| 摘要： 在現(xiàn)在的經(jīng)濟觀點中，結(jié)構(gòu)必須保持工作的時間要比初始預(yù)期的時間要長的多。這些結(jié)構(gòu)的老化效應(yīng)變得很顯著，并在確定關(guān)于這些結(jié)構(gòu)使用、維護(hù)和退役方案時必須考慮老化效應(yīng)。
用于監(jiān)控結(jié)構(gòu)狀況的無損檢驗技術(shù)的發(fā)展是非常活躍的，且這些發(fā)展主要集中于已存在結(jié)構(gòu)現(xiàn)有壽命的延長和維護(hù)費用的降低。 一種快速、準(zhǔn)確和成本較低的結(jié)構(gòu)監(jiān)控方法是聲發(fā)射(AE)和超聲-聲發(fā)射(AU)，這種方法已被證明非常可靠，并能檢測"局部"和"全局"。AE/AU技術(shù)可以在可能的災(zāi)難性故障以前檢測結(jié)構(gòu)缺陷，補充其他的無損檢測檢驗方法。AE/AU技術(shù)在預(yù)定的維護(hù)計劃中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控已被證明是可靠的、合理的技術(shù)。這是因為在危及結(jié)構(gòu)完整性和結(jié)構(gòu)故障發(fā)生之前，中斷處可以產(chǎn)生可檢測到的聲發(fā)射。聲發(fā)射技術(shù)和超聲-聲發(fā)射技術(shù)可以應(yīng)用于現(xiàn)在很多的老化結(jié)構(gòu)問題，范圍涉及航天工業(yè)中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控。確定混合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由活動缺陷引起的不連續(xù)處。本文將檢驗這種技術(shù)，并討論幾種應(yīng)用和監(jiān)控案例。 介紹： 聲發(fā)射 (AE)是從材料中的損傷源快速釋放能量而產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波。這些彈性波可以監(jiān)測到并轉(zhuǎn)換成壓電信號，這些由安裝在材料表面的小的壓電晶體傳感器完成。傳感器響應(yīng)通過前后濾波器去除頻率低于100KHz的可聽得見的噪聲。結(jié)果表明即使是周圍的噪聲水平很高使用聲發(fā)射也能監(jiān)控結(jié)構(gòu)的活動損傷。聲發(fā)射的損傷源包括斷裂、塑性變形、沖擊、磨擦、腐蝕膜層破壞及其他過程。對于檢測幾百平方微米或更小的表面上新形成的裂紋，聲發(fā)射有足夠的靈敏度。
超聲-聲發(fā)射(AU)是在具有聲發(fā)射應(yīng)用特征的頻率范圍內(nèi)使用超聲波方法。該技術(shù)能檢測和描繪單層和多層金屬、陶瓷和復(fù)合板材料結(jié)構(gòu)的差異。也能對微觀結(jié)構(gòu)、金屬厚度和厚的復(fù)合材料進(jìn)行腐蝕及分布差異的檢測。AU使用脈沖發(fā)生器和接收傳感器以低超聲范圍內(nèi)的共振頻率，結(jié)合波傳播動力學(xué)預(yù)測來檢測損傷。超聲波被表面和界面反射回來，由于散射和吸收衰減，在反射和播送中模式發(fā)生變化。這些結(jié)果主要依賴于波的頻率、方向、初始模式和表面損傷的位置和方位。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，信號發(fā)生變化就表示損傷類型。通過計算信號中給定的損傷類型和度的平均變化?？梢詮腁U測量值來估算損傷。 結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)控(SHM)系統(tǒng)： | 聲發(fā)射-直升機健康狀態(tài)和使用監(jiān)控系統(tǒng)(AE-HUMS)是一種用于直升機動力傳動系統(tǒng)中檢測損傷的裝置。該系統(tǒng)使用SH-60動力傳動系統(tǒng)(組成見圖1)獲得的實驗數(shù)據(jù)研制而來。使用該數(shù)據(jù)顯示AE-HUMS系統(tǒng)有能力檢測動力傳動系統(tǒng)中不同部件的多種損傷過程，能估算相對損傷危害度，及能識別損傷進(jìn)展，例如：裂紋擴展等。在副齒輪中擴展的裂紋能在故障發(fā)生前15分鐘檢測出來。 |
