振動(dòng)聲調(diào)制檢測技術(shù)在直升機(jī)維修中的應(yīng)用前景

賈 俊，余建航，曾 輝，楊 杰

(1.陸軍航空兵學(xué)院,北京 101123；2.中國人民解放軍32145部隊(duì)，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

近年來，我軍直升機(jī)迅猛發(fā)展，訓(xùn)練任務(wù)不斷增加，飛行安全問題凸顯,對(duì)維修質(zhì)效的要求不斷提高，視情維修(condition based maintenance, CBM)的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)指標(biāo)，準(zhǔn)確掌握其健康狀態(tài)，是視情維修的基本前提。探索研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(structural health monitoring，SHM)等視情維修技術(shù)的應(yīng)用，是提高直升機(jī)維修質(zhì)效的重要途徑[1]。

振動(dòng)聲調(diào)制(vibro-acoustic modulation, VAM)是一種新穎的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)屬于非經(jīng)典非線性聲學(xué)范疇，相對(duì)于線性和經(jīng)典非線性檢測方法，其抗干擾能力強(qiáng)、檢測速度快且對(duì)微小裂紋靈敏度高，非常契合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對(duì)損傷早期探測的技術(shù)需求。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)VAM技術(shù)進(jìn)行了大量卓有成效的研究，取得了許多有價(jià)值的研究成果。在產(chǎn)生機(jī)理方面，提出了多種理論模型，并形成了裂紋開閉理論[2,3]和能量耗散理論[4]兩大主流理論。在實(shí)驗(yàn)方法方面，發(fā)展出了以振動(dòng)調(diào)制和沖擊調(diào)制為主流的多種測試方法[5]。在應(yīng)用對(duì)象方面，涵蓋了包括金屬[6]、玻璃[7]、水泥[8]以及復(fù)合材料[9]在內(nèi)的不同材料和不同尺寸形狀的檢測對(duì)象。在應(yīng)用層次方面，開展了結(jié)構(gòu)損傷的有無測試(pass/fail test)[10]、擴(kuò)展跟蹤[11]和定位成像[12]等不同層次的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。雖然VAM技術(shù)的可行性和先進(jìn)性得到了充分驗(yàn)證，但隨著研究的不斷深入，一些理論與實(shí)踐問題也逐漸凸顯。目前，該技術(shù)在集成性和可靠性等方面，還有待進(jìn)一步深入研究。

直升機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件振動(dòng)水平和疲勞載荷高，對(duì)維修技術(shù)的需求有不同側(cè)重。通過對(duì)直升機(jī)維修技術(shù)特別是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的需求特點(diǎn)分析，研究VAM檢測的適用領(lǐng)域，預(yù)判難點(diǎn)和瓶頸問題并提出相應(yīng)的解決思路，對(duì)該技術(shù)在直升機(jī)維修中的應(yīng)用研究大有裨益。

1 VAM檢測技術(shù)

1.1 基本原理

圖1所示為VAM測試的基本原理。使用超聲器件(壓電片PZT1和PZT2)向結(jié)構(gòu)中同時(shí)激發(fā)兩個(gè)不同頻率的聲場(低頻f1和高頻f2)，如果結(jié)構(gòu)完好無損，則PZT3接收的響應(yīng)信號(hào)為兩個(gè)聲場的線性疊加，在譜圖中表現(xiàn)為兩根單一譜線；反之，如果結(jié)構(gòu)中存在損傷，則介質(zhì)的連續(xù)性被破壞，在損傷區(qū)域表現(xiàn)出非線性，兩個(gè)聲場將在該區(qū)域發(fā)生非線性調(diào)制?；旌下晥鲱l域表現(xiàn)為在高頻分量f2兩側(cè)出現(xiàn)f2±nf1,n=1,2,3…等分量的調(diào)制邊頻，損傷的類型和尺寸等重要信息就蘊(yùn)含在這些邊頻中。

