實驗名稱：復合材料沖擊疲勞試樣的非線性聲學共振法檢測

實驗目的：為研究復合材料中的沖擊疲勞損傷，還展開了非線性聲學共振法的相關檢測研究，并將檢測結果與振動聲調制檢測相對比。與振動聲調制檢測方法一樣，非線性聲學共振法也屬于非經典非線性的范疇，其檢測原理主要是隨著檢測材料中損傷的日益累積，材料結構的強度或剛度逐漸降低，使得彈性波發生畸變，在所激勵電壓幅值逐漸遞增的情況下，導致材料結構的共振頻率向左偏移。

測試設備：電壓放大器、電荷放大器、動態數據采集器、函數信號發生器、計算機等。

實驗過程：

圖1：(a)非線性振動聲調制實驗裝置系統；(b)復合材料試樣

上圖1分別為非線性聲學共振法實驗測試裝置平臺以及復合材料試樣圖。由函數信號發生器輸出一個正弦波信號，經過寬頻帶電壓放大器放大后，用來驅動一個功率為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生振動，響應信號則由一個質量約為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，再由動態數據采集器采集，采樣頻率設置為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。

在對該型號的復合材料試樣進行頻率響應測試后，重新將函數信號發生器的掃頻范圍設置為共振頻率左右各50Hz（掃描長度為100Hz），并進行非線性聲學共振法檢測，調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實驗，檢測實驗結束后將復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的沖擊疲勞損傷，并循環測試，直至復合材料試樣損壞。

下圖2為完好復合材料試樣板的共振頻率響應頻譜，該試樣在各個振動模態下所對應的頻率分別為720Hz，1360Hz和2350Hz，且在頻率為1360Hz時的振動響應幅值相對較高，因此為了獲得足夠強的振動響應，選擇1360Hz作為此次非線性聲學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頻譜

下圖3為完好試樣的非線性聲學共振響應頻譜圖，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共振譜

下圖4為各個損傷試樣的非線性聲學共振測試頻譜圖，分別對應于為(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，復合材料試樣的剛度發生了改變，在激勵電壓遞增的情況下，其共振頻率出現明顯的左偏現象，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

實驗結果：

非線性振動聲調制和非線性聲學共振法檢測技術都是基于非經典非線性效應，并且它們都能夠快速、有效的識別出碳纖維復合材料中的沖擊疲勞損傷。隨著沖擊疲勞損傷程度的增加，材料結構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，在聲學共振法中，在驅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生向左偏移現象，而振動聲調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生調制旁瓣非線性信號。

由于聲學共振檢測法和振動聲調制檢測法的機理不同，對傳感器的要求也不同。對于聲學共振法而言，通常使用磁致伸縮傳感器[84]和揚聲器[92]來激勵結構產生振動，明顯的結構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，需要較高的低頻振動激勵電壓，只有在這樣的實驗條件下，損傷區域處的接觸面才能更頻繁的閉合，增強經過損傷缺陷處高頻超聲波的調制效應，從而使得非線性振動聲調制的檢測效果更好。

電壓放大器推薦：ATA-2088

圖：ATA-2088高壓放大器指標參數

本資料由Aigtek安泰電子整理發布，更多案例及產品詳情請持續關注我們。西安安泰電子Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。電壓放大器https://www.aigtek.com/products/bk-dyfdq.html

審核編輯 黃宇