l、概況
我所曾對(duì)某型飛機(jī)進(jìn)行了全尺寸疲勞試驗(yàn)，以解決該型飛機(jī)的定壽問(wèn)題。這一試驗(yàn)為利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)飛機(jī)關(guān)鍵部位疲勞裂紋形成和擴(kuò)展提供了極好的機(jī)會(huì)。為進(jìn)行疲勞定壽，每進(jìn)行到一定飛行小時(shí)試驗(yàn)后，需停止疲勞試驗(yàn)并對(duì)一些主承力構(gòu)件(如飛機(jī)機(jī)翼主梁連接螺栓)進(jìn)行分解檢查、探傷并測(cè)試裂紋大小，必要的話要利用斷口分析來(lái)反推裂紋萌生的初始時(shí)間。在整個(gè)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，通常要進(jìn)行幾次分解和拆卸檢查，目的是要確定一些難以或不可接近部位的損傷程度，這無(wú)疑會(huì)給疲勞試驗(yàn)增加許多困難。我們?cè)谄谠囼?yàn)過(guò)程中對(duì)該飛機(jī)的一些關(guān)鍵部位的裂紋萌生和擴(kuò)展情況用聲發(fā)射進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，取得了不少滿意的結(jié)果。

聲發(fā)射是指材料或物體內(nèi)部因發(fā)生塑性形變或有裂紋形成和擴(kuò)展時(shí)迅速釋放出應(yīng)變能而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的現(xiàn)象。與超聲、渦流和射線等常規(guī)磁粉探傷機(jī)方法相比，聲發(fā)射技術(shù)至少有兩大優(yōu)勢(shì)；第一，它是一種監(jiān)測(cè)。第二，它是一種“被動(dòng)”探傷技術(shù)，即無(wú)需發(fā)射探測(cè)信號(hào)，而是利用傳感器監(jiān)聽結(jié)構(gòu)探傷機(jī)內(nèi)部發(fā)出的聲波信息，這樣，對(duì)飛機(jī)或結(jié)構(gòu)的工作幾乎不會(huì)造成什么影響和妨礙。當(dāng)然，聲發(fā)射技術(shù)也有其自身的劣勢(shì)，最主要的問(wèn)題是噪聲干擾，其次是難以對(duì)缺陷進(jìn)行定量測(cè)量。

外國(guó)軍事和航空部門十分重視利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)飛機(jī)疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的研究。早在70年代，美國(guó)Lockheed飛機(jī)制造公司就對(duì)C一5運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行了利用磁粉探傷機(jī)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)機(jī)翼疲勞試驗(yàn)時(shí)的疲勞裂紋擴(kuò)展情。80年代，澳大利亞空軍和澳大利亞航空研究所在這一研究領(lǐng)域異?；钴S，他們?cè)诶寐暟l(fā)射監(jiān)測(cè)飛機(jī)主要受力構(gòu)件(機(jī)翼主梁、機(jī)翼與trc身連接框動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，能對(duì)飛機(jī)主要部位進(jìn)行連續(xù)的在役架螺栓)疲勞裂紋方面取得較大進(jìn)展。從1987年12月到1990年9月，美國(guó)wright實(shí)驗(yàn)室和McDonnellDouglas公司耗費(fèi)巨資進(jìn)行了用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)F一15飛機(jī)疲勞裂紋的聯(lián)合研究工作，并聲稱在利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)機(jī)翼和機(jī)身連接螺栓裂紋形成和擴(kuò)展方面取得重要進(jìn)展。本文旨在報(bào)告我們?cè)谶@一領(lǐng)域所取得的某些進(jìn)展。

2、理論分析

疲勞試驗(yàn)時(shí)的噪聲干擾問(wèn)題十分嚴(yán)重，這些噪聲主要有機(jī)械噪聲、電磁干擾和瞬態(tài)電噪聲等；另外，螺栓與螺栓孔的摩擦噪聲以及其它許多非裂紋形成和擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)(如鋁合金中脆性?shī)A雜物的斷裂)等也構(gòu)成極強(qiáng)的干擾源。不對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理就不可能獲得有用信息。

