音频激振散斑干涉术在飞机复合材料原位检测中的应用

　　1　引　言

　　现代飞机结构件大量使用了先进的复合材料,但在使用过程中材料易老化、失效和粘结强度下降,不可避免地会出现纤维断裂、基体开裂、界面脱粘及分层等缺陷,给飞机的飞行安全带来很大隐患。目前可用在飞机复合材料外场原位检测的方法只有超声法、敲击发、声阻法、板波法和谐振法等,而且由于复合材料对声波的衰减很大,这些方法只能检测薄型的复合材料表面、近表面缺陷,一次检测的区域非常小,大多需要藕合剂,检测速度非常慢。

　　数字错位散斑干涉术(DSSPI)[3,4]是上世纪末兴起的一种新型的光测技术。该检测技术光学干涉装置简单,对系统的隔震要求不高,具有非接触、快速检测、灵敏度高等特点,很适合外场原位无损检测。但该检测技术需要对被测物进行加载,现行加载方式一般有真空加载、热加载、电磁激振加载等[1]。其中真空加载技术条件较为成熟,但检测时需要拆卸结构件并只限于小型件,不能满足外场原位快速检测的要求;热加载方式设备简单,但受到材料温度敏感性和缺陷深度的影响,检测效果并不理想;电磁激振加载一般是将作为激振器的压电陶瓷粘贴在被检测物体上,由于激振器与被检测物体直接接触,为接触性加载,直接影响测试效果。

　　为了能提供一种较为理想的原位检测手段,这里自行研制了一种宽音频扫描激振数字错位散斑干涉检测系统,采用宽音频激振加载。其特点是不受于被测物体积大小、场地、拆卸的限制,灵敏度高。可以外场原位对飞机复合材料实行大面积、快速、连续扫描检测。

　　2　检测原理及分析

　　宽音频扫描激振数字错位散斑干涉术是宽音频扫描激振加载系统和DSSPI检测技术相结合,运用音频激振和激光散斑干涉技术对被测物进行检测。检测原理是对被测物体进行音频激振加载,使缺陷处产生谐振,由激光扩束后照明,经错位镜形成被摄物体相互错位的散斑图,经CCD和图像采集卡输入到计算机图像系统中,再对变形前后的两个散斑场作相减模式处理,便在监视器上得到表示物体位移导数的干涉条纹。该干涉条纹中包含了物体缺陷处非正常形变信息,如果被测物有内部损伤,表现为牛眼状的条纹图案。

　　2.1　音频激振原理

　　音频激振加载是利用与物体缺陷固有频率相同的声波施加于物体缺陷表面,使缺陷部位产生谐振。其谐振幅度与物体表面受到的声压(激振力)的大小有关。对于层状复合材料,粘接界面的缺陷主要表现为分层、脱粘等,在这种情况下,可以把缺陷视作周边固定的薄板来处理。对于本文研制的宽音频扫描激振加载系统,为了说明其激振加载原理,我们以模型内部的圆形缺陷为例来讨论。当圆形缺陷受到音频激振时,我们可以将其简化为周边固支的圆板受简谐外力的作用。根据弹性理论中变形与载荷的关系,通过理论推导,可得板振动的简正频率为