振动声调制检测技术在直升机维修中的应用前景

贾 俊，余建航，曾 辉，杨 杰

(1.陆军航空兵学院,北京 101123；2.中国人民解放军32145部队，河南 新乡 453000)

0 引言

近年来，我军直升机迅猛发展，训练任务不断增加，飞行安全问题凸显,对维修质效的要求不断提高，视情维修(condition based maintenance, CBM)的优势愈发明显。通过监测结构的状态指标，准确掌握其健康状态，是视情维修的基本前提。探索研究结构健康监测(structural health monitoring，SHM)等视情维修技术的应用，是提高直升机维修质效的重要途径[1]。

振动声调制(vibro-acoustic modulation, VAM)是一种新颖的结构健康监测技术。该技术属于非经典非线性声学范畴，相对于线性和经典非线性检测方法，其抗干扰能力强、检测速度快且对微小裂纹灵敏度高，非常契合结构健康监测对损伤早期探测的技术需求。国内外学者对VAM技术进行了大量卓有成效的研究，取得了许多有价值的研究成果。在产生机理方面，提出了多种理论模型，并形成了裂纹开闭理论[2,3]和能量耗散理论[4]两大主流理论。在实验方法方面，发展出了以振动调制和冲击调制为主流的多种测试方法[5]。在应用对象方面，涵盖了包括金属[6]、玻璃[7]、水泥[8]以及复合材料[9]在内的不同材料和不同尺寸形状的检测对象。在应用层次方面，开展了结构损伤的有无测试(pass/fail test)[10]、扩展跟踪[11]和定位成像[12]等不同层次的应用实验。虽然VAM技术的可行性和先进性得到了充分验证，但随着研究的不断深入，一些理论与实践问题也逐渐凸显。目前，该技术在集成性和可靠性等方面，还有待进一步深入研究。

直升机机械结构复杂，部件振动水平和疲劳载荷高，对维修技术的需求有不同侧重。通过对直升机维修技术特别是结构健康监测技术的需求特点分析，研究VAM检测的适用领域，预判难点和瓶颈问题并提出相应的解决思路，对该技术在直升机维修中的应用研究大有裨益。

1 VAM检测技术

1.1 基本原理

图1所示为VAM测试的基本原理。使用超声器件(压电片PZT1和PZT2)向结构中同时激发两个不同频率的声场(低频f1和高频f2)，如果结构完好无损，则PZT3接收的响应信号为两个声场的线性叠加，在谱图中表现为两根单一谱线；反之，如果结构中存在损伤，则介质的连续性被破坏，在损伤区域表现出非线性，两个声场将在该区域发生非线性调制。混合声场频域表现为在高频分量f2两侧出现f2±nf1,n=1,2,3…等分量的调制边频，损伤的类型和尺寸等重要信息就蕴含在这些边频中。

现已广泛认为，损伤接触面在激励声场作用下表现出的非线性，是导致VAM现象的主因。为探究接触型损伤非线性的本质，人们提出了很多机理模型。尽管这些理论模型各有特点，但学者们普遍认为至今没有一种非线性模型能完美地解释VAM现象的全部特性。当前，用于研究VAM机理的理论逐渐形成了以裂纹开闭理论和能量耗散理论为代表的两大“阵营”。前者还可细分为双刚度模型和粗糙表面接触模型。从当前的应用研究看，基于裂纹开闭的建模理论在理论基础和解释能力方面优势明显，因此得到了广泛应用。这种理论认为裂纹面的开闭运动以及闭合时接触面的不同接触状态，导致材料在裂纹体附近表现出非线性“声刚度”，这种非线性特性就是声场产生非线性调制的根本原因。

图1 VAM检测基本原理

1.2 损伤量化

非线性调制的程度与非线性“声刚度”有关，也即与损伤的类型和严重程度有关，这表明用响应声场的非线性调制程度表征损伤的特性是可能的。

在各类用于损伤定量评估的损伤指数中，应用最为广泛的一类是所谓的传统损伤指数(conventional damage index, CDI)，其定义为一阶和差频调制边带的谱幅值之和(或平均值)A±与两个激励信号谱幅值(A1与A2)乘积的比值。CDI理论上与损伤的接触面积成正比，即：

(1)

但是，只有在试样自由状态以及测试参数(如激励信号幅度与频率、边界条件和载荷状态、结构内超声的传播模式等)保持稳定的理想情况下，式的正比关系才成立[6]。为了提高CDI的适应能力和量化精度，不少学者从建模理论[11]、信号处理[13]以及测试方法[14]等方面着手改进。

1.3 损伤定位

目前常用的定位方法是将非线性超声特征与超声扫描方法结合，通过移动探头位置对结构进行扫描实现损伤的定位或成像[15]。但这种方法程序繁琐，定位时间过长，不便于在线应用。时间反转声学(time reversal acoustics, TRA)的提出，可有效解决非线性损伤检测的定位问题[16]。