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| 同時，還能檢測和監(jiān)控裂紋形成前數(shù)小時由損傷引起的裂紋(如圖2)，有跡象表示將來對系統(tǒng)修改將允許裂紋的形成和裂紋擴展，并可以與其他類型的損傷擴展區(qū)分開來。在廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)AE-HUMS系統(tǒng)用來監(jiān)控動力傳動系統(tǒng)、齒輪箱及轉(zhuǎn)動零件有很大的潛力。 |
目前裝配的AE-HUMS系統(tǒng)提供了四個級別的損傷指標(biāo)。每個通道顯示一個狀態(tài)條，四種顏色中的一種表示部件的一種狀態(tài)。這些顏色是：綠色表示通過情況；黃色表示可能的最小無擴展損傷；橙色表示明確的和嚴(yán)重的無擴展損傷；紅色表示嚴(yán)重的擴展損傷。無聲音報警。操作員可以關(guān)掉任一通道或整個系統(tǒng)。
飛機全尺寸疲勞試驗(FSFT)：現(xiàn)在的無損檢測技術(shù),象超聲波、渦流和放射線照相術(shù)要求很高的經(jīng)過培訓(xùn)的技術(shù)人員，花費很多時間尋找顯著區(qū)域，且經(jīng)常分解機架結(jié)構(gòu)以確定裂紋位置和長度。目前，檢測位置和間隔必須依據(jù)以前的缺陷統(tǒng)計特征。然后必須在所有位置進(jìn)行無損檢測掃描來確定是否有真正的缺陷存在。使用聲發(fā)射允許通過裂紋擴展聲音識別點位置檢測。 | 全尺寸疲勞試驗是依據(jù)在實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)預(yù)先加載與服役中一樣的循環(huán)載荷原理。試驗的自動加載系統(tǒng)在比實際運行服役短很多的時間段內(nèi)提供很多次載荷循環(huán)。因為強迫缺陷擴展，在維修它時要和實際操作規(guī)程一樣。這個試驗全部目的是確定疲勞臨界位置和在這些位置上疲勞壽命和裂紋擴展特征。 |
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FSFT是載荷模式，即：疲勞載荷譜依據(jù)于實際運行數(shù)據(jù)。在早期產(chǎn)品階段(圖3)完成全尺寸試驗通常使用很低危害的疲勞載荷譜(和多數(shù)飛行目前進(jìn)行載荷譜比較)，期望的飛行使用壽命也比現(xiàn)在要求機架壽命短。這就導(dǎo)致要保持我們舊的飛行就要求越來越多的FSFTS。
聲發(fā)射試驗是一項在應(yīng)力狀態(tài)下"聽"結(jié)構(gòu)的技術(shù)。在預(yù)加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中裂紋或缺陷發(fā)射聲波。這些波通過結(jié)構(gòu)傳播并由一組壓電晶體傳感器收集信號。這些信號傳輸?shù)交趦x器的計算機中來分析波形特征，通過比較在傳感器組中不同傳感器信號的到達(dá)時間，可以確定缺陷點所在的位置。
| 聲發(fā)射在F-15疲勞試驗上的應(yīng)用主要集中于飛機上的幾個關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)(圖4)。主要感興趣的點是在機翼和機身之間的連接耳片。這些中間的和主翼梁上的耳片在工作過程承受巨大的載荷并經(jīng)常在現(xiàn)場進(jìn)行檢測。機翼和機身固定耳片將機翼主梁與機身隔壁連成一體，由2124鋁合金，7075鋁合金和6A1-4V鈦鍛件加工而來。 |
| 即使使用最現(xiàn)代的傳統(tǒng)檢測技術(shù)確定疲勞裂紋的位置也常常很困難。聲發(fā)射有告訴檢測人員什么時間什么區(qū)域檢測的能力。用這個系統(tǒng)可以節(jié)省試驗停車時間，減少試驗樣機發(fā)生災(zāi)難性故障的機率，用該系統(tǒng)獲得較好地對裂紋形成的理解。這種類型的儀器(圖5)對疲勞研究是非常有用的，總有一天我們將看到空中聲發(fā)射監(jiān)控設(shè)備作為一種重要的監(jiān)控系統(tǒng)。圖6和圖7所示為傳感器和前置放大器在FST飛機上的位置。 |
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圖8.DC-XA 技術(shù)驗證和火箭 |