現(xiàn)已廣泛認(rèn)為，損傷接觸面在激勵(lì)聲場作用下表現(xiàn)出的非線性，是導(dǎo)致VAM現(xiàn)象的主因。為探究接觸型損傷非線性的本質(zhì)，人們提出了很多機(jī)理模型。盡管這些理論模型各有特點(diǎn)，但學(xué)者們普遍認(rèn)為至今沒有一種非線性模型能完美地解釋VAM現(xiàn)象的全部特性。當(dāng)前，用于研究VAM機(jī)理的理論逐漸形成了以裂紋開閉理論和能量耗散理論為代表的兩大“陣營”。前者還可細(xì)分為雙剛度模型和粗糙表面接觸模型。從當(dāng)前的應(yīng)用研究看，基于裂紋開閉的建模理論在理論基礎(chǔ)和解釋能力方面優(yōu)勢明顯，因此得到了廣泛應(yīng)用。這種理論認(rèn)為裂紋面的開閉運(yùn)動(dòng)以及閉合時(shí)接觸面的不同接觸狀態(tài)，導(dǎo)致材料在裂紋體附近表現(xiàn)出非線性“聲剛度”，這種非線性特性就是聲場產(chǎn)生非線性調(diào)制的根本原因。

圖1 VAM檢測基本原理

1.2 損傷量化

非線性調(diào)制的程度與非線性“聲剛度”有關(guān)，也即與損傷的類型和嚴(yán)重程度有關(guān)，這表明用響應(yīng)聲場的非線性調(diào)制程度表征損傷的特性是可能的。

在各類用于損傷定量評(píng)估的損傷指數(shù)中，應(yīng)用最為廣泛的一類是所謂的傳統(tǒng)損傷指數(shù)(conventional damage index, CDI)，其定義為一階和差頻調(diào)制邊帶的譜幅值之和(或平均值)A±與兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)譜幅值(A1與A2)乘積的比值。CDI理論上與損傷的接觸面積成正比，即：

(1)

但是，只有在試樣自由狀態(tài)以及測試參數(shù)(如激勵(lì)信號(hào)幅度與頻率、邊界條件和載荷狀態(tài)、結(jié)構(gòu)內(nèi)超聲的傳播模式等)保持穩(wěn)定的理想情況下，式的正比關(guān)系才成立[6]。為了提高CDI的適應(yīng)能力和量化精度，不少學(xué)者從建模理論[11]、信號(hào)處理[13]以及測試方法[14]等方面著手改進(jìn)。

1.3 損傷定位

目前常用的定位方法是將非線性超聲特征與超聲掃描方法結(jié)合，通過移動(dòng)探頭位置對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描實(shí)現(xiàn)損傷的定位或成像[15]。但這種方法程序繁瑣，定位時(shí)間過長，不便于在線應(yīng)用。時(shí)間反轉(zhuǎn)聲學(xué)(time reversal acoustics, TRA)的提出，可有效解決非線性損傷檢測的定位問題[16]。

時(shí)間反轉(zhuǎn)定位的實(shí)施流程是，傳感器陣列接收到非線性聲源(損傷)發(fā)射的信號(hào)后，首先對(duì)其進(jìn)行時(shí)域延時(shí)和反轉(zhuǎn)，即將信號(hào)r(t)變?yōu)閞(τ-t)，然后再分別由原信道重新發(fā)射出去，即先到后發(fā)，后到先發(fā)。因此不同陣元發(fā)出的、沿不同路徑傳播的信號(hào)將同時(shí)到達(dá)聲源位置，產(chǎn)生疊加聚焦。它是聲場互易原理的應(yīng)用之一，根據(jù)聲波聚焦點(diǎn)的位置可以定位聲源，并在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)聲源發(fā)射信號(hào)的重構(gòu)。

圖2 時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的基本原理

基于時(shí)間反轉(zhuǎn)聲學(xué)的定位方法，因具備魯棒性強(qiáng)、無需傳播介質(zhì)先驗(yàn)知識(shí)且能對(duì)損傷位置進(jìn)行聲聚焦等優(yōu)良特性，非常適合與VAM檢測技術(shù)結(jié)合，用于研發(fā)高靈敏度在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

