25次(ci)(ci)。隨(sui)(sui)著(zhu)激勵(li)電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)逐漸遞(di)增，幅(fu)值-頻(pin)(pin)率曲線(xian)的(de)(de)(de)幅(fu)值同(tong)(tong)樣(yang)(yang)明(ming)顯(xian)增加(jia)，但(dan)與(yu)完好試(shi)樣(yang)(yang)不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)是，由于沖(chong)擊疲(pi)勞損傷(shang)的(de)(de)(de)存(cun)在，復合(he)材料試(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)剛度發(fa)生(sheng)了改(gai)變，在激勵(li)電(dian)(dian)壓遞(di)增的(de)(de)(de)情況下(xia)(xia)，其(qi)共振頻(pin)(pin)率出(chu)現明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)左偏現象，且共振頻(pin)(pin)率變化(hua)量(liang)(liang)(f-f0)隨(sui)(sui)著(zhu)激勵(li)電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)增大(da)而增大(da)。因此在聲學(xue)(xue)共振法檢(jian)測中(zhong)，可(ke)以通過觀察(cha)檢(jian)測試(shi)樣(yang)(yang)接收(shou)信號頻(pin)(pin)域譜(pu)中(zhong)的(de)(de)(de)共振頻(pin)(pin)率是否發(fa)生(sheng)偏移來判定試(shi)樣(yang)(yang)是否存(cun)在損傷(shang)。

　　圖4：損(sun)傷(shang)試樣的非(fei)線(xian)性聲學共振(zhen)譜(pu)：(a)3J沖(chong)擊(ji)能(neng)量下(xia)沖(chong)擊(ji)2800次(ci)；(b)4J沖(chong)擊(ji)能(neng)量下(xia)沖(chong)擊(ji)2400次(ci)；(c)5J沖(chong)擊(ji)能(neng)量下(xia)沖(chong)擊(ji)1600次(ci)；(d)7J沖(chong)擊(ji)能(neng)量下(xia)沖(chong)擊(ji)25次(ci)

　　實驗結果：

　　非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)振(zhen)(zhen)動(dong)聲調制和非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)聲學(xue)共(gong)振(zhen)(zhen)法檢測技(ji)術(shu)都是基于非(fei)(fei)經(jing)典非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)效(xiao)應，并且它們(men)都能(neng)夠快速、有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)識(shi)別出(chu)碳纖(xian)維復合材料中(zhong)的(de)(de)(de)沖擊疲勞損傷(shang)。隨著沖擊疲勞損傷(shang)程度的(de)(de)(de)增(zeng)加，材料結(jie)構的(de)(de)(de)強度或剛度性(xing)(xing)能(neng)逐步(bu)退化，從而使得由(you)損傷(shang)引起的(de)(de)(de)額外非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)增(zeng)加，在(zai)聲學(xue)共(gong)振(zhen)(zhen)法中(zhong)，在(zai)驅動(dong)振(zhen)(zhen)幅逐漸增(zeng)大的(de)(de)(de)情況下，其接收信(xin)號頻(pin)域譜中(zhong)的(de)(de)(de)共(gong)振(zhen)(zhen)頻(pin)率發生向左(zuo)偏移現象，而振(zhen)(zhen)動(dong)聲調制則(ze)是同時激勵低頻(pin)振(zhen)(zhen)動(dong)信(xin)號和高(gao)頻(pin)超聲信(xin)號，在(zai)低頻(pin)振(zhen)(zhen)動(dong)、高(gao)頻(pin)超聲波(bo)以及損傷(shang)缺陷(xian)三者(zhe)之間的(de)(de)(de)相互(hu)作(zuo)用下，其接收信(xin)號頻(pin)域譜中(zhong)產生調制旁瓣非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)信(xin)號。

　　由于(yu)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)學共振(zhen)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)法和振(zhen)動(dong)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)調制(zhi)(zhi)(zhi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)法的(de)(de)(de)機理不(bu)同(tong)，對(dui)傳感器的(de)(de)(de)要求(qiu)也不(bu)同(tong)。對(dui)于(yu)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)學共振(zhen)法而(er)言，通常使用磁致伸縮傳感器[84]和揚聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)器[92]來激(ji)勵(li)結構(gou)產生振(zhen)動(dong)，明顯的(de)(de)(de)結構(gou)振(zhen)動(dong)是分析(xi)共振(zhen)頻(pin)(pin)率變化的(de)(de)(de)必要條件，且不(bu)需(xu)要較(jiao)高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)激(ji)勵(li)電壓。對(dui)于(yu)振(zhen)動(dong)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)調制(zhi)(zhi)(zhi)而(er)言，壓電換能器是最(zui)常用的(de)(de)(de)激(ji)勵(li)與(yu)接收傳感器，在進行(xing)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)實(shi)(shi)驗(yan)時(shi)需(xu)要同(tong)時(shi)激(ji)勵(li)低頻(pin)(pin)振(zhen)動(dong)和高(gao)(gao)(gao)頻(pin)(pin)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波，高(gao)(gao)(gao)頻(pin)(pin)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波信號中正常的(de)(de)(de)激(ji)勵(li)電壓足以(yi)滿足振(zhen)動(dong)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)調制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)需(xu)求(qiu)，而(er)對(dui)于(yu)低頻(pin)(pin)振(zhen)動(dong)信號，為(wei)了(le)獲得(de)(de)足夠強的(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)響應，需(xu)要較(jiao)高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)低頻(pin)(pin)振(zhen)動(dong)激(ji)勵(li)電壓，只有在這(zhe)樣的(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗(yan)條件下(xia)，損傷區域處的(de)(de)(de)接觸面才(cai)能更頻(pin)(pin)繁的(de)(de)(de)閉合，增強經(jing)過(guo)損傷缺陷(xian)處高(gao)(gao)(gao)頻(pin)(pin)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波的(de)(de)(de)調制(zhi)(zhi)(zhi)效(xiao)應，從而(er)使得(de)(de)非線性振(zhen)動(dong)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)調制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)效(xiao)果更好。

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　　圖：指標參數

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