0 引言

　　激振聲學(xué)檢測法作為一個(gè)全新的缺陷檢測方法，具有檢測效率高、范圍廣、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，在電力、機(jī)械、建筑、制造業(yè)等行業(yè)均有巨大的潛力[1-2]。傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)可用于檢測和診斷產(chǎn)品缺陷，利用目視技術(shù)或通過掃描成像技術(shù)來尋找被測物體的缺陷[3-5]。早在上世紀(jì)八十年代，激振聲學(xué)檢測法由俄羅斯科學(xué)家應(yīng)用于電力系統(tǒng)瓷支柱絕緣子缺陷檢測，其原理是通過向絕緣子底部發(fā)射特殊激勵(lì)振動(dòng)波，同時(shí)接收其振動(dòng)反饋波，經(jīng)傅里葉變換分析該反饋波形的頻譜，即可判斷絕緣子是否有裂紋、裂紋大概部位、機(jī)械強(qiáng)度是否降低或喪失。聲學(xué)檢測技術(shù)作為一種簡便、準(zhǔn)確的檢測方法，不僅在電力系統(tǒng)絕緣設(shè)備檢測上具有很好的應(yīng)用前景，在工業(yè)生產(chǎn)檢測中也具有非常廣泛的應(yīng)用[6]。美國MODALSHOP公司曾為NASA對(duì)構(gòu)成飛行器部件的每一個(gè)零件進(jìn)行質(zhì)量檢測的產(chǎn)品，也是應(yīng)用了共振聲學(xué)檢測法。

　　傳統(tǒng)掃描法包括磁粉探傷、渦流/電磁測試、超聲波檢測、染料滲透測試、X射線/放射測試和目視檢測法。這些傳統(tǒng)的無損測試方法與共振檢測法的掃描原理有著本質(zhì)的區(qū)別。掃描法由人工操作并且需要操作者的主觀判斷，對(duì)于操作者的技術(shù)水平有一定的要求，同時(shí)操作者的主觀因素也對(duì)檢測結(jié)果有一定的影響。而激振聲學(xué)檢測法是測量待測件的結(jié)構(gòu)頻譜，將該頻譜與標(biāo)準(zhǔn)被測件的結(jié)構(gòu)頻譜進(jìn)行對(duì)比來判斷被測物體是否存在缺陷。該方法是對(duì)待測物體整體進(jìn)行測量，包括結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷和外部缺陷，并給出客觀和定量的檢測結(jié)果。物體的結(jié)構(gòu)頻譜是由物體本身的共振特性決定的，具有獨(dú)一無二的、可重復(fù)測量的特性，它是由被測物體的幾何特征和材料屬性共同決定的，是激振檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。測試過程中，一次測試就可以測量出一個(gè)被測物體的特征頻譜。

1 理論依據(jù)

　　1.1 振動(dòng)模態(tài)

　　模態(tài)分析是用于研究機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的一種分析手段。所有的金屬結(jié)構(gòu)都會(huì)因各種原因而產(chǎn)生變形，而這種變形通過肉眼很難觀察到，但通過模態(tài)分析就能將其描述出來。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)表現(xiàn)為一系列單頻振動(dòng)的疊加，任何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲音都是由這類振動(dòng)引起的。激振檢測技術(shù)正是利用了結(jié)構(gòu)的這個(gè)振動(dòng)聲學(xué)特性來評(píng)價(jià)待測部件的整體性和一致性的。

　　如圖1所示的單自由度振子系統(tǒng)包含質(zhì)量塊、彈簧和阻尼。系統(tǒng)的3個(gè)基本元素分別是質(zhì)量（m）、剛度（k）和阻尼（c），系統(tǒng)狀態(tài)可由質(zhì)量塊的位移來描述，激振力F輸入給系統(tǒng)的能量表現(xiàn)為質(zhì)量塊的動(dòng)能和彈簧的彈性勢能，并由阻尼不斷耗散。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

　　對(duì)于一個(gè)無阻尼系統(tǒng)，上述運(yùn)動(dòng)方程的解為：

　　由式(2)可見，無阻尼結(jié)構(gòu)的固有頻率f由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度決定。對(duì)于多自由度系統(tǒng)，式(2)中質(zhì)量和剛度的關(guān)系仍然成立。由此可得在結(jié)構(gòu)不變的情況下，增加剛度會(huì)使得固有頻率增加，增加質(zhì)量會(huì)降低固有頻率。激振聲學(xué)檢測技術(shù)正是利用這些結(jié)構(gòu)的基本特性來評(píng)價(jià)待測物的整體性和一致性的。

