基于激振声学的物体内部缺陷检测装置

金　龙，朱振池，刘千令，许兆健，董晓霄

（东南大学 电气工程学院，江苏 南京210089）

基于激振声学的物体内部缺陷检测装置

金龙，朱振池，刘千令，许兆健，董晓霄

（东南大学 电气工程学院，江苏 南京210089）

提出一种物体内部缺陷检测方法，是对所需检测的物体发出声波激振，同时接收反馈振动，并进行频谱分析，对比频谱判断被测物体内部是否有缺陷或损坏。建立了简单模型，通过仿真和实物试验验证了该装置的有效性。该检测装置应用范围广泛，在电力、机械、建筑、制造业等行业均有巨大的潜力。

激振声学；缺陷检测；频谱；快速傅里叶分析

0　引言

激振声学检测法作为一个全新的缺陷检测方法，具有检测效率高、范围广、劳动强度低等优点，在电力、机械、建筑、制造业等行业均有巨大的潜力[1-2]。传统的无损检测技术可用于检测和诊断产品缺陷，利用目视技术或通过扫描成像技术来寻找被测物体的缺陷[3-5]。早在上世纪八十年代，激振声学检测法由俄罗斯科学家应用于电力系统瓷支柱绝缘子缺陷检测，其原理是通过向绝缘子底部发射特殊激励振动波，同时接收其振动反馈波，经傅里叶变换分析该反馈波形的频谱，即可判断绝缘子是否有裂纹、裂纹大概部位、机械强度是否降低或丧失。声学检测技术作为一种简便、准确的检测方法，不仅在电力系统绝缘设备检测上具有很好的应用前景，在工业生产检测中也具有非常广泛的应用[6]。美国MODALSHOP公司曾为NASA对构成飞行器部件的每一个零件进行质量检测的产品，也是应用了共振声学检测法。

传统扫描法包括磁粉探伤、涡流/电磁测试、超声波检测、染料渗透测试、X射线/放射测试和目视检测法。这些传统的无损测试方法与共振检测法的扫描原理有着本质的区别。扫描法由人工操作并且需要操作者的主观判断，对于操作者的技术水平有一定的要求，同时操作者的主观因素也对检测结果有一定的影响。而激振声学检测法是测量待测件的结构频谱，将该频谱与标准被测件的结构频谱进行对比来判断被测物体是否存在缺陷。该方法是对待测物体整体进行测量，包括结构的内部缺陷和外部缺陷，并给出客观和定量的检测结果。物体的结构频谱是由物体本身的共振特性决定的，具有独一无二的、可重复测量的特性，它是由被测物体的几何特征和材料属性共同决定的，是激振检测技术的基础。测试过程中，一次测试就可以测量出一个被测物体的特征频谱。

1　理论依据

1.1振动模态

模态分析是用于研究机械结构动力学特性的一种分析手段。所有的金属结构都会因各种原因而产生变形，而这种变形通过肉眼很难观察到，但通过模态分析就能将其描述出来。结构的振动表现为一系列单频振动的叠加，任何结构产生的声音都是由这类振动引起的。激振检测技术正是利用了结构的这个振动声学特性来评价待测部件的整体性和一致性的。

如图1所示的单自由度振子系统包含质量块、弹簧和阻尼。系统的 3个基本元素分别是质量（m）、刚度（k）和阻尼（c），系统状态可由质量块的位移来描述，激振力F输入给系统的能量表现为质量块的动能和弹簧的弹性势能，并由阻尼不断耗散。系统的数学表达式：

图1　单自由度振子系统

对于一个无阻尼系统，上述运动方程的解为：

由式(2)可见，无阻尼结构的固有频率f由结构的质量和刚度决定。对于多自由度系统，式(2)中质量和刚度的关系仍然成立。由此可得在结构不变的情况下，增加刚度会使得固有频率增加，增加质量会降低固有频率。激振声学检测技术正是利用这些结构的基本特性来评价待测物的整体性和一致性的。

1.2模态分析

固有频率是结构的整体属性，结构的缺陷会使得固有频率有所偏移。例如，裂纹会改变裂纹所在区域的刚度，密度的变化或气孔会改变结构的质量。裂纹一般会降低结构的刚度，导致固有频率降低。类似地，气孔会导致减小结构质量，进而导致固有频率升高。假如缺陷大小和位置在某一阶模态表现明显，那么这一阶固有频率的偏移是可以通过测量得到的。要检测到物体的固有频率，必须通过外界输入振动信号，共振可以由式(3)计算：

