金　龍，朱振池，劉千令，許兆健，董曉霄

（東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京210089）

基于激振聲學的物體內(nèi)部缺陷檢測裝置

金龍，朱振池，劉千令，許兆健，董曉霄

（東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京210089）

提出一種物體內(nèi)部缺陷檢測方法，是對所需檢測的物體發(fā)出聲波激振，同時接收反饋振動，并進行頻譜分析，對比頻譜判斷被測物體內(nèi)部是否有缺陷或損壞。建立了簡單模型，通過仿真和實物試驗驗證了該裝置的有效性。該檢測裝置應用范圍廣泛，在電力、機械、建筑、制造業(yè)等行業(yè)均有巨大的潛力。

激振聲學；缺陷檢測；頻譜；快速傅里葉分析

0　引言

激振聲學檢測法作為一個全新的缺陷檢測方法，具有檢測效率高、范圍廣、勞動強度低等優(yōu)點，在電力、機械、建筑、制造業(yè)等行業(yè)均有巨大的潛力[1-2]。傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)可用于檢測和診斷產(chǎn)品缺陷，利用目視技術(shù)或通過掃描成像技術(shù)來尋找被測物體的缺陷[3-5]。早在上世紀八十年代，激振聲學檢測法由俄羅斯科學家應用于電力系統(tǒng)瓷支柱絕緣子缺陷檢測，其原理是通過向絕緣子底部發(fā)射特殊激勵振動波，同時接收其振動反饋波，經(jīng)傅里葉變換分析該反饋波形的頻譜，即可判斷絕緣子是否有裂紋、裂紋大概部位、機械強度是否降低或喪失。聲學檢測技術(shù)作為一種簡便、準確的檢測方法，不僅在電力系統(tǒng)絕緣設備檢測上具有很好的應用前景，在工業(yè)生產(chǎn)檢測中也具有非常廣泛的應用[6]。美國MODALSHOP公司曾為NASA對構(gòu)成飛行器部件的每一個零件進行質(zhì)量檢測的產(chǎn)品，也是應用了共振聲學檢測法。

傳統(tǒng)掃描法包括磁粉探傷、渦流/電磁測試、超聲波檢測、染料滲透測試、X射線/放射測試和目視檢測法。這些傳統(tǒng)的無損測試方法與共振檢測法的掃描原理有著本質(zhì)的區(qū)別。掃描法由人工操作并且需要操作者的主觀判斷，對于操作者的技術(shù)水平有一定的要求，同時操作者的主觀因素也對檢測結(jié)果有一定的影響。而激振聲學檢測法是測量待測件的結(jié)構(gòu)頻譜，將該頻譜與標準被測件的結(jié)構(gòu)頻譜進行對比來判斷被測物體是否存在缺陷。該方法是對待測物體整體進行測量，包括結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷和外部缺陷，并給出客觀和定量的檢測結(jié)果。物體的結(jié)構(gòu)頻譜是由物體本身的共振特性決定的，具有獨一無二的、可重復測量的特性，它是由被測物體的幾何特征和材料屬性共同決定的，是激振檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。測試過程中，一次測試就可以測量出一個被測物體的特征頻譜。

1　理論依據(jù)

1.1振動模態(tài)

模態(tài)分析是用于研究機械結(jié)構(gòu)動力學特性的一種分析手段。所有的金屬結(jié)構(gòu)都會因各種原因而產(chǎn)生變形，而這種變形通過肉眼很難觀察到，但通過模態(tài)分析就能將其描述出來。結(jié)構(gòu)的振動表現(xiàn)為一系列單頻振動的疊加，任何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲音都是由這類振動引起的。激振檢測技術(shù)正是利用了結(jié)構(gòu)的這個振動聲學特性來評價待測部件的整體性和一致性的。

如圖1所示的單自由度振子系統(tǒng)包含質(zhì)量塊、彈簧和阻尼。系統(tǒng)的 3個基本元素分別是質(zhì)量（m）、剛度（k）和阻尼（c），系統(tǒng)狀態(tài)可由質(zhì)量塊的位移來描述，激振力F輸入給系統(tǒng)的能量表現(xiàn)為質(zhì)量塊的動能和彈簧的彈性勢能，并由阻尼不斷耗散。系統(tǒng)的數(shù)學表達式：

圖1　單自由度振子系統(tǒng)

對于一個無阻尼系統(tǒng)，上述運動方程的解為：

由式(2)可見，無阻尼結(jié)構(gòu)的固有頻率f由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度決定。對于多自由度系統(tǒng)，式(2)中質(zhì)量和剛度的關(guān)系仍然成立。由此可得在結(jié)構(gòu)不變的情況下，增加剛度會使得固有頻率增加，增加質(zhì)量會降低固有頻率。激振聲學檢測技術(shù)正是利用這些結(jié)構(gòu)的基本特性來評價待測物的整體性和一致性的。