　　1.2 模態(tài)分析

　　固有頻率是結(jié)構(gòu)的整體屬性，結(jié)構(gòu)的缺陷會(huì)使得固有頻率有所偏移。例如，裂紋會(huì)改變裂紋所在區(qū)域的剛度，密度的變化或氣孔會(huì)改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。裂紋一般會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度，導(dǎo)致固有頻率降低。類似地，氣孔會(huì)導(dǎo)致減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致固有頻率升高。假如缺陷大小和位置在某一階模態(tài)表現(xiàn)明顯，那么這一階固有頻率的偏移是可以通過測量得到的。要檢測到物體的固有頻率，必須通過外界輸入振動(dòng)信號(hào)，共振可以由式(3)計(jì)算：

　　其中：f0為固有頻率，fex為激振頻率（外部輸入頻率），當(dāng)f0=fex時(shí)，被測物體達(dá)到共振點(diǎn)，其反饋振幅會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他激振頻率時(shí)的振幅[7]。

　　1.3 傅里葉變換

　　現(xiàn)實(shí)中的數(shù)字信號(hào)處理都是作用于有限長的數(shù)據(jù)記錄,需要對(duì)連續(xù)的無限長信號(hào)進(jìn)行截短,然后才能進(jìn)行FFT運(yùn)算。有限長度信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算必然會(huì)產(chǎn)生能量泄露,導(dǎo)致分析頻譜中的信號(hào)泄露到相鄰的頻率,這就需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行加窗處理,加窗能夠改善頻譜的泄露。一個(gè)窗口的定義如下：

　　典型的窗函數(shù)有矩形窗、漢寧窗、漢明窗等，本試驗(yàn)采用矩形窗口的采集方式：

　　w(k)=1  0<k<N-1(5)

　　通過儀器測量得到的是被測物體的反饋波形，要得到物體的固有頻率，需要對(duì)反饋波形進(jìn)行頻譜分析，通過傅里葉變換可以提取出信號(hào)頻譜，離散傅里葉變換(5)可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域：

　　FFT是離散傅里葉變換的快速算法，F(xiàn)FT算法就是利用W矩陣中W元素的周期性和對(duì)稱性，可以將一個(gè)N點(diǎn)的DFT運(yùn)算分解為兩組N/2點(diǎn)的DFT運(yùn)算，然后取和即可。為進(jìn)一步提高效率，將上述兩個(gè)矩陣按奇偶順序逐級(jí)分解下去。

2 設(shè)備工作原理

　　本課題組根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)了試驗(yàn)用儀器，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。系統(tǒng)采用內(nèi)核為Cotex-M3的LPC1768芯片作為MCU，設(shè)備由磁簧開關(guān)觸發(fā)啟動(dòng)電路，使MCU開始工作，初始化完成后LPC1768發(fā)出白噪聲PWM波，經(jīng)過整流、濾波、放大后，再由功放電路驅(qū)動(dòng)振動(dòng)發(fā)射器發(fā)出聲波振動(dòng)；振動(dòng)接收器接收信號(hào)后將電荷轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到TF卡中；分析數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到上位機(jī)，通過頻譜分析得到待測物體的頻域曲線；將每個(gè)待測件的頻域曲線與標(biāo)準(zhǔn)頻域曲線進(jìn)行對(duì)比，分析其一致性，標(biāo)準(zhǔn)頻域曲線是來自于已知合格件的測試曲線。共振頻率表現(xiàn)為頻譜曲線上各個(gè)峰值，合格件頻譜曲線的各個(gè)峰值在幅度和頻率上與標(biāo)準(zhǔn)頻域曲線是一致的。頻譜曲線上峰值的幅度和頻率差異都意味著該待測件與合格件有差異。簡而言之，激振聲學(xué)檢測就是通過給予待測件一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)，并利用加速度傳感器“聽取”其聲學(xué)響應(yīng)?？煽氐碾S機(jī)振動(dòng)在頻域上是一條平坦的能量譜，加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的接觸式測量。輸入能量在待測件的固有頻率點(diǎn)被“放大”和輻射，并被加速度傳感器采集。

　　2.1 振動(dòng)發(fā)射器

　　振動(dòng)發(fā)射器作為振動(dòng)聲波發(fā)射裝置，其共振頻率必須要高于被測物體的固有頻率，本文選取了特殊的陶瓷片，該陶瓷屬于超聲波電機(jī)材料，通過LabVIEW對(duì)該材料進(jìn)行掃描，如圖3所示，可以看到圖中振幅突變位置大約在24 kHz左右，由此可知在測量范圍(1 kHz～10 kHz)內(nèi)，該振子不會(huì)發(fā)生諧振。激振子結(jié)構(gòu)采用多片陶瓷并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，并將在振動(dòng)方向上疊加，以增強(qiáng)激振力。發(fā)射器前端采用錐形結(jié)構(gòu)探頭，該結(jié)構(gòu)探頭可將聲波振動(dòng)放大，并可接觸到不易測量的位置。振動(dòng)接收探頭的結(jié)構(gòu)與其相同，也有一個(gè)錐形探頭，該結(jié)構(gòu)與發(fā)射探頭對(duì)稱，使得接收的信號(hào)可以抵消發(fā)射信號(hào)經(jīng)探頭放大產(chǎn)生的干擾，設(shè)備采用壓電式加速度傳感器，靈敏度高達(dá)1.294 pC/m·s-2，振動(dòng)經(jīng)加速度傳感器轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)后送入電荷放大電路，通過RC放大后送入可調(diào)節(jié)式信號(hào)調(diào)理電路。