时间反转定位的实施流程是，传感器阵列接收到非线性声源(损伤)发射的信号后，首先对其进行时域延时和反转，即将信号r(t)变为r(τ-t)，然后再分别由原信道重新发射出去，即先到后发，后到先发。因此不同阵元发出的、沿不同路径传播的信号将同时到达声源位置，产生叠加聚焦。它是声场互易原理的应用之一，根据声波聚焦点的位置可以定位声源，并在一定条件下可以实现声源发射信号的重构。

图2 时间反转聚焦的基本原理

基于时间反转声学的定位方法，因具备鲁棒性强、无需传播介质先验知识且能对损伤位置进行声聚焦等优良特性，非常适合与VAM检测技术结合，用于研发高灵敏度在线结构健康监测系统。

2 应用前景分析

2.1 VAM检测技术的优势

VAM检测技术作为一种非经典的非线性超声检测技术，虽然还不具备完整的方法论体系，但其一些优异特性是传统的线性超声方法甚至经典的非线性超声方法所不具备的，这也正是VAM检测技术迅速成为研究热点的主要原因。概括说来，VAM检测技术的特殊优势主要体现在以下几方面。

1)灵敏度高，对微裂纹敏感，适合早期诊断。这是因为在VAM检测中，低频振动激励起激发作用，它促使裂纹面互相碰撞，充分激发了裂纹的非线性；而高频超声激励起探测作用，由于其波长相对较短，因此对损伤更为敏感。

2)对被测结构中的自由边界以及孔洞等结构不敏感。传统的线性超声方法其回波信号往往受到结构边界和孔洞干扰。但由于这些结构不会表现出非线性，因此不会对VAM等非线性超声检测方法造成不利影响。

3)适合接触应力检测以及微接触间隙测量等场合。VAM检测技术以接触声非线性为理论基础，而接触面表现出的非线性与接触压力和接触面的实际接触面积有关，因此可使用VAM检测方法实现对接触压力和接触面积的测量，例如，螺纹松动检测[17]、裂纹张开与闭合测量[6]以及运动副磨损量测量等应用场合。

另外，VAM检测方法对被检材料的适应性很强，且对传感器和检测仪器的非线性不敏感，普通的压电传感器即可满足测量要求，因此可方便地与时间反转聚焦技术结合进行高灵敏度的自动在线损伤探测、定位成像[16]。

2.2 VAM检测技术在直升机维修中的应用前景

直升机因结构特殊、旋转部件多、复合材料承力部件多、部件受力情况复杂以及振动水平高等特点，机械故障率显著高于固定翼飞机等其它航空器。因此，对直升机结构部件健康状态的评估以及故障的早期诊断显得尤为重要。一方面，对各类不同材料、结构复杂且疲劳载荷高的重要部件的状态检测迫切需要一种灵敏度高、适应性强、可全域检测以及实施方便的无损检测技术；另一方面，当前的直升机健康与使用监测系统(health and usage monitoring system，HUMS)基于振动信号分析方法，且主要监测对象是旋翼和传动系统等旋转部件。为了实现对承力结构疲劳损伤的在线早期预警和诊断，需要引入先进的结构健康监测技术进行完善[1]。考虑到VAM检测技术的优异特性，该技术契合上述的直升机维修技术需求。具体来说，可以考虑在以下几方面开展VAM技术的应用研究。

1)重要承力结构的紧固螺栓松动探测。接触界面的非线性与接触应力有关，因此可通过损伤指数表征接触应力的变化，使得通过VAM技术检测螺栓松动成为可能。一方面，VAM检测的高灵敏性符合螺纹连接松动的早期诊断需求；另一方面，相对于传统的力矩扳手定力检测，VAM检测方法可实现远程非接触式监测，适合原位在线应用。

2)滑动摩擦运动副磨损间隙测量。摩擦副磨损间隙的测量在直升机维修工作中是非常常见的，如操纵拉杆杆端关节球铰(见图3)间隙检查、自动倾斜器球铰间隙检查以及桨叶销间隙检查等。目前外场维护时使用目测、塞尺或者千分尺检测，这种宏观尺度的检测方法实施方便，但测量结果随机性强且不能从界面微凸体尺寸的介观尺度反映磨损状况。接触界面非线性是界面上大量微凸体接触非线性的整体体现，因此VAM检测方法能够从介观层面反映界面的总体磨损量，降低了测量结果的随机性。另外，可实现远程非接触式测量，同样也是其优势之一。

