實(shí)驗(yàn)名稱：高壓功率放大器在復(fù)合材料沖擊損傷檢測技術(shù)中的應(yīng)用

研究方向：超聲無損檢測、復(fù)合材料

實(shí)驗(yàn)原理：

非線性振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)向結(jié)構(gòu)輸入兩種不同頻率的連續(xù)正弦信號(hào)，即低頻振動(dòng)信號(hào)與高頻超聲信號(hào)。當(dāng)結(jié)構(gòu)完整時(shí)，接收信號(hào)的頻譜僅有兩列輸入信號(hào)成分；當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在缺陷時(shí)，施加低頻振動(dòng)會(huì)使結(jié)構(gòu)中缺陷的接觸界面反復(fù)閉合，使低頻振動(dòng)與高頻超聲產(chǎn)生調(diào)制效應(yīng)，接收信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生調(diào)制邊頻和高次諧波等其他成分。通過觀察接收信號(hào)的頻譜成分，即可判斷結(jié)構(gòu)中是否存在缺陷，非線性振動(dòng)聲調(diào)制檢測原理如下圖所示：

圖：非線性振動(dòng)聲調(diào)制檢測原理

由振動(dòng)聲調(diào)制原理可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在缺陷時(shí)，低頻振動(dòng)與高頻超聲信號(hào)會(huì)相互作用產(chǎn)生調(diào)制邊頻，調(diào)制邊頻的階數(shù)與幅值取決于調(diào)制強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)的損傷程度。

測試設(shè)備：ATA-2041高壓放大器、PZT壓電晶片、疊堆式壓電陶瓷、激振器、信號(hào)發(fā)生器、多功能測試儀

實(shí)驗(yàn)過程：

在非線性振動(dòng)聲調(diào)制檢測中，需在試件激勵(lì)高頻超聲信號(hào)與低頻振動(dòng)信號(hào)。使用PZT壓電晶片作為高頻超聲激勵(lì)與接收換能器，壓電晶片直徑為15ｍｍ，厚度為4mm。振動(dòng)聲調(diào)制試樣常使用激振器作為低頻激勵(lì)裝置，但需要對試樣進(jìn)行固定且激勵(lì)位置受限，采用疊堆式壓電陶瓷作為低頻激勵(lì)具有位置選擇靈活、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。通過疊堆壓電陶瓷激勵(lì)低頻振動(dòng)，所有壓電陶瓷均使用雙組份環(huán)氧樹脂粘接在試樣上以保證耦合質(zhì)量。使用信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)連續(xù)正弦信號(hào)，通過ATA-2041高壓放大器加載到疊堆壓電陶瓷產(chǎn)生低頻振動(dòng)，振動(dòng)頻率選取各復(fù)合材料層板的模態(tài)頻率，幅值以10V為起始每次增加10V直至100V，形成穩(wěn)定的振動(dòng)場后使用多功能測試儀發(fā)射幅值為10Vpp的連續(xù)高頻超聲信號(hào)，并由PZT壓電片接收調(diào)制信號(hào)。為比較不同高頻超聲頻率對試驗(yàn)結(jié)果的影響，使用特定超聲頻率，任意選取與特定頻率相近的91kHz作為三塊復(fù)合材料層板的超聲激勵(lì)頻率，各試樣低頻振動(dòng)頻率保持不變。為保證較高的頻率分辨率，采樣頻率設(shè)置為1MHz，采樣長度為100Kpts。分別對三個(gè)試樣進(jìn)行非線性振動(dòng)聲調(diào)制檢測試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集后傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。為最大程度減小邊界對試樣結(jié)果的影響，試驗(yàn)中使用尼龍繩懸掛試樣以模擬自由邊界條件。為提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，降低偶然因素影響，各低頻電壓激勵(lì)時(shí)測量三次，取調(diào)制系數(shù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，為便于對比超聲頻率對調(diào)制系數(shù)的影響，三個(gè)試樣各階模態(tài)調(diào)制系數(shù)的縱軸坐標(biāo)均取同一范圍，試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如下圖所示。

圖：非線性振動(dòng)聲調(diào)制試驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1、非線性振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)通過高頻超聲與低頻振動(dòng)在結(jié)構(gòu)中的相互作用，會(huì)產(chǎn)生調(diào)制邊頻，通過調(diào)制系數(shù)ＭＩ判斷調(diào)制效應(yīng)的大小以判斷試樣是否存在缺陷。通過合理選取激勵(lì)頻率與幅值，此技術(shù)能夠有效判別復(fù)合材料中是否存在沖擊損傷缺陷，且與超聲Ｃ掃描結(jié)果趨勢一致。

2、試樣的調(diào)制系數(shù)隨電壓呈近似線性增長趨勢，不同振動(dòng)模態(tài)下產(chǎn)生的調(diào)制效應(yīng)各不相同，合理選取超聲頻率及振動(dòng)模態(tài)將有利于區(qū)分缺陷，文中選擇特定超聲頻率、第５階振動(dòng)模態(tài)及較小的低頻激勵(lì)幅值（大于20Vpp）即可較易分辨缺陷試樣。

圖：各式樣判定系數(shù)

安泰ATA-2041高壓放大器：

圖：ATA-2041高壓放大器的指標(biāo)參數(shù)

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