其中：f0为固有频率，fex为激振频率（外部输入频率），当δ=0，即 f0=fex时，被测物体达到共振点，其反馈振幅会远远大于其他激振频率时的振幅[7]。

1.3傅里叶变换

现实中的数字信号处理都是作用于有限长的数据记录,需要对连续的无限长信号进行截短,然后才能进行FFT运算。有限长度信号进行FFT运算必然会产生能量泄露,导致分析频谱中的信号泄露到相邻的频率,这就需要对原始信号进行加窗处理,加窗能够改善频谱的泄露。一个窗口的定义如下：

典型的窗函数有矩形窗、汉宁窗、汉明窗等，本试验采用矩形窗口的采集方式：

通过仪器测量得到的是被测物体的反馈波形，要得到物体的固有频率，需要对反馈波形进行频谱分析，通过傅里叶变换可以提取出信号频谱，离散傅里叶变换(5)可以将一个信号变换到频域：

其中 WN=e-j2π/N称为W 因子。

FFT是离散傅里叶变换的快速算法，FFT算法就是利用W矩阵中W元素的周期性和对称性，可以将一个N点的DFT运算分解为两组N/2点的DFT运算，然后取和即可。为进一步提高效率，将上述两个矩阵按奇偶顺序逐级分解下去。

2　设备工作原理

本课题组根据上述原理设计了试验用仪器，系统整体结构示意图如图2。系统采用内核为 Cotex-M3的LPC1768芯片作为 MCU，设备由磁簧开关触发启动电路，使MCU开始工作，初始化完成后LPC1768发出白噪声PWM波，经过整流、滤波、放大后，再由功放电路驱动振动发射器发出声波振动；振动接收器接收信号后将电荷转化为电压信号，再通过A/D转换后存储到TF卡中；分析数据时将数据导入到上位机，通过频谱分析得到待测物体的频域曲线；将每个待测件的频域曲线与标准频域曲线进行对比，分析其一致性，标准频域曲线是来自于已知合格件的测试曲线。共振频率表现为频谱曲线上各个峰值，合格件频谱曲线的各个峰值在幅度和频率上与标准频域曲线是一致的。频谱曲线上峰值的幅度和频率差异都意味着该待测件与合格件有差异。简而言之，激振声学检测就是通过给予待测件一个随机振动，并利用加速度传感器“听取”其声学响应。可控的随机振动在频域上是一条平坦的能量谱，加速度传感器实现对结构的接触式测量。输入能量在待测件的固有频率点被“放大”和辐射，并被加速度传感器采集。

图2　测量系统结构图

2.1振动发射器

振动发射器作为振动声波发射装置，其共振频率必须要高于被测物体的固有频率，本文选取了特殊的陶瓷片，该陶瓷属于超声波电机材料，通过LabVIEW对该材料进行扫描，如图3所示，可以看到图中振幅突变位置大约在24 kHz左右，由此可知在测量范围(1 kHz～10 kHz)内，该振子不会发生谐振。激振子结构采用多片陶瓷并联结构，如图4所示，并将在振动方向上叠加，以增强激振力。发射器前端采用锥形结构探头，该结构探头可将声波振动放大，并可接触到不易测量的位置。振动接收探头的结构与其相同，也有一个锥形探头，该结构与发射探头对称，使得接收的信号可以抵消发射信号经探头放大产生的干扰，设备采用压电式加速度传感器，灵敏度高达1.294 pC/m·s-2，振动经加速度传感器转换成电荷信号后送入电荷放大电路，通过RC放大后送入可调节式信号调理电路。

图3　激振器阻抗扫频图

图4　激振器结构示意图

2.2信号调理电路

本试验所用设备的信号调理电路包括：电荷放大、带通滤波、电压抬升。

(1)电荷放大电路：把微弱的电荷信号放大成电压信号。运算放大电路选择 AD823，是双通道、精密、16 MHz带宽和高增益的放大器；反馈电容C32决定了电荷转电压输出的大小以及电荷放大的频率响应特性，电容性能的好坏直接决定着电荷放大器是否稳定，此处反馈电容C32设定为 100 pF；反馈电阻主要是抑制反馈电容引起的零点漂移，由电荷放大器的下线截止频率可知，在C32一定情况下，要保证下限截止频率，反馈电阻R38必须尽可能大，经过多次试验验证，此处设定为100 MΩ较合适，如图5所示。

