賈 俊，余建航，曾 輝，楊 杰

(1.陸軍航空兵學院,北京 101123；2.中國人民解放軍32145部隊，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

近年來，我軍直升機迅猛發(fā)展，訓練任務不斷增加，飛行安全問題凸顯,對維修質(zhì)效的要求不斷提高，視情維修(condition based maintenance, CBM)的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。通過監(jiān)測結構的狀態(tài)指標，準確掌握其健康狀態(tài)，是視情維修的基本前提。探索研究結構健康監(jiān)測(structural health monitoring，SHM)等視情維修技術的應用，是提高直升機維修質(zhì)效的重要途徑[1]。

振動聲調(diào)制(vibro-acoustic modulation, VAM)是一種新穎的結構健康監(jiān)測技術。該技術屬于非經(jīng)典非線性聲學范疇，相對于線性和經(jīng)典非線性檢測方法，其抗干擾能力強、檢測速度快且對微小裂紋靈敏度高，非常契合結構健康監(jiān)測對損傷早期探測的技術需求。國內(nèi)外學者對VAM技術進行了大量卓有成效的研究，取得了許多有價值的研究成果。在產(chǎn)生機理方面，提出了多種理論模型，并形成了裂紋開閉理論[2,3]和能量耗散理論[4]兩大主流理論。在實驗方法方面，發(fā)展出了以振動調(diào)制和沖擊調(diào)制為主流的多種測試方法[5]。在應用對象方面，涵蓋了包括金屬[6]、玻璃[7]、水泥[8]以及復合材料[9]在內(nèi)的不同材料和不同尺寸形狀的檢測對象。在應用層次方面，開展了結構損傷的有無測試(pass/fail test)[10]、擴展跟蹤[11]和定位成像[12]等不同層次的應用實驗。雖然VAM技術的可行性和先進性得到了充分驗證，但隨著研究的不斷深入，一些理論與實踐問題也逐漸凸顯。目前，該技術在集成性和可靠性等方面，還有待進一步深入研究。

直升機機械結構復雜，部件振動水平和疲勞載荷高，對維修技術的需求有不同側重。通過對直升機維修技術特別是結構健康監(jiān)測技術的需求特點分析，研究VAM檢測的適用領域，預判難點和瓶頸問題并提出相應的解決思路，對該技術在直升機維修中的應用研究大有裨益。

1 VAM檢測技術

1.1 基本原理

圖1所示為VAM測試的基本原理。使用超聲器件(壓電片PZT1和PZT2)向結構中同時激發(fā)兩個不同頻率的聲場(低頻f1和高頻f2)，如果結構完好無損，則PZT3接收的響應信號為兩個聲場的線性疊加，在譜圖中表現(xiàn)為兩根單一譜線；反之，如果結構中存在損傷，則介質(zhì)的連續(xù)性被破壞，在損傷區(qū)域表現(xiàn)出非線性，兩個聲場將在該區(qū)域發(fā)生非線性調(diào)制?；旌下晥鲱l域表現(xiàn)為在高頻分量f2兩側出現(xiàn)f2±nf1,n=1,2,3…等分量的調(diào)制邊頻，損傷的類型和尺寸等重要信息就蘊含在這些邊頻中。

現(xiàn)已廣泛認為，損傷接觸面在激勵聲場作用下表現(xiàn)出的非線性，是導致VAM現(xiàn)象的主因。為探究接觸型損傷非線性的本質(zhì)，人們提出了很多機理模型。盡管這些理論模型各有特點，但學者們普遍認為至今沒有一種非線性模型能完美地解釋VAM現(xiàn)象的全部特性。當前，用于研究VAM機理的理論逐漸形成了以裂紋開閉理論和能量耗散理論為代表的兩大“陣營”。前者還可細分為雙剛度模型和粗糙表面接觸模型。從當前的應用研究看，基于裂紋開閉的建模理論在理論基礎和解釋能力方面優(yōu)勢明顯，因此得到了廣泛應用。這種理論認為裂紋面的開閉運動以及閉合時接觸面的不同接觸狀態(tài)，導致材料在裂紋體附近表現(xiàn)出非線性“聲剛度”，這種非線性特性就是聲場產(chǎn)生非線性調(diào)制的根本原因。

