實驗名稱：高壓功率放大器在復合材料沖擊損傷檢測技術中的應用

研究方向：超聲無損檢測、復合材料

實驗原理：

非線性振動聲調制技術向結構輸入兩種不同頻率的連續正弦信號，即低頻振動信號與高頻超聲信號。當結構完整時，接收信號的頻譜僅有兩列輸入信號成分；當結構中存在缺陷時，施加低頻振動會使結構中缺陷的接觸界面反復閉合，使低頻振動與高頻超聲產生調制效應，接收信號中會產生調制邊頻和高次諧波等其他成分。通過觀察接收信號的頻譜成分，即可判斷結構中是否存在缺陷，非線性振動聲調制檢測原理如下圖所示：

圖：非線性振動聲調制檢測原理

由振動聲調制原理可知，當結構中存在缺陷時，低頻振動與高頻超聲信號會相互作用產生調制邊頻，調制邊頻的階數與幅值取決于調制強度及結構的損傷程度。

測試設備：ATA-2041高壓放大器、PZT壓電晶片、疊堆式壓電陶瓷、激振器、信號發生器、多功能測試儀

實驗過程：

在非線性振動聲調制檢測中，需在試件激勵高頻超聲信號與低頻振動信號。使用PZT壓電晶片作為高頻超聲激勵與接收換能器，壓電晶片直徑為15ｍｍ，厚度為4mm。振動聲調制試樣常使用激振器作為低頻激勵裝置，但需要對試樣進行固定且激勵位置受限，采用疊堆式壓電陶瓷作為低頻激勵具有位置選擇靈活、安裝簡單等優點。通過疊堆壓電陶瓷激勵低頻振動，所有壓電陶瓷均使用雙組份環氧樹脂粘接在試樣上以保證耦合質量。使用信號發生器激勵連續正弦信號，通過ATA-2041高壓放大器加載到疊堆壓電陶瓷產生低頻振動，振動頻率選取各復合材料層板的模態頻率，幅值以10V為起始每次增加10V直至100V，形成穩定的振動場后使用多功能測試儀發射幅值為10Vpp的連續高頻超聲信號，并由PZT壓電片接收調制信號。為比較不同高頻超聲頻率對試驗結果的影響，使用特定超聲頻率，任意選取與特定頻率相近的91kHz作為三塊復合材料層板的超聲激勵頻率，各試樣低頻振動頻率保持不變。為保證較高的頻率分辨率，采樣頻率設置為1MHz，采樣長度為100Kpts。分別對三個試樣進行非線性振動聲調制檢測試驗，數據采集后傳入計算機進行分析。為最大程度減小邊界對試樣結果的影響，試驗中使用尼龍繩懸掛試樣以模擬自由邊界條件。為提高試驗準確性，降低偶然因素影響，各低頻電壓激勵時測量三次，取調制系數的平均值作為試驗結果，為便于對比超聲頻率對調制系數的影響，三個試樣各階模態調制系數的縱軸坐標均取同一范圍，試驗平臺示意圖如下圖所示。

圖：非線性振動聲調制試驗平臺

實驗結果：

1、非線性振動聲調制技術通過高頻超聲與低頻振動在結構中的相互作用，會產生調制邊頻，通過調制系數ＭＩ判斷調制效應的大小以判斷試樣是否存在缺陷。通過合理選取激勵頻率與幅值，此技術能夠有效判別復合材料中是否存在沖擊損傷缺陷，且與超聲Ｃ掃描結果趨勢一致。

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

圖：各式樣判定系數

安泰ATA-2041高壓放大器：

圖：ATA-2041高壓放大器的指標參數

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