高压功率放大器在复合材料冲击损伤检测技术中的应用

实验名称：高压功率放大器在复合材料冲击损伤检测技术中的应用

研究方向：超声无损检测、复合材料

实验原理：

非线性振动声调制技术向结构输入两种不同频率的连续正弦信号，即低频振动信号与高频超声信号。当结构完整时，接收信号的频谱仅有两列输入信号成分；当结构中存在缺陷时，施加低频振动会使结构中缺陷的接触界面反复闭合，使低频振动与高频超声产生调制效应，接收信号中会产生调制边频和高次谐波等其他成分。通过观察接收信号的频谱成分，即可判断结构中是否存在缺陷，非线性振动声调制检测原理如下图所示：

图：非线性振动声调制检测原理

由振动声调制原理可知，当结构中存在缺陷时，低频振动与高频超声信号会相互作用产生调制边频，调制边频的阶数与幅值取决于调制强度及结构的损伤程度。

测试设备：ATA-2041高压放大器、PZT压电晶片、叠堆式压电陶瓷、激振器、信号发生器、多功能测试仪

实验过程：

在非线性振动声调制检测中，需在试件激励高频超声信号与低频振动信号。使用PZT压电晶片作为高频超声激励与接收换能器，压电晶片直径为15ｍｍ，厚度为4mm。振动声调制试样常使用激振器作为低频激励装置，但需要对试样进行固定且激励位置受限，采用叠堆式压电陶瓷作为低频激励具有位置选择灵活、安装简单等优点。通过叠堆压电陶瓷激励低频振动，所有压电陶瓷均使用双组份环氧树脂粘接在试样上以保证耦合质量。使用信号发生器激励连续正弦信号，通过ATA-2041高压放大器加载到叠堆压电陶瓷产生低频振动，振动频率选取各复合材料层板的模态频率，幅值以10V为起始每次增加10V直至100V，形成稳定的振动场后使用多功能测试仪发射幅值为10Vpp的连续高频超声信号，并由PZT压电片接收调制信号。为比较不同高频超声频率对试验结果的影响，使用特定超声频率，任意选取与特定频率相近的91kHz作为三块复合材料层板的超声激励频率，各试样低频振动频率保持不变。为保证较高的频率分辨率，采样频率设置为1MHz，采样长度为100Kpts。分别对三个试样进行非线性振动声调制检测试验，数据采集后传入计算机进行分析。为最大程度减小边界对试样结果的影响，试验中使用尼龙绳悬挂试样以模拟自由边界条件。为提高试验准确性，降低偶然因素影响，各低频电压激励时测量三次，取调制系数的平均值作为试验结果，为便于对比超声频率对调制系数的影响，三个试样各阶模态调制系数的纵轴坐标均取同一范围，试验平台示意图如下图所示。

图：非线性振动声调制试验平台

实验结果：

1、非线性振动声调制技术通过高频超声与低频振动在结构中的相互作用，会产生调制边频，通过调制系数ＭＩ判断调制效应的大小以判断试样是否存在缺陷。通过合理选取激励频率与幅值，此技术能够有效判别复合材料中是否存在冲击损伤缺陷，且与超声Ｃ扫描结果趋势一致。

2、试样的调制系数随电压呈近似线性增长趋势，不同振动模态下产生的调制效应各不相同，合理选取超声频率及振动模态将有利于区分缺陷，文中选择特定超声频率、第５阶振动模态及较小的低频激励幅值（大于20Vpp）即可较易分辨缺陷试样。

图：各式样判定系数

安泰ATA-2041高压放大器：

图：ATA-2041高压放大器的指标参数

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