圖1 VAM檢測基本原理

1.2 損傷量化

非線性調(diào)制的程度與非線性“聲剛度”有關，也即與損傷的類型和嚴重程度有關，這表明用響應聲場的非線性調(diào)制程度表征損傷的特性是可能的。

在各類用于損傷定量評估的損傷指數(shù)中，應用最為廣泛的一類是所謂的傳統(tǒng)損傷指數(shù)(conventional damage index, CDI)，其定義為一階和差頻調(diào)制邊帶的譜幅值之和(或平均值)A±與兩個激勵信號譜幅值(A1與A2)乘積的比值。CDI理論上與損傷的接觸面積成正比，即：

(1)

但是，只有在試樣自由狀態(tài)以及測試參數(shù)(如激勵信號幅度與頻率、邊界條件和載荷狀態(tài)、結構內(nèi)超聲的傳播模式等)保持穩(wěn)定的理想情況下，式的正比關系才成立[6]。為了提高CDI的適應能力和量化精度，不少學者從建模理論[11]、信號處理[13]以及測試方法[14]等方面著手改進。

1.3 損傷定位

目前常用的定位方法是將非線性超聲特征與超聲掃描方法結合，通過移動探頭位置對結構進行掃描實現(xiàn)損傷的定位或成像[15]。但這種方法程序繁瑣，定位時間過長，不便于在線應用。時間反轉(zhuǎn)聲學(time reversal acoustics, TRA)的提出，可有效解決非線性損傷檢測的定位問題[16]。

時間反轉(zhuǎn)定位的實施流程是，傳感器陣列接收到非線性聲源(損傷)發(fā)射的信號后，首先對其進行時域延時和反轉(zhuǎn)，即將信號r(t)變?yōu)閞(τ-t)，然后再分別由原信道重新發(fā)射出去，即先到后發(fā)，后到先發(fā)。因此不同陣元發(fā)出的、沿不同路徑傳播的信號將同時到達聲源位置，產(chǎn)生疊加聚焦。它是聲場互易原理的應用之一，根據(jù)聲波聚焦點的位置可以定位聲源，并在一定條件下可以實現(xiàn)聲源發(fā)射信號的重構。

圖2 時間反轉(zhuǎn)聚焦的基本原理

基于時間反轉(zhuǎn)聲學的定位方法，因具備魯棒性強、無需傳播介質(zhì)先驗知識且能對損傷位置進行聲聚焦等優(yōu)良特性，非常適合與VAM檢測技術結合，用于研發(fā)高靈敏度在線結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。

2 應用前景分析

2.1 VAM檢測技術的優(yōu)勢

VAM檢測技術作為一種非經(jīng)典的非線性超聲檢測技術，雖然還不具備完整的方法論體系，但其一些優(yōu)異特性是傳統(tǒng)的線性超聲方法甚至經(jīng)典的非線性超聲方法所不具備的，這也正是VAM檢測技術迅速成為研究熱點的主要原因。概括說來，VAM檢測技術的特殊優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1)靈敏度高，對微裂紋敏感，適合早期診斷。這是因為在VAM檢測中，低頻振動激勵起激發(fā)作用，它促使裂紋面互相碰撞，充分激發(fā)了裂紋的非線性；而高頻超聲激勵起探測作用，由于其波長相對較短，因此對損傷更為敏感。

2)對被測結構中的自由邊界以及孔洞等結構不敏感。傳統(tǒng)的線性超聲方法其回波信號往往受到結構邊界和孔洞干擾。但由于這些結構不會表現(xiàn)出非線性，因此不會對VAM等非線性超聲檢測方法造成不利影響。

3)適合接觸應力檢測以及微接觸間隙測量等場合。VAM檢測技術以接觸聲非線性為理論基礎，而接觸面表現(xiàn)出的非線性與接觸壓力和接觸面的實際接觸面積有關，因此可使用VAM檢測方法實現(xiàn)對接觸壓力和接觸面積的測量，例如，螺紋松動檢測[17]、裂紋張開與閉合測量[6]以及運動副磨損量測量等應用場合。

