0 引言

　　激振聲學(xué)檢測(cè)法作為一個(gè)全新的缺陷檢測(cè)方法，具有檢測(cè)效率高、范圍廣、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，在電力、機(jī)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)可用于檢測(cè)和診斷產(chǎn)品缺陷，利用目視技術(shù)或通過(guò)掃描成像技術(shù)來(lái)尋找被測(cè)物體的缺陷[3-5]。早在上世紀(jì)八十年代，激振聲學(xué)檢測(cè)法由俄羅斯科學(xué)家應(yīng)用于電力系統(tǒng)瓷支柱絕緣子缺陷檢測(cè)，其原理是通過(guò)向絕緣子底部發(fā)射特殊激勵(lì)振動(dòng)波，同時(shí)接收其振動(dòng)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(jī)械強(qiáng)度是否降低或喪失。聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)作為一種簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法，不僅在電力系統(tǒng)絕緣設(shè)備檢測(cè)上具有很好的應(yīng)用前景，在工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)中也具有非常廣泛的應(yīng)用[6]。美國(guó)MODALSHOP公司曾為NASA對(duì)構(gòu)成飛行器部件的每一個(gè)零件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)的產(chǎn)品，也是應(yīng)用了共振聲學(xué)檢測(cè)法。

　　傳統(tǒng)掃描法包括磁粉探傷、渦流/電磁測(cè)試、超聲波檢測(cè)、染料滲透測(cè)試、X射線/放射測(cè)試和目視檢測(cè)法。這些傳統(tǒng)的無(wú)損測(cè)試方法與共振檢測(cè)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(duì)于操作者的技術(shù)水平有一定的要求，同時(shí)操作者的主觀因素也對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定的影響。而激振聲學(xué)檢測(cè)法是測(cè)量待測(cè)件的結(jié)構(gòu)頻譜，將該頻譜與標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)件的結(jié)構(gòu)頻譜進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷被測(cè)物體是否存在缺陷。該方法是對(duì)待測(cè)物體整體進(jìn)行測(cè)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(cè)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(dú)一無(wú)二的、可重復(fù)測(cè)量的特性，它是由被測(cè)物體的幾何特征和材料屬性共同決定的，是激振檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。測(cè)試過(guò)程中，一次測(cè)試就可以測(cè)量出一個(gè)被測(cè)物體的特征頻譜。

1 理論依據(jù)

　　1.1 振動(dòng)模態(tài)

　　模態(tài)分析是用于研究機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的一種分析手段。所有的金屬結(jié)構(gòu)都會(huì)因各種原因而產(chǎn)生變形，而這種變形通過(guò)肉眼很難觀察到，但通過(guò)模態(tài)分析就能將其描述出來(lái)。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)表現(xiàn)為一系列單頻振動(dòng)的疊加，任何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲音都是由這類振動(dòng)引起的。激振檢測(cè)技術(shù)正是利用了結(jié)構(gòu)的這個(gè)振動(dòng)聲學(xué)特性來(lái)評(píng)價(jià)待測(cè)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(gè)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(lái)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(dòng)能和彈簧的彈性勢(shì)能，并由阻尼不斷耗散。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

　　對(duì)于一個(gè)無(wú)阻尼系統(tǒng)，上述運(yùn)動(dòng)方程的解為：

　　由式(2)可見(jiàn)，無(wú)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(duì)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(huì)使得固有頻率增加，增加質(zhì)量會(huì)降低固有頻率。激振聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)正是利用這些結(jié)構(gòu)的基本特性來(lái)評(píng)價(jià)待測(cè)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(huì)使得固有頻率有所偏移。例如，裂紋會(huì)改變裂紋所在區(qū)域的剛度，密度的變化或氣孔會(huì)改變結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。裂紋一般會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度，導(dǎo)致固有頻率降低。類似地，氣孔會(huì)導(dǎo)致減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)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(guò)測(cè)量得到的。要檢測(cè)到物體的固有頻率，必須通過(guò)外界輸入振動(dòng)信號(hào)，共振可以由式(3)計(jì)算：

　　其中：f0為固有頻率，fex為激振頻率（外部輸入頻率），當(dāng)f0=fex時(shí)，被測(cè)物體達(dá)到共振點(diǎn)，其反饋振幅會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他激振頻率時(shí)的振幅[7]。