图3 某型直升机变距拉杆杆端关节间隙超标

3)复合材料结构件的损伤检测。一方面，VAM技术对被检结构材料的适应性很强，理论和实验研究都表明VAM能可靠检测复合材料的裂纹、分层和冲击等多种损伤类型。另一方面，直升机旋翼桨叶和桨毂的主要承力结构都是复合材料的，且铺层结构非常复杂。尤其是旋翼桨叶，一般由纤维布蒙皮、NOMEX蜂窝以及大梁等复合材料结构组成。由于粘接结构和孔洞结构多，使用线性超声检测方法(如超声C检)很难从复杂的回波模式中辨识出损伤特征，往往需要完好桨叶截面精确的回波模式数据以及经验丰富的检测人员。而VAM检测对粘接界面和孔洞结构并不敏感，因而不存在上述问题。

2.3 亟待解决的几个技术问题

VAM 技术由俄罗斯科学院应用物理研究所的学者于20世纪90年代中期首先提出。二十多年来，其先进性已经获得了广泛认可。但随着研究的不断深入，一些理论与实践问题也逐渐凸显。尤其是VAM技术的在线应用方面，还面临很多理论和技术挑战。

与VAM损伤检测相关的大部分研究，都假定被测结构处于自由状态。但是，当考虑对结构部件进行原位在线监测时，部件外部载荷对裂纹状态的影响以及外部接触边界(如安装紧固面)带来的非线性干扰将是两个无法回避的问题。然而，学者们虽然在实验研究过程中发现了这些问题，但目前还未进行深入研究，具体的解决方法还鲜有报道。

2.3.1 外部载荷的影响

被测构件的外部载荷将会改变损伤接触面的接触应力和接触状态，随即导致界面非线性发生改变。图 4所示为某裂纹在受外部载荷σ∞以及残余应力σr作用下等效厚度由D0变为D。此时接触面非线性弹簧模型可表示为：

Δσ=K1(D-D0)+K2(D-D0)2

(2)

式中：D0为自由状态下裂纹的平均厚度；K1和K2分别为接触面一阶(线性)刚度与二阶(非线性)刚度。考虑损伤接触面对两列激励纵波的前向和后向散射场，将式(2)与文献[5]的模型结合，可求得和差频分量的反射和透射场非线性系数(损伤指数DI)分别为：

(3)

式中：

(4)

sc为裂纹面的实际接触面积，k1、k2和k±分别为两入射波和调制边带分量的波数，上标b和f分别表示后向和前向散射场，其它所有符号意义与文献[5]相同。

图4 受载裂纹体的等效厚度

式(3)表明，当含裂纹的构件受变化的外力作用时，VAM损伤指数将显著地受到外部载荷的影响。也表明损伤指数不再与裂纹尺寸成正比关系。因此，外力无规律变化将导致损伤量化结果无法解释。

Jia等[11]结合裂纹闭合应力分布，提出了一种无载荷效应的损伤指数LIDI，并通过对铝板试样疲劳裂纹扩展的在线跟踪，证实了方法的有效性。虽然该方法还存在一些不足，但可减弱外部载荷的影响，是一种较有前途的解决方案。

2.3.2 接触边界的干扰

一般地，处于工作状态的任何部件都将与其他部件发生接触(如紧固安装面)。接触非线性理论认为，发生弹塑性接触的外部接触面与损伤接触面都会表现出非线性特性。由于两类结构的非线性机理类似，很难对响应信号进行分辨，因此进行VAM测试时，外部接触边界将对损伤检测产生干扰。解决边界干扰问题是VAM技术得以在线应用的基本前提，也越来越受到学者们的重视[18,19]，但是目前还没有解决该问题的实用方法。

可考虑使用两种策略减弱接触边界的干扰。一是区分干扰源：通过改进接触非线性建模方法等手段，研究材料内部接触非线性与边界接触非线性的区别，并开发有效的信号处理方法减弱边界干扰。二是隔离干扰源：可尝试结合现代声学微结构技术(如声沉技术)，通过增加特殊涂层或者在接触面构建特殊微结构等手段，减少和吸收接触边界对声场的散射，从而达到隔离干扰源的目的。

3 结论

对VAM测试技术的实施方法和优势特点的分析表明，该技术满足直升机结构健康监测的技术需求，是一种很有研究价值和应用潜力的无损检测方法。

VAM检测技术灵敏度高，适合损伤的早期检测，且对被测结构中的自由边界以及孔洞等结构不敏感，不仅适合用于损伤检测，还可用于接触应力检测以及微接触间隙测量等场合。VAM技术的这些特点，使得其非常适合应用于直升机结构健康监测，例如，重要承力结构的紧固螺栓松动检测，滑动摩擦运动副磨损间隙测量以及复合材料结构件的损伤检测等。

VAM技术虽然优势明显但发展并不成熟，具体到直升机维修工程的需求而言，面临的主要技术瓶颈是外部载荷的影响以及外部接触边界的干扰问题。对外部载荷影响问题，建议的研究方向为完善和改进接触非线性建模方法；对接触边界干扰问题，建议从区分干扰源和隔离干扰源两条路径展开深入研究。