目前認(rèn)為對(duì)類似疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理的一種比較有效方法是使用寬帶傳感器并同時(shí)利用時(shí)域和頻域信號(hào)加以識(shí)別。一般可假設(shè)飛機(jī)機(jī)翼為一薄板，孔邊緣裂紋產(chǎn)生的聲波主要由低階。amb波組成。因此，傳感器所接收到的信號(hào)通常前沿部分頻率較高，但幅度低，因?yàn)檫@一部分主要是縱波成分。而同一信號(hào)的后續(xù)部分幅度較大，但頻率較低，而且有頻散現(xiàn)象，相應(yīng)于聲源的彎曲波成分。另外，由于一次裂紋擴(kuò)展所包括的時(shí)間總是很短，聲發(fā)射信號(hào)的頻率總是較高。這些都是利用時(shí)域波形和頻譜分析來(lái)識(shí)別的比較有利的一面。但目前這一磁粉探傷機(jī)方法對(duì)大多數(shù)從事聲發(fā)射工作的人來(lái)說(shuō)有相當(dāng)大困難，首先是寬帶傳感器的靈敏度很低．而高靈敏度寬帶傳感器的價(jià)格又通常較貴；其次，絕大多數(shù)聲發(fā)射專用儀器都沒有捕捉瞬態(tài)信號(hào)和頻譜分析的功能。雖然在類似美國(guó)PAc公司的sPAR—TANAT等聲發(fā)射儀上都可安裝瞬態(tài)卡并可利用其提供的頻譜分析軟件獲得頻譜信息，但這需要數(shù)量可觀的二次投資。本文提出，利用現(xiàn)有聲發(fā)射儀的多個(gè)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行綜合識(shí)別，同時(shí)輔之以一“群”測(cè)量通道信號(hào)參數(shù)之間相關(guān)特性的分析，可以比較滿意地解決這一問(wèn)題。

為了識(shí)別飛機(jī)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，僅僅利用一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)參數(shù)是不夠的。在儀器可供選擇的諸多參數(shù)中，比較重要的是AE撞擊數(shù)或AE事件數(shù)的變化情況、AE信號(hào)的持續(xù)時(shí)間以及AE撞擊數(shù)的幅度分布特征。根據(jù)試驗(yàn)情況．決定利用下列參數(shù)并由它們組成一個(gè)八維矢量進(jìn)行綜合判斷，即AE撞擊數(shù)(Hit)的密度型幅度分布，AE撞擊數(shù)(Hit)的累積型幅度分布F(A)和曲線斜率6．上升時(shí)間f，脈沖持續(xù)時(shí)間，總的以及各不同位置的AE撞擊數(shù)和事件數(shù)(加上它們的變量(加上它們的變化率)。

對(duì)所獲得的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算就可幫助判斷它是否裂紋萌生和擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)。機(jī)械噪聲的頻率一般較低，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；電磁干擾噪聲的頻率較高，但其持續(xù)時(shí)間很短；另外．這兩種噪聲的幅度分布曲線比較陡，出現(xiàn)的時(shí)機(jī)也有較大的隨意性。對(duì)這兩類噪聲可以首先通過(guò)選擇合適的系統(tǒng)硬件參數(shù)，如濾波器頻率等加以剔除，其識(shí)別一般也并不太困難。由于伴隨裂紋萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生能量的迅速釋放，因此，同裂紋有關(guān)的AE信號(hào)頻率較高，上升和持續(xù)時(shí)間都較短。摩擦噪聲與感興趣的AE信號(hào)總是處于同一位置，其幅度一般還較大，因此在整個(gè)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，如何剔除或識(shí)別摩擦噪聲確實(shí)很困難。聲發(fā)射信號(hào)多發(fā)生在疲勞試驗(yàn)的大載荷期間，這對(duì)其識(shí)別會(huì)有所幫助。本文提出用一種特殊的相關(guān)法來(lái)幫助識(shí)別裂紋聲發(fā)射信號(hào)。