圖9.AEFIS and AE 傳感器安裝位置 |
飛行聲發(fā)射（AE）作為一種健康狀態(tài)管理試驗在DC-XA三角機翼運輸機技術(shù)驗證機上獲得了成功地驗證。AE系統(tǒng)作為商業(yè)可買到的儀器單元修改用于自動控制和重設(shè)計AEFIS，AEFIS表示聲發(fā)射飛行儀器系統(tǒng)。聲發(fā)射技術(shù)預(yù)示著對滿足新的要求有了希望：能監(jiān)控和反饋關(guān)于結(jié)構(gòu)、燃油箱和燃油系統(tǒng)狀態(tài)的信息并傳遞給機載計算機。未來空間旅行的最關(guān)心的問題之一就昌微隕石沖擊，它能碰擊飛行器上升、下降及在軌道上運動，特別是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)逐步成為主流。在飛行器上用聲發(fā)射，它能被動地"聽"結(jié)構(gòu)并確定沖擊發(fā)生的位置。一旦發(fā)生沖擊，系統(tǒng)確定沖擊部位并評估它的危害度。確定位置以后，系統(tǒng)橫過沖擊區(qū)域完成AU試驗：主動發(fā)射脈沖到AE傳感器及獲得收到的數(shù)字化波形并和地面標(biāo)定獲得的波形進(jìn)行比較。然而這個試驗結(jié)果進(jìn)入人工智能化(AI)算法以便給進(jìn)行下一步或不進(jìn)行下一步命令(即：如果損傷發(fā)生在陶瓷熱防護(hù)罩上，就可以從分裂及燃燒掉的狀況前挽救結(jié)構(gòu)。) 象前面提到的，AEFIS最初設(shè)計作為一種原型反饋關(guān)于LH2箱結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，包括溫度極限、振動和背景噪聲等信息。其他技術(shù)挑戰(zhàn)有：
·修改標(biāo)準(zhǔn)的AE系統(tǒng)不用主動冷卻就能工作；
·通過濾波器去除高背景聲音和電噪聲；
·去除電磁干涉(EMI)；
·隨狀態(tài)更新能直接與火箭PC機通信，自檢查和指示；
·由結(jié)構(gòu)完整性分析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)；
·由火箭飛行器提供飛行數(shù)據(jù)基線。
| 研制一套AEFIS裝置可能采用現(xiàn)成的產(chǎn)品將超過6個月時間。在飛行器內(nèi)部將最后的配置安裝到著陸腳支柱上，將AE傳感器由電纜連到LH2箱上并包括前置放大器(圖9)。該裝置使用耐用的工業(yè)PC機帶后板CPU，(2) PAC AEDSP 32/16AE板，一塊24VDC電源用飛行器動力并且是固體狀態(tài)硬件驅(qū)動。最后配置尺寸為6.5"X9.5"X15.5"，重23磅，無可移動零件(圖10)。軟件來自標(biāo)準(zhǔn)軟件，在安裝過程中允許有多種選擇增加自控自檢能力，系統(tǒng)狀態(tài)I/O及通過母系連接加載/下載能力等特征。母系連接常用來加載新的試驗配置和下載試驗數(shù)據(jù)，通過位于飛行器外面的一面板接入的筆記本電腦完成。 |
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使用的傳感器也是現(xiàn)成的產(chǎn)品并包括三種不同類型，選擇傳感器根據(jù)它們的頻率響應(yīng)、大小、靈敏度及在火箭中燃料加載，飛行和著陸過程中承受苛刻溫度和振動振蕩的能力，圖11所示為三種傳感器中的兩種及它們的大小。 總結(jié)： 從這里報導(dǎo)的工作中很明顯聲發(fā)射和聲-超聲波在航天無損檢驗和健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)中有一席之地。同時這里所說的兩個系統(tǒng)都是最新研制的。非常明顯以前非常困難和不可能檢測的結(jié)構(gòu)中裂紋和分層現(xiàn)在用上面兩系統(tǒng)可以解決。這些系統(tǒng)的工作目前研制其他系統(tǒng)并應(yīng)用于這樣的平臺：X-34和Delta火箭。 致謝: 我們將非常感謝：航空和司令部AATD的Bruce Thompson 及Boeing 公司的Gerry Nissen 和 Jerry Huang，感謝對本文工作的支持。 | 