2 應(yīng)用前景分析

2.1 VAM檢測技術(shù)的優(yōu)勢

VAM檢測技術(shù)作為一種非經(jīng)典的非線性超聲檢測技術(shù)，雖然還不具備完整的方法論體系，但其一些優(yōu)異特性是傳統(tǒng)的線性超聲方法甚至經(jīng)典的非線性超聲方法所不具備的，這也正是VAM檢測技術(shù)迅速成為研究熱點(diǎn)的主要原因。概括說來，VAM檢測技術(shù)的特殊優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1)靈敏度高，對(duì)微裂紋敏感，適合早期診斷。這是因?yàn)樵赩AM檢測中，低頻振動(dòng)激勵(lì)起激發(fā)作用，它促使裂紋面互相碰撞，充分激發(fā)了裂紋的非線性；而高頻超聲激勵(lì)起探測作用，由于其波長相對(duì)較短，因此對(duì)損傷更為敏感。

2)對(duì)被測結(jié)構(gòu)中的自由邊界以及孔洞等結(jié)構(gòu)不敏感。傳統(tǒng)的線性超聲方法其回波信號(hào)往往受到結(jié)構(gòu)邊界和孔洞干擾。但由于這些結(jié)構(gòu)不會(huì)表現(xiàn)出非線性，因此不會(huì)對(duì)VAM等非線性超聲檢測方法造成不利影響。

3)適合接觸應(yīng)力檢測以及微接觸間隙測量等場合。VAM檢測技術(shù)以接觸聲非線性為理論基礎(chǔ)，而接觸面表現(xiàn)出的非線性與接觸壓力和接觸面的實(shí)際接觸面積有關(guān)，因此可使用VAM檢測方法實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸壓力和接觸面積的測量，例如，螺紋松動(dòng)檢測[17]、裂紋張開與閉合測量[6]以及運(yùn)動(dòng)副磨損量測量等應(yīng)用場合。

另外，VAM檢測方法對(duì)被檢材料的適應(yīng)性很強(qiáng)，且對(duì)傳感器和檢測儀器的非線性不敏感，普通的壓電傳感器即可滿足測量要求，因此可方便地與時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦技術(shù)結(jié)合進(jìn)行高靈敏度的自動(dòng)在線損傷探測、定位成像[16]。

2.2 VAM檢測技術(shù)在直升機(jī)維修中的應(yīng)用前景

直升機(jī)因結(jié)構(gòu)特殊、旋轉(zhuǎn)部件多、復(fù)合材料承力部件多、部件受力情況復(fù)雜以及振動(dòng)水平高等特點(diǎn)，機(jī)械故障率顯著高于固定翼飛機(jī)等其它航空器。因此，對(duì)直升機(jī)結(jié)構(gòu)部件健康狀態(tài)的評(píng)估以及故障的早期診斷顯得尤為重要。一方面，對(duì)各類不同材料、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且疲勞載荷高的重要部件的狀態(tài)檢測迫切需要一種靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)、可全域檢測以及實(shí)施方便的無損檢測技術(shù)；另一方面，當(dāng)前的直升機(jī)健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)(health and usage monitoring system，HUMS)基于振動(dòng)信號(hào)分析方法，且主要監(jiān)測對(duì)象是旋翼和傳動(dòng)系統(tǒng)等旋轉(zhuǎn)部件。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)承力結(jié)構(gòu)疲勞損傷的在線早期預(yù)警和診斷，需要引入先進(jìn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行完善[1]?？紤]到VAM檢測技術(shù)的優(yōu)異特性，該技術(shù)契合上述的直升機(jī)維修技術(shù)需求。具體來說，可以考慮在以下幾方面開展VAM技術(shù)的應(yīng)用研究。

1)重要承力結(jié)構(gòu)的緊固螺栓松動(dòng)探測。接觸界面的非線性與接觸應(yīng)力有關(guān)，因此可通過損傷指數(shù)表征接觸應(yīng)力的變化，使得通過VAM技術(shù)檢測螺栓松動(dòng)成為可能。一方面，VAM檢測的高靈敏性符合螺紋連接松動(dòng)的早期診斷需求；另一方面，相對(duì)于傳統(tǒng)的力矩扳手定力檢測，VAM檢測方法可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程非接觸式監(jiān)測，適合原位在線應(yīng)用。