1.2模態(tài)分析

固有頻率是結(jié)構(gòu)的整體屬性，結(jié)構(gòu)的缺陷會使得固有頻率有所偏移。例如，裂紋會改變裂紋所在區(qū)域的剛度，密度的變化或氣孔會改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。裂紋一般會降低結(jié)構(gòu)的剛度，導致固有頻率降低。類似地，氣孔會導致減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進而導致固有頻率升高。假如缺陷大小和位置在某一階模態(tài)表現(xiàn)明顯，那么這一階固有頻率的偏移是可以通過測量得到的。要檢測到物體的固有頻率，必須通過外界輸入振動信號，共振可以由式(3)計算：

其中：f0為固有頻率，fex為激振頻率（外部輸入頻率），當δ=0，即 f0=fex時，被測物體達到共振點，其反饋振幅會遠遠大于其他激振頻率時的振幅[7]。

1.3傅里葉變換

現(xiàn)實中的數(shù)字信號處理都是作用于有限長的數(shù)據(jù)記錄,需要對連續(xù)的無限長信號進行截短,然后才能進行FFT運算。有限長度信號進行FFT運算必然會產(chǎn)生能量泄露,導致分析頻譜中的信號泄露到相鄰的頻率,這就需要對原始信號進行加窗處理,加窗能夠改善頻譜的泄露。一個窗口的定義如下：

典型的窗函數(shù)有矩形窗、漢寧窗、漢明窗等，本試驗采用矩形窗口的采集方式：

通過儀器測量得到的是被測物體的反饋波形，要得到物體的固有頻率，需要對反饋波形進行頻譜分析，通過傅里葉變換可以提取出信號頻譜，離散傅里葉變換(5)可以將一個信號變換到頻域：

其中 WN=e-j2π/N稱為W 因子。

FFT是離散傅里葉變換的快速算法，F(xiàn)FT算法就是利用W矩陣中W元素的周期性和對稱性，可以將一個N點的DFT運算分解為兩組N/2點的DFT運算，然后取和即可。為進一步提高效率，將上述兩個矩陣按奇偶順序逐級分解下去。

2　設備工作原理

本課題組根據(jù)上述原理設計了試驗用儀器，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。系統(tǒng)采用內(nèi)核為 Cotex-M3的LPC1768芯片作為 MCU，設備由磁簧開關(guān)觸發(fā)啟動電路，使MCU開始工作，初始化完成后LPC1768發(fā)出白噪聲PWM波，經(jīng)過整流、濾波、放大后，再由功放電路驅(qū)動振動發(fā)射器發(fā)出聲波振動；振動接收器接收信號后將電荷轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換后存儲到TF卡中；分析數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)導入到上位機，通過頻譜分析得到待測物體的頻域曲線；將每個待測件的頻域曲線與標準頻域曲線進行對比，分析其一致性，標準頻域曲線是來自于已知合格件的測試曲線。共振頻率表現(xiàn)為頻譜曲線上各個峰值，合格件頻譜曲線的各個峰值在幅度和頻率上與標準頻域曲線是一致的。頻譜曲線上峰值的幅度和頻率差異都意味著該待測件與合格件有差異。簡而言之，激振聲學檢測就是通過給予待測件一個隨機振動，并利用加速度傳感器“聽取”其聲學響應?？煽氐碾S機振動在頻域上是一條平坦的能量譜，加速度傳感器實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的接觸式測量。輸入能量在待測件的固有頻率點被“放大”和輻射，并被加速度傳感器采集。

圖2　測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1振動發(fā)射器

振動發(fā)射器作為振動聲波發(fā)射裝置，其共振頻率必須要高于被測物體的固有頻率，本文選取了特殊的陶瓷片，該陶瓷屬于超聲波電機材料，通過LabVIEW對該材料進行掃描，如圖3所示，可以看到圖中振幅突變位置大約在24 kHz左右，由此可知在測量范圍(1 kHz～10 kHz)內(nèi)，該振子不會發(fā)生諧振。激振子結(jié)構(gòu)采用多片陶瓷并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，并將在振動方向上疊加，以增強激振力。發(fā)射器前端采用錐形結(jié)構(gòu)探頭，該結(jié)構(gòu)探頭可將聲波振動放大，并可接觸到不易測量的位置。振動接收探頭的結(jié)構(gòu)與其相同，也有一個錐形探頭，該結(jié)構(gòu)與發(fā)射探頭對稱，使得接收的信號可以抵消發(fā)射信號經(jīng)探頭放大產(chǎn)生的干擾，設備采用壓電式加速度傳感器，靈敏度高達1.294 pC/m·s-2，振動經(jīng)加速度傳感器轉(zhuǎn)換成電荷信號后送入電荷放大電路，通過RC放大后送入可調(diào)節(jié)式信號調(diào)理電路。

圖3　激振器阻抗掃頻圖

圖4　激振器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2信號調(diào)理電路

本試驗所用設備的信號調(diào)理電路包括：電荷放大、帶通濾波、電壓抬升。

(1)電荷放大電路：把微弱的電荷信號放大成電壓信號。運算放大電路選擇 AD823，是雙通道、精密、16 MHz帶寬和高增益的放大器；反饋電容C32決定了電荷轉(zhuǎn)電壓輸出的大小以及電荷放大的頻率響應特性，電容性能的好壞直接決定著電荷放大器是否穩(wěn)定，此處反饋電容C32設定為 100 pF；反饋電阻主要是抑制反饋電容引起的零點漂移，由電荷放大器的下線截止頻率可知，在C32一定情況下，要保證下限截止頻率，反饋電阻R38必須盡可能大，經(jīng)過多次試驗驗證，此處設定為100 MΩ較合適，如圖5所示。