　　1.3 傅里葉變換

　　現(xiàn)實(shí)中的數(shù)字信號(hào)處理都是作用于有限長(zhǎng)的數(shù)據(jù)記錄,需要對(duì)連續(xù)的無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行截短,然后才能進(jìn)行FFT運(yùn)算。有限長(zhǎng)度信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算必然會(huì)產(chǎn)生能量泄露,導(dǎo)致分析頻譜中的信號(hào)泄露到相鄰的頻率,這就需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行加窗處理,加窗能夠改善頻譜的泄露。一個(gè)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(yàn)采用矩形窗口的采集方式：

　　w(k)=1  0<k<N-1(5)

　　通過(guò)儀器測(cè)量得到的是被測(cè)物體的反饋波形，要得到物體的固有頻率，需要對(duì)反饋波形進(jìn)行頻譜分析，通過(guò)傅里葉變換可以提取出信號(hào)頻譜，離散傅里葉變換(5)可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域：

　　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(duì)稱性，可以將一個(gè)N點(diǎn)的DFT運(yùn)算分解為兩組N/2點(diǎn)的DFT運(yùn)算，然后取和即可。為進(jìn)一步提高效率，將上述兩個(gè)矩陣按奇偶順序逐級(jí)分解下去。

2 設(shè)備工作原理

　　本課題組根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)了試驗(yàn)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(shè)備由磁簧開(kāi)關(guān)觸發(fā)啟動(dòng)電路，使MCU開(kāi)始工作，初始化完成后LPC1768發(fā)出白噪聲PWM波，經(jīng)過(guò)整流、濾波、放大后，再由功放電路驅(qū)動(dòng)振動(dòng)發(fā)射器發(fā)出聲波振動(dòng)；振動(dòng)接收器接收信號(hào)后將電荷轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到TF卡中；分析數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到上位機(jī)，通過(guò)頻譜分析得到待測(cè)物體的頻域曲線；將每個(gè)待測(cè)件的頻域曲線與標(biāo)準(zhǔn)頻域曲線進(jìn)行對(duì)比，分析其一致性，標(biāo)準(zhǔn)頻域曲線是來(lái)自于已知合格件的測(cè)試曲線。共振頻率表現(xiàn)為頻譜曲線上各個(gè)峰值，合格件頻譜曲線的各個(gè)峰值在幅度和頻率上與標(biāo)準(zhǔn)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(cè)件與合格件有差異。簡(jiǎn)而言之，激振聲學(xué)檢測(cè)就是通過(guò)給予待測(cè)件一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)，并利用加速度傳感器“聽(tīng)取”其聲學(xué)響應(yīng)?？煽氐碾S機(jī)振動(dòng)在頻域上是一條平坦的能量譜，加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的接觸式測(cè)量。輸入能量在待測(cè)件的固有頻率點(diǎn)被“放大”和輻射，并被加速度傳感器采集。

　　2.1 振動(dòng)發(fā)射器

　　振動(dòng)發(fā)射器作為振動(dòng)聲波發(fā)射裝置，其共振頻率必須要高于被測(cè)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(jī)材料，通過(guò)LabVIEW對(duì)該材料進(jìn)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(cè)量范圍(1 kHz～10 kHz)內(nèi)，該振子不會(huì)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(dòng)方向上疊加，以增強(qiáng)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(dòng)放大，并可接觸到不易測(cè)量的位置。振動(dòng)接收探頭的結(jié)構(gòu)與其相同，也有一個(gè)錐形探頭，該結(jié)構(gòu)與發(fā)射探頭對(duì)稱，使得接收的信號(hào)可以抵消發(fā)射信號(hào)經(jīng)探頭放大產(chǎn)生的干擾，設(shè)備采用壓電式加速度傳感器，靈敏度高達(dá)1.294 pC/m·s-2，振動(dòng)經(jīng)加速度傳感器轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)后送入電荷放大電路，通過(guò)RC放大后送入可調(diào)節(jié)式信號(hào)調(diào)理電路。