2)滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)副磨損間隙測量。摩擦副磨損間隙的測量在直升機(jī)維修工作中是非常常見的，如操縱拉桿桿端關(guān)節(jié)球鉸(見圖3)間隙檢查、自動(dòng)傾斜器球鉸間隙檢查以及槳葉銷間隙檢查等。目前外場維護(hù)時(shí)使用目測、塞尺或者千分尺檢測，這種宏觀尺度的檢測方法實(shí)施方便，但測量結(jié)果隨機(jī)性強(qiáng)且不能從界面微凸體尺寸的介觀尺度反映磨損狀況。接觸界面非線性是界面上大量微凸體接觸非線性的整體體現(xiàn)，因此VAM檢測方法能夠從介觀層面反映界面的總體磨損量，降低了測量結(jié)果的隨機(jī)性。另外，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程非接觸式測量，同樣也是其優(yōu)勢之一。

圖3 某型直升機(jī)變距拉桿桿端關(guān)節(jié)間隙超標(biāo)

3)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的損傷檢測。一方面，VAM技術(shù)對(duì)被檢結(jié)構(gòu)材料的適應(yīng)性很強(qiáng)，理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明VAM能可靠檢測復(fù)合材料的裂紋、分層和沖擊等多種損傷類型。另一方面，直升機(jī)旋翼槳葉和槳轂的主要承力結(jié)構(gòu)都是復(fù)合材料的，且鋪層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。尤其是旋翼槳葉，一般由纖維布蒙皮、NOMEX蜂窩以及大梁等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)組成。由于粘接結(jié)構(gòu)和孔洞結(jié)構(gòu)多，使用線性超聲檢測方法(如超聲C檢)很難從復(fù)雜的回波模式中辨識(shí)出損傷特征，往往需要完好槳葉截面精確的回波模式數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測人員。而VAM檢測對(duì)粘接界面和孔洞結(jié)構(gòu)并不敏感，因而不存在上述問題。

2.3 亟待解決的幾個(gè)技術(shù)問題

VAM 技術(shù)由俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理研究所的學(xué)者于20世紀(jì)90年代中期首先提出。二十多年來，其先進(jìn)性已經(jīng)獲得了廣泛認(rèn)可。但隨著研究的不斷深入，一些理論與實(shí)踐問題也逐漸凸顯。尤其是VAM技術(shù)的在線應(yīng)用方面，還面臨很多理論和技術(shù)挑戰(zhàn)。

與VAM損傷檢測相關(guān)的大部分研究，都假定被測結(jié)構(gòu)處于自由狀態(tài)。但是，當(dāng)考慮對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行原位在線監(jiān)測時(shí)，部件外部載荷對(duì)裂紋狀態(tài)的影響以及外部接觸邊界(如安裝緊固面)帶來的非線性干擾將是兩個(gè)無法回避的問題。然而，學(xué)者們雖然在實(shí)驗(yàn)研究過程中發(fā)現(xiàn)了這些問題，但目前還未進(jìn)行深入研究，具體的解決方法還鮮有報(bào)道。

2.3.1 外部載荷的影響

被測構(gòu)件的外部載荷將會(huì)改變損傷接觸面的接觸應(yīng)力和接觸狀態(tài)，隨即導(dǎo)致界面非線性發(fā)生改變。圖 4所示為某裂紋在受外部載荷σ∞以及殘余應(yīng)力σr作用下等效厚度由D0變?yōu)镈。此時(shí)接觸面非線性彈簧模型可表示為：

Δσ=K1(D-D0)+K2(D-D0)2

(2)

式中：D0為自由狀態(tài)下裂紋的平均厚度；K1和K2分別為接觸面一階(線性)剛度與二階(非線性)剛度?？紤]損傷接觸面對(duì)兩列激勵(lì)縱波的前向和后向散射場，將式(2)與文獻(xiàn)[5]的模型結(jié)合，可求得和差頻分量的反射和透射場非線性系數(shù)(損傷指數(shù)DI)分別為：