圖5　電荷放大電路原理圖

(2)帶通濾波電路：由低通濾波電路和高通濾波電路組合的帶通濾波電路，可根據(jù)通帶頻率計算出電阻電容值，設備用通帶頻率為1～10 kHz。

(3)電壓抬升電路：為使A/D轉(zhuǎn)換輸入達到合理區(qū)間，采用電壓抬升方法，利用運放將電壓抬升到1.5 V，同時增加了數(shù)字電位器的設計，可實現(xiàn)對抬升電位的靈活調(diào)節(jié)。

3　仿真與試驗

為了便于對比，本文挑選了一個A2鋼作為試驗對象進行試驗，其參數(shù)為：直徑 35 mm，長度 400 mm，密度7.86 g/cc，泊松比0.3，彈性模量203 GPa。通過軟件進行模態(tài)計算，得到其振動模態(tài)，再對鋼柱進行人為破壞，在距離鋼柱左端192 mm處切除一個矩形（25 mm×15 mm×2 mm），也進行模態(tài)仿真計算，其各模態(tài)如圖6。截取幾個有效模態(tài)進行對比，結(jié)果如表1。

由鋼柱的模態(tài)分析可以看到，除去二階彎振在切割前后沒有明顯變化外，一階縱振頻率和一階彎振頻率均有明顯降低，這與之前分析的物體固有頻率變化理論相吻合。由于人為切割裂痕沒有處于二階彎振的峰谷位置，故在該模態(tài)下頻率變化不明顯。

圖6　模態(tài)仿真圖

表1　鋼柱固有頻率

在實驗驗證中，由于鋼柱柱面較滑，激振頭無法固定，鋼柱兩端平面較為平坦，易于固定，比較便于測量，且一階縱振頻率在設備檢測范圍內(nèi)，二階縱振頻率大于10 kHz，故將一階縱振頻率作為主要測量頻率進行測量。實驗時采用如圖7方式進行測量，將激振器和接收器分別放在鋼柱兩端，所得頻譜如圖8所示。采用這種測量方法只能測量到鋼柱的縱振，無法測量鋼柱的彎振。

圖7　鋼柱測量示意圖

圖8　鋼柱測量頻譜圖

由頻譜分析圖8可以看到，鋼柱測量結(jié)果顯示，一階縱振頻率約為 6 580 Hz，比仿真結(jié)果高出 230 Hz，且結(jié)果可重復實現(xiàn)，可以判斷該儀器的測量結(jié)果是穩(wěn)定的(如圖8)。為了得到被測物體損壞后頻率變化的數(shù)據(jù)，對鋼柱進行人為破壞，對其進行切割，使其有一個深度為15 mm、寬度為2 mm的矩形缺口，如圖9所示。采用同樣的測量方法重新測量，其測量結(jié)果顯示一階縱振頻率為 6 020 Hz，頻率較未切割前明顯變小，如圖10所示，符合理論分析以及仿真結(jié)果?？梢钥闯鲈撊毕輽z測方法具有很高的可行性。

圖9　切割鋼柱示意圖

圖10　切割后鋼柱測量頻譜圖

4　結(jié)論

激振聲學檢測法在無損檢測中有著非常廣泛的應用，本文設計并制作了一套基于激振聲學的物體內(nèi)部缺陷檢測裝置，建立了一個簡單的鐵柱物理模型，計算了鐵柱的共振頻率，用該裝置測量了鐵柱的實際頻率。對鐵柱進行人為破壞后重復仿真和測量，結(jié)果表明，裝置測量到的物體共振頻率與仿真計算結(jié)果一致。該裝置測量結(jié)果準確，速度快，存儲數(shù)據(jù)量大，為無損檢測在實際應用中的推廣提供了一個很好的平臺。

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Internal defect detection device based on the acoustic excitation

Jin Long，Zhu Zhenchi，Liu Qianlin，Xu Zhaojian，Dong Xiaoxiao
(School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210089，China)

An internal defect detection method is proposed.It excites the vibration to a detected object,at the same time receives the feedback of vibration,then makes a spectral analysis.By comparing the measured spectrum，we can confirm whether the object has an internal defect or damage.A simple model is designed and the effectiveness of this method is verified by simulation and experiment.Its application widely ranges in power,machinery,construction,manufacturing and other sectors with great potential.

acoustic excitation；defect detection；spectrum；FFT

TM930.12

A

0258-7998(2015)02-0045-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.008

2014-10-09)

金龍(1965-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化、超聲波電機，E-mail：jinlong@seu.edu. cn。

朱振池(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化、智能電網(wǎng)。

劉千令(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化、軟件工程。