　　2.2 信號(hào)調(diào)理電路

　　本試驗(yàn)所用設(shè)備的信號(hào)調(diào)理電路包括：電荷放大、帶通濾波、電壓抬升。

　　(1)電荷放大電路：把微弱的電荷信號(hào)放大成電壓信號(hào)。運(yùn)算放大電路選擇AD823，是雙通道、精密、16 MHz帶寬和高增益的放大器；反饋電容C32決定了電荷轉(zhuǎn)電壓輸出的大小以及電荷放大的頻率響應(yīng)特性，電容性能的好壞直接決定著電荷放大器是否穩(wěn)定，此處反饋電容C32設(shè)定為100 pF；反饋電阻主要是抑制反饋電容引起的零點(diǎn)漂移，由電荷放大器的下線截止頻率可知，在C32一定情況下，要保證下限截止頻率，反饋電阻R38必須盡可能大，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，此處設(shè)定為100 MΩ較合適，如圖5所示。

　　(2)帶通濾波電路：由低通濾波電路和高通濾波電路組合的帶通濾波電路，可根據(jù)通帶頻率計(jì)算出電阻電容值，設(shè)備用通帶頻率為1～10 kHz。

　　(3)電壓抬升電路：為使A/D轉(zhuǎn)換輸入達(dá)到合理區(qū)間，采用電壓抬升方法，利用運(yùn)放將電壓抬升到1.5 V，同時(shí)增加了數(shù)字電位器的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)抬升電位的靈活調(diào)節(jié)。

3 仿真與試驗(yàn)

　　為了便于對(duì)比，本文挑選了一個(gè)A2鋼作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，其參數(shù)為：直徑35 mm，長度400 mm，密度7.86 g/cc，泊松比0.3，彈性模量203 GPa。通過軟件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到其振動(dòng)模態(tài)，再對(duì)鋼柱進(jìn)行人為破壞，在距離鋼柱左端192 mm處切除一個(gè)矩形（25 mm×15 mm×2 mm），也進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算，其各模態(tài)如圖6。截取幾個(gè)有效模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1。

　　由鋼柱的模態(tài)分析可以看到，除去二階彎振在切割前后沒有明顯變化外，一階縱振頻率和一階彎振頻率均有明顯降低，這與之前分析的物體固有頻率變化理論相吻合。由于人為切割裂痕沒有處于二階彎振的峰谷位置，故在該模態(tài)下頻率變化不明顯。

　　在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，由于鋼柱柱面較滑，激振頭無法固定，鋼柱兩端平面較為平坦，易于固定，比較便于測量，且一階縱振頻率在設(shè)備檢測范圍內(nèi)，二階縱振頻率大于10 kHz，故將一階縱振頻率作為主要測量頻率進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用如圖7方式進(jìn)行測量，將激振器和接收器分別放在鋼柱兩端，所得頻譜如圖8所示。采用這種測量方法只能測量到鋼柱的縱振，無法測量鋼柱的彎振。

　　由頻譜分析圖8可以看到，鋼柱測量結(jié)果顯示，一階縱振頻率約為6 580 Hz，比仿真結(jié)果高出230 Hz，且結(jié)果可重復(fù)實(shí)現(xiàn)，可以判斷該儀器的測量結(jié)果是穩(wěn)定的 (如圖8)。為了得到被測物體損壞后頻率變化的數(shù)據(jù)，對(duì)鋼柱進(jìn)行人為破壞，對(duì)其進(jìn)行切割，使其有一個(gè)深度為15 mm、寬度為2 mm的矩形缺口，如圖9所示。采用同樣的測量方法重新測量，其測量結(jié)果顯示一階縱振頻率為6 020 Hz，頻率較未切割前明顯變小，如圖10所示，符合理論分析以及仿真結(jié)果?？梢钥闯鲈撊毕輽z測方法具有很高的可行性。

4 結(jié)論

　　激振聲學(xué)檢測法在無損檢測中有著非常廣泛的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)并制作了一套基于激振聲學(xué)的物體內(nèi)部缺陷檢測裝置，建立了一個(gè)簡單的鐵柱物理模型，計(jì)算了鐵柱的共振頻率，用該裝置測量了鐵柱的實(shí)際頻率。對(duì)鐵柱進(jìn)行人為破壞后重復(fù)仿真和測量，結(jié)果表明，裝置測量到的物體共振頻率與仿真計(jì)算結(jié)果一致。該裝置測量結(jié)果準(zhǔn)確，速度快，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，為無損檢測在實(shí)際應(yīng)用中的推廣提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

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