　　2.2 信號(hào)調(diào)理電路

　　本試驗(yàn)所用設(shè)備的信號(hào)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(hào)放大成電壓信號(hào)。運(yùn)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(yīng)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(shè)定為100 pF；反饋電阻主要是抑制反饋電容引起的零點(diǎn)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(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，此處設(shè)定為100 MΩ較合適，如圖5所示。

　　(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(jì)算出電阻電容值，設(shè)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(dá)到合理區(qū)間，采用電壓抬升方法，利用運(yùn)放將電壓抬升到1.5 V，同時(shí)增加了數(shù)字電位器的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)抬升電位的靈活調(diào)節(jié)。

3 仿真與試驗(yàn)

　　為了便于對(duì)比，本文挑選了一個(gè)A2鋼作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，其參數(shù)為：直徑35 mm，長(zhǎng)度400 mm，密度7.86 g/cc，泊松比0.3，彈性模量203 GPa。通過(guò)軟件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到其振動(dòng)模態(tài)，再對(duì)鋼柱進(jìn)行人為破壞，在距離鋼柱左端192 mm處切除一個(gè)矩形（25 mm×15 mm×2 mm），也進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算，其各模態(tài)如圖6。截取幾個(gè)有效模態(tài)進(jìn)行對(duì)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(méi)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(méi)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。

　　在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，由于鋼柱柱面較滑，激振頭無(wú)法固定，鋼柱兩端平面較為平坦，易于固定，比較便于測(cè)量，且一階縱振頻率在設(shè)備檢測(cè)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(cè)量頻率進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用如圖7方式進(jìn)行測(cè)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(cè)量方法只能測(cè)量到鋼柱的縱振，無(wú)法測(cè)量鋼柱的彎振。

　　由頻譜分析圖8可以看到，鋼柱測(cè)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(fù)實(shí)現(xiàn)，可以判斷該儀器的測(cè)量結(jié)果是穩(wěn)定的 (如圖8)。為了得到被測(cè)物體損壞后頻率變化的數(shù)據(jù)，對(duì)鋼柱進(jìn)行人為破壞，對(duì)其進(jìn)行切割，使其有一個(gè)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(cè)量方法重新測(cè)量，其測(cè)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(cè)方法具有很高的可行性。

4 結(jié)論

　　激振聲學(xué)檢測(cè)法在無(wú)損檢測(cè)中有著非常廣泛的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)并制作了一套基于激振聲學(xué)的物體內(nèi)部缺陷檢測(cè)裝置，建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的鐵柱物理模型，計(jì)算了鐵柱的共振頻率，用該裝置測(cè)量了鐵柱的實(shí)際頻率。對(duì)鐵柱進(jìn)行人為破壞后重復(fù)仿真和測(cè)量，結(jié)果表明，裝置測(cè)量到的物體共振頻率與仿真計(jì)算結(jié)果一致。該裝置測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，速度快，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，為無(wú)損檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 鐘力強(qiáng)，鐘飛，馬慶增，等.聲紋識(shí)別與支柱瓷絕緣子的振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)[J].廣東電力，2013，26(12)：97-101.

　　[2] 莊表中，張方洪.用振動(dòng)與沖擊方法檢測(cè)樁或橋墩的質(zhì)量[J].振動(dòng)與沖擊，1999，18(2)：88.

　　[3] 宿志一，車文俊.電網(wǎng)運(yùn)行中絕緣子的損壞原因及檢測(cè)[J].電力設(shè)備，2005，6(3)：10-13.

　　[4] 蔡成良，王永勤.瓷套超聲檢測(cè)方法試驗(yàn)研究[J].無(wú)損探傷，2009，33(5)：11-15.

　　[5] 王立新，衛(wèi)志剛，孫丙新，等.變電站支柱瓷絕緣子超聲波檢測(cè)工藝方法的選擇和試驗(yàn)分析[J].無(wú)損檢測(cè)，2006，28(12)：636-640.

　　[6] 吳偉，彭永恒，樸澤星，等.聲振法混凝土路面的聲學(xué)特征檢測(cè)研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，21(4)：509-511，514.

　　[7] KIM Y S，SHONG K M，JEON Y J.A study on the site vibration for the breakage analysis of glass insulators on thehigh-speed railway[J].Power Delivery，IEEE Transactions on，2009，24(4)：1809-1814.