實驗名稱：復(fù)合材料沖擊疲勞試樣的非線性聲學(xué)共振法檢測

實驗?zāi)康模簽檠芯繌?fù)合材料中的沖擊疲勞損傷，還展開了非線性聲學(xué)共振法的相關(guān)檢測研究，并將檢測結(jié)果與振動聲調(diào)制檢測相對比。與振動聲調(diào)制檢測方法一樣，非線性聲學(xué)共振法也屬于非經(jīng)典非線性的范疇，其檢測原理主要是隨著檢測材料中損傷的日益累積，材料結(jié)構(gòu)的強度或剛度逐漸降低，使得彈性波發(fā)生畸變，在所激勵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。

測試設(shè)備：電壓放大器、電荷放大器、動態(tài)數(shù)據(jù)采集器、函數(shù)信號發(fā)生器、計算機等。

實驗過程：

圖1：(a)非線性振動聲調(diào)制實驗裝置系統(tǒng)；(b)復(fù)合材料試樣

上圖1分別為非線性聲學(xué)共振法實驗測試裝置平臺以及復(fù)合材料試樣圖。由函數(shù)信號發(fā)生器輸出一個正弦波信號，經(jīng)過寬頻帶電壓放大器放大后，用來驅(qū)動一個功率為3W、電阻為4Ω的揚聲器，該揚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，用來激勵檢測試樣使之產(chǎn)生振動，響應(yīng)信號則由一個質(zhì)量約為1.6g的微型加速度傳感器捕獲，該加速度計同樣用石蠟粘接在復(fù)合材料試樣右邊緣28mm處，接收信號后利用電荷放大器放大，再由動態(tài)數(shù)據(jù)采集器采集，采樣頻率設(shè)置為10kHz。最后，在計算機上對采集的信號進行快速傅立葉變換信號處理。同樣的整個復(fù)合材料板試樣被放置在海綿上以模擬自由邊界條件。

在對該型號的復(fù)合材料試樣進行頻率響應(yīng)測試后，重新將函數(shù)信號發(fā)生器的掃頻范圍設(shè)置為共振頻率左右各50Hz（掃描長度為100Hz），并進行非線性聲學(xué)共振法檢測，調(diào)整揚聲器的激勵電壓幅值范圍為52.5V至65.0V，且每2.5V取一點對試樣進行重復(fù)實驗，檢測實驗結(jié)束后將復(fù)合材料試樣放置加熱平臺上加熱以融化石蠟，去除揚聲器和加速度傳感器，隨后在試樣板中引入對應(yīng)的沖擊疲勞損傷，并循環(huán)測試，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，該試樣在各個振動模態(tài)下所對應(yīng)的頻率分別為720Hz，1360Hz和2350Hz，且在頻率為1360Hz時的振動響應(yīng)幅值相對較高，因此為了獲得足夠強的振動響應(yīng)，選擇1360Hz作為此次非線性聲學(xué)共振法檢測實驗的共振頻率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，各個激勵電壓下的幅值-頻率曲線能夠被很清晰地分辨出來，其幅值隨著激勵電壓的增加而增加，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為各個損傷試樣的非線性聲學(xué)共振測試頻譜圖，分別對應(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)隨著激勵電壓的增大而增大。因此在聲學(xué)共振法檢測中，可以通過觀察檢測試樣接收信號頻域譜中的共振頻率是否發(fā)生偏移來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

實驗結(jié)果：

非線性振動聲調(diào)制和非線性聲學(xué)共振法檢測技術(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)動振幅逐漸增大的情況下，其接收信號頻域譜中的共振頻率發(fā)生向左偏移現(xiàn)象，而振動聲調(diào)制則是同時激勵低頻振動信號和高頻超聲信號，在低頻振動、高頻超聲波以及損傷缺陷三者之間的相互作用下，其接收信號頻域譜中產(chǎn)生調(diào)制旁瓣非線性信號。

由于聲學(xué)共振檢測法和振動聲調(diào)制檢測法的機理不同，對傳感器的要求也不同。對于聲學(xué)共振法而言，通常使用磁致伸縮傳感器[84]和揚聲器[92]來激勵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，明顯的結(jié)構(gòu)振動是分析共振頻率變化的必要條件，且不需要較高的激勵電壓。對于振動聲調(diào)制而言，壓電換能器是最常用的激勵與接收傳感器，在進行檢測實驗時需要同時激勵低頻振動和高頻超聲波，高頻超聲波信號中正常的激勵電壓足以滿足振動聲調(diào)制的需求，而對于低頻振動信號，為了獲得足夠強的振動響應(yīng)，需要較高的低頻振動激勵電壓，只有在這樣的實驗條件下，損傷區(qū)域處的接觸面才能更頻繁的閉合，增強經(jīng)過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聲調(diào)制的檢測效果更好。

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審核編輯 黃宇