另外，VAM檢測方法對被檢材料的適應性很強，且對傳感器和檢測儀器的非線性不敏感，普通的壓電傳感器即可滿足測量要求，因此可方便地與時間反轉(zhuǎn)聚焦技術結合進行高靈敏度的自動在線損傷探測、定位成像[16]。

2.2 VAM檢測技術在直升機維修中的應用前景

直升機因結構特殊、旋轉(zhuǎn)部件多、復合材料承力部件多、部件受力情況復雜以及振動水平高等特點，機械故障率顯著高于固定翼飛機等其它航空器。因此，對直升機結構部件健康狀態(tài)的評估以及故障的早期診斷顯得尤為重要。一方面，對各類不同材料、結構復雜且疲勞載荷高的重要部件的狀態(tài)檢測迫切需要一種靈敏度高、適應性強、可全域檢測以及實施方便的無損檢測技術；另一方面，當前的直升機健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)(health and usage monitoring system，HUMS)基于振動信號分析方法，且主要監(jiān)測對象是旋翼和傳動系統(tǒng)等旋轉(zhuǎn)部件。為了實現(xiàn)對承力結構疲勞損傷的在線早期預警和診斷，需要引入先進的結構健康監(jiān)測技術進行完善[1]?？紤]到VAM檢測技術的優(yōu)異特性，該技術契合上述的直升機維修技術需求。具體來說，可以考慮在以下幾方面開展VAM技術的應用研究。

1)重要承力結構的緊固螺栓松動探測。接觸界面的非線性與接觸應力有關，因此可通過損傷指數(shù)表征接觸應力的變化，使得通過VAM技術檢測螺栓松動成為可能。一方面，VAM檢測的高靈敏性符合螺紋連接松動的早期診斷需求；另一方面，相對于傳統(tǒng)的力矩扳手定力檢測，VAM檢測方法可實現(xiàn)遠程非接觸式監(jiān)測，適合原位在線應用。

2)滑動摩擦運動副磨損間隙測量。摩擦副磨損間隙的測量在直升機維修工作中是非常常見的，如操縱拉桿桿端關節(jié)球鉸(見圖3)間隙檢查、自動傾斜器球鉸間隙檢查以及槳葉銷間隙檢查等。目前外場維護時使用目測、塞尺或者千分尺檢測，這種宏觀尺度的檢測方法實施方便，但測量結果隨機性強且不能從界面微凸體尺寸的介觀尺度反映磨損狀況。接觸界面非線性是界面上大量微凸體接觸非線性的整體體現(xiàn)，因此VAM檢測方法能夠從介觀層面反映界面的總體磨損量，降低了測量結果的隨機性。另外，可實現(xiàn)遠程非接觸式測量，同樣也是其優(yōu)勢之一。

圖3 某型直升機變距拉桿桿端關節(jié)間隙超標

3)復合材料結構件的損傷檢測。一方面，VAM技術對被檢結構材料的適應性很強，理論和實驗研究都表明VAM能可靠檢測復合材料的裂紋、分層和沖擊等多種損傷類型。另一方面，直升機旋翼槳葉和槳轂的主要承力結構都是復合材料的，且鋪層結構非常復雜。尤其是旋翼槳葉，一般由纖維布蒙皮、NOMEX蜂窩以及大梁等復合材料結構組成。由于粘接結構和孔洞結構多，使用線性超聲檢測方法(如超聲C檢)很難從復雜的回波模式中辨識出損傷特征，往往需要完好槳葉截面精確的回波模式數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗豐富的檢測人員。而VAM檢測對粘接界面和孔洞結構并不敏感，因而不存在上述問題。

2.3 亟待解決的幾個技術問題

VAM 技術由俄羅斯科學院應用物理研究所的學者于20世紀90年代中期首先提出。二十多年來，其先進性已經(jīng)獲得了廣泛認可。但隨著研究的不斷深入，一些理論與實踐問題也逐漸凸顯。尤其是VAM技術的在線應用方面，還面臨很多理論和技術挑戰(zhàn)。

與VAM損傷檢測相關的大部分研究，都假定被測結構處于自由狀態(tài)。但是，當考慮對結構部件進行原位在線監(jiān)測時，部件外部載荷對裂紋狀態(tài)的影響以及外部接觸邊界(如安裝緊固面)帶來的非線性干擾將是兩個無法回避的問題。然而，學者們雖然在實驗研究過程中發(fā)現(xiàn)了這些問題，但目前還未進行深入研究，具體的解決方法還鮮有報道。