图5　电荷放大电路原理图

(2)带通滤波电路：由低通滤波电路和高通滤波电路组合的带通滤波电路，可根据通带频率计算出电阻电容值，设备用通带频率为1～10 kHz。

(3)电压抬升电路：为使A/D转换输入达到合理区间，采用电压抬升方法，利用运放将电压抬升到1.5 V，同时增加了数字电位器的设计，可实现对抬升电位的灵活调节。

3　仿真与试验

为了便于对比，本文挑选了一个A2钢作为试验对象进行试验，其参数为：直径 35 mm，长度 400 mm，密度7.86 g/cc，泊松比0.3，弹性模量203 GPa。通过软件进行模态计算，得到其振动模态，再对钢柱进行人为破坏，在距离钢柱左端192 mm处切除一个矩形（25 mm×15 mm×2 mm），也进行模态仿真计算，其各模态如图6。截取几个有效模态进行对比，结果如表1。

由钢柱的模态分析可以看到，除去二阶弯振在切割前后没有明显变化外，一阶纵振频率和一阶弯振频率均有明显降低，这与之前分析的物体固有频率变化理论相吻合。由于人为切割裂痕没有处于二阶弯振的峰谷位置，故在该模态下频率变化不明显。

图6　模态仿真图

表1　钢柱固有频率

在实验验证中，由于钢柱柱面较滑，激振头无法固定，钢柱两端平面较为平坦，易于固定，比较便于测量，且一阶纵振频率在设备检测范围内，二阶纵振频率大于10 kHz，故将一阶纵振频率作为主要测量频率进行测量。实验时采用如图7方式进行测量，将激振器和接收器分别放在钢柱两端，所得频谱如图8所示。采用这种测量方法只能测量到钢柱的纵振，无法测量钢柱的弯振。

图7　钢柱测量示意图

图8　钢柱测量频谱图

由频谱分析图8可以看到，钢柱测量结果显示，一阶纵振频率约为 6 580 Hz，比仿真结果高出 230 Hz，且结果可重复实现，可以判断该仪器的测量结果是稳定的(如图8)。为了得到被测物体损坏后频率变化的数据，对钢柱进行人为破坏，对其进行切割，使其有一个深度为15 mm、宽度为2 mm的矩形缺口，如图9所示。采用同样的测量方法重新测量，其测量结果显示一阶纵振频率为 6 020 Hz，频率较未切割前明显变小，如图10所示，符合理论分析以及仿真结果。可以看出该缺陷检测方法具有很高的可行性。

图9　切割钢柱示意图

图10　切割后钢柱测量频谱图

4　结论

激振声学检测法在无损检测中有着非常广泛的应用，本文设计并制作了一套基于激振声学的物体内部缺陷检测装置，建立了一个简单的铁柱物理模型，计算了铁柱的共振频率，用该装置测量了铁柱的实际频率。对铁柱进行人为破坏后重复仿真和测量，结果表明，装置测量到的物体共振频率与仿真计算结果一致。该装置测量结果准确，速度快，存储数据量大，为无损检测在实际应用中的推广提供了一个很好的平台。

[1]钟力强，钟飞，马庆增，等.声纹识别与支柱瓷绝缘子的振动声学检测[J].广东电力，2013，26(12)：97-101.

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[3]宿志一，车文俊.电网运行中绝缘子的损坏原因及检测[J].电力设备，2005，6(3)：10-13.

[4]蔡成良，王永勤.瓷套超声检测方法试验研究[J].无损探伤，2009，33(5)：11-15.

[5]王立新，卫志刚，孙丙新，等.变电站支柱瓷绝缘子超声波检测工艺方法的选择和试验分析[J].无损检测，2006，28(12)：636-640.

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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)

金龙(1965-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：电力系统自动化、超声波电机，E-mail：jinlong@seu.edu. cn。

朱振池(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统自动化、智能电网。

刘千令(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统自动化、软件工程。