(3)

式中：

(4)

sc為裂紋面的實(shí)際接觸面積，k1、k2和k±分別為兩入射波和調(diào)制邊帶分量的波數(shù)，上標(biāo)b和f分別表示后向和前向散射場，其它所有符號(hào)意義與文獻(xiàn)[5]相同。

圖4 受載裂紋體的等效厚度

式(3)表明，當(dāng)含裂紋的構(gòu)件受變化的外力作用時(shí)，VAM損傷指數(shù)將顯著地受到外部載荷的影響。也表明損傷指數(shù)不再與裂紋尺寸成正比關(guān)系。因此，外力無規(guī)律變化將導(dǎo)致?lián)p傷量化結(jié)果無法解釋。

Jia等[11]結(jié)合裂紋閉合應(yīng)力分布，提出了一種無載荷效應(yīng)的損傷指數(shù)LIDI，并通過對(duì)鋁板試樣疲勞裂紋擴(kuò)展的在線跟蹤，證實(shí)了方法的有效性。雖然該方法還存在一些不足，但可減弱外部載荷的影響，是一種較有前途的解決方案。

2.3.2 接觸邊界的干擾

一般地，處于工作狀態(tài)的任何部件都將與其他部件發(fā)生接觸(如緊固安裝面)。接觸非線性理論認(rèn)為，發(fā)生彈塑性接觸的外部接觸面與損傷接觸面都會(huì)表現(xiàn)出非線性特性。由于兩類結(jié)構(gòu)的非線性機(jī)理類似，很難對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分辨，因此進(jìn)行VAM測試時(shí)，外部接觸邊界將對(duì)損傷檢測產(chǎn)生干擾。解決邊界干擾問題是VAM技術(shù)得以在線應(yīng)用的基本前提，也越來越受到學(xué)者們的重視[18,19]，但是目前還沒有解決該問題的實(shí)用方法。

可考慮使用兩種策略減弱接觸邊界的干擾。一是區(qū)分干擾源：通過改進(jìn)接觸非線性建模方法等手段，研究材料內(nèi)部接觸非線性與邊界接觸非線性的區(qū)別，并開發(fā)有效的信號(hào)處理方法減弱邊界干擾。二是隔離干擾源：可嘗試結(jié)合現(xiàn)代聲學(xué)微結(jié)構(gòu)技術(shù)(如聲沉技術(shù))，通過增加特殊涂層或者在接觸面構(gòu)建特殊微結(jié)構(gòu)等手段，減少和吸收接觸邊界對(duì)聲場的散射，從而達(dá)到隔離干擾源的目的。

3 結(jié)論

對(duì)VAM測試技術(shù)的實(shí)施方法和優(yōu)勢特點(diǎn)的分析表明，該技術(shù)滿足直升機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的技術(shù)需求，是一種很有研究價(jià)值和應(yīng)用潛力的無損檢測方法。

VAM檢測技術(shù)靈敏度高，適合損傷的早期檢測，且對(duì)被測結(jié)構(gòu)中的自由邊界以及孔洞等結(jié)構(gòu)不敏感，不僅適合用于損傷檢測，還可用于接觸應(yīng)力檢測以及微接觸間隙測量等場合。VAM技術(shù)的這些特點(diǎn)，使得其非常適合應(yīng)用于直升機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，例如，重要承力結(jié)構(gòu)的緊固螺栓松動(dòng)檢測，滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)副磨損間隙測量以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的損傷檢測等。

VAM技術(shù)雖然優(yōu)勢明顯但發(fā)展并不成熟，具體到直升機(jī)維修工程的需求而言，面臨的主要技術(shù)瓶頸是外部載荷的影響以及外部接觸邊界的干擾問題。對(duì)外部載荷影響問題，建議的研究方向?yàn)橥晟坪透倪M(jìn)接觸非線性建模方法；對(duì)接觸邊界干擾問題，建議從區(qū)分干擾源和隔離干擾源兩條路徑展開深入研究。