2.3.1 外部載荷的影響

被測構件的外部載荷將會改變損傷接觸面的接觸應力和接觸狀態(tài)，隨即導致界面非線性發(fā)生改變。圖 4所示為某裂紋在受外部載荷σ∞以及殘余應力σr作用下等效厚度由D0變?yōu)镈。此時接觸面非線性彈簧模型可表示為：

Δσ=K1(D-D0)+K2(D-D0)2

(2)

式中：D0為自由狀態(tài)下裂紋的平均厚度；K1和K2分別為接觸面一階(線性)剛度與二階(非線性)剛度。考慮損傷接觸面對兩列激勵縱波的前向和后向散射場，將式(2)與文獻[5]的模型結合，可求得和差頻分量的反射和透射場非線性系數(shù)(損傷指數(shù)DI)分別為：

(3)

式中：

(4)

sc為裂紋面的實際接觸面積，k1、k2和k±分別為兩入射波和調(diào)制邊帶分量的波數(shù)，上標b和f分別表示后向和前向散射場，其它所有符號意義與文獻[5]相同。

圖4 受載裂紋體的等效厚度

式(3)表明，當含裂紋的構件受變化的外力作用時，VAM損傷指數(shù)將顯著地受到外部載荷的影響。也表明損傷指數(shù)不再與裂紋尺寸成正比關系。因此，外力無規(guī)律變化將導致?lián)p傷量化結果無法解釋。

Jia等[11]結合裂紋閉合應力分布，提出了一種無載荷效應的損傷指數(shù)LIDI，并通過對鋁板試樣疲勞裂紋擴展的在線跟蹤，證實了方法的有效性。雖然該方法還存在一些不足，但可減弱外部載荷的影響，是一種較有前途的解決方案。

2.3.2 接觸邊界的干擾

一般地，處于工作狀態(tài)的任何部件都將與其他部件發(fā)生接觸(如緊固安裝面)。接觸非線性理論認為，發(fā)生彈塑性接觸的外部接觸面與損傷接觸面都會表現(xiàn)出非線性特性。由于兩類結構的非線性機理類似，很難對響應信號進行分辨，因此進行VAM測試時，外部接觸邊界將對損傷檢測產(chǎn)生干擾。解決邊界干擾問題是VAM技術得以在線應用的基本前提，也越來越受到學者們的重視[18,19]，但是目前還沒有解決該問題的實用方法。

可考慮使用兩種策略減弱接觸邊界的干擾。一是區(qū)分干擾源：通過改進接觸非線性建模方法等手段，研究材料內(nèi)部接觸非線性與邊界接觸非線性的區(qū)別，并開發(fā)有效的信號處理方法減弱邊界干擾。二是隔離干擾源：可嘗試結合現(xiàn)代聲學微結構技術(如聲沉技術)，通過增加特殊涂層或者在接觸面構建特殊微結構等手段，減少和吸收接觸邊界對聲場的散射，從而達到隔離干擾源的目的。

3 結論

對VAM測試技術的實施方法和優(yōu)勢特點的分析表明，該技術滿足直升機結構健康監(jiān)測的技術需求，是一種很有研究價值和應用潛力的無損檢測方法。

VAM檢測技術靈敏度高，適合損傷的早期檢測，且對被測結構中的自由邊界以及孔洞等結構不敏感，不僅適合用于損傷檢測，還可用于接觸應力檢測以及微接觸間隙測量等場合。VAM技術的這些特點，使得其非常適合應用于直升機結構健康監(jiān)測，例如，重要承力結構的緊固螺栓松動檢測，滑動摩擦運動副磨損間隙測量以及復合材料結構件的損傷檢測等。

VAM技術雖然優(yōu)勢明顯但發(fā)展并不成熟，具體到直升機維修工程的需求而言，面臨的主要技術瓶頸是外部載荷的影響以及外部接觸邊界的干擾問題。對外部載荷影響問題，建議的研究方向為完善和改進接觸非線性建模方法；對接觸邊界干擾問題，建議從區(qū)分干擾源和隔離干擾源兩條路徑展開深入研究。