[发明专利]一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是复合材料层压板微小开裂的监测领域，具体涉及一种基于非线性声学特征参数监测复合材料层压板微小开裂的方法。

背景技术

复合材料层压板一般都是由两种以上的材料组合而成的，成型过程工序繁多，外加使用环境复杂多变，极易产生基体开裂、纤维断裂等裂纹，为保证其安全使用，对复合材料层压板结构状况进行监测十分必要。主动结构监测指通过驱动器对结构施加主动激励信号，通过传感器接收结构的响应信号，并对响应信号进行结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。超声导波具有良好的穿透性并能与缺陷或损伤发生相互作用。它具有沿传播路径衰减小，传输距离远，引起质点振动能遍及构件内部和表面的特点，在平面等大型构件的监测中表现出更大的优势。然而，目前超声波监测方法中，主要是利用一些线性声学参量如声压、声速等来实现对被测介质的结构监测，虽然简化了分析过程，但是对于复合材料层压板结构中的微小裂纹尤其是刚刚出现疲劳损伤的监测，往往难以得到令人满意的结果，从而降低了它的准确度和灵敏性。非线性声波对于固体介质中的缺陷有很高灵敏度，利用超声波非线性声学特征来监测板型结构中微小疲劳裂纹的能力优于线性声学检测方法，而对于复合材料层压板的固体结构，由于它结构的特殊性，层介质结构中的非线性声学特征与它的弹性系数有密切关系，一般可以用三阶弹性系数来描述，通过测量三阶弹性系数，可对板材中的疲劳损伤提供信息，但由于复合材料层压板结构中的三阶弹性系数直接测量，难度非常大。后来，有科学家分别从连续介质模型和离散的模型中，推导出固体介质的弹性系数与非线性声学系数的关系，得到了一维非线性波动方程，并通过超声非线性系数β来表征固体材料的微观结构变化情况，由于方程中各阶谐波是交叉的，边界条件也有交叉项，这使得非线性声学系数β数学计算非常困难，求解也相当繁重。而且，非线性声学理论目前尚不明确，非线性系数β尚不能对复合材料层压板中的裂纹提供准确的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法，目的在于解决现有板复合材料层压板中的微小开裂识别能力不高，同时避免了非线性超声在复合材料层压板构件中传播时的复杂特性所带来的应用局限性，简化了非线性声学特征参数提取方法。利用激发不同频率的超声信号，实现由于复合材料层压板纤维开裂等原因形成的微小开裂的精准监测。

一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法测试系统包括任意波形发生器、换能器阵列、数字信号示波器、计算机、五根数据传输线和被复合材料层压板，所述的换能器阵列，由三个压电换能器组成，其中两个发射换能器，一个为接收换能器，数字信号示波器可以实时接收并存储接收换能器采集的信号，数字信号示波器的信号输出端通过同轴数据传输线与计算机的信号输入端电气连接，计算机的控制信号输出端通过同轴数据传输线与任意波形发生器的控制信号输入端电气连接，通过计算机控制任意波形发生器输出信号的波形和频率，任意波形发生器的信号输出端即第一个输出通道通过同轴数据传输线与第一个发射换能器的信号输入端相连接，第二个输出通道通过同轴数据传输线与第二个发射换能器的信号输入端相连接，两个发射换能器与被复合结构层压板连接。

换能器阵列即第一发射换能器、第二发射换能器和接收换能器均为同型号同材质的压电晶体，所述的换能器阵列谐振频率为1.6MHz，通过环氧树脂与被测复合材料层压板垂直耦合。

任意波形发生器的通道包括输入通道和输出通道，所述的输入通道是可以通过计算机把波形信号下载到任意波形发生器中，所述的输出通道为四个独立通道，可以同时选择不同频率的发射信号，本发明仅用其中第一输出通道和第二输出通道。

任意波形发生器所产生的两列超声波脉冲波的中心频率分别为80kHz和300kHz，并且同时分别加载到第一发射换能器和第二发射换能器。

一种基于非线性声学复合材料层压板微小开裂的监测方法包括以下步骤：

步骤一、通过计算机中程序编写的两列超声波信号下载到任意波形发生器中，两列超声波信号的中心频率分别为80kHz和300kHz，波形均设为猝发正弦波；

步骤二、计算机向任意波形发生器发出控制信号，启动任意波形发生器；

步骤三、任意波形发生器第一个输出通道发出80kHz的猝发正弦波，通过第一同轴数据传输线加载到第一发射换能器上；同时第二个输出通道发出300kHz的猝发正弦波，通过第二同轴数据传输线加载第二发射换能器上；