0 引言

　　激振聲學檢測法作為一個全新的缺陷檢測方法，具有檢測效率高、范圍廣、勞動強度低等優點，在電力、機械、建筑、制造業等行業均有巨大的潛力[1-2]。傳統的無損檢測技術可用于檢測和診斷產品缺陷，利用目視技術或通過掃描成像技術來尋找被測物體的缺陷[3-5]。早在上世紀八十年代，激振聲學檢測法由俄羅斯科學家應用于電力系統瓷支柱絕緣子缺陷檢測，其原理是通過向絕緣子底部發射特殊激勵振動波，同時接收其振動反饋波，經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、機械強度是否降低或喪失。聲學檢測技術作為一種簡便、準確的檢測方法，不僅在電力系統絕緣設備檢測上具有很好的應用前景，在工業生產檢測中也具有非常廣泛的應用[6]。美國MODALSHOP公司曾為NASA對構成飛行器部件的每一個零件進行質量檢測的產品，也是應用了共振聲學檢測法。

　　傳統掃描法包括磁粉探傷、渦流/電磁測試、超聲波檢測、染料滲透測試、X射線/放射測試和目視檢測法。這些傳統的無損測試方法與共振檢測法的掃描原理有著本質的區別。掃描法由人工操作并且需要操作者的主觀判斷，對于操作者的技術水平有一定的要求，同時操作者的主觀因素也對檢測結果有一定的影響。而激振聲學檢測法是測量待測件的結構頻譜，將該頻譜與標準被測件的結構頻譜進行對比來判斷被測物體是否存在缺陷。該方法是對待測物體整體進行測量，包括結構的內部缺陷和外部缺陷，并給出客觀和定量的檢測結果。物體的結構頻譜是由物體本身的共振特性決定的，具有獨一無二的、可重復測量的特性，它是由被測物體的幾何特征和材料屬性共同決定的，是激振檢測技術的基礎。測試過程中，一次測試就可以測量出一個被測物體的特征頻譜。

1 理論依據

　　1.1 振動模態

　　模態分析是用于研究機械結構動力學特性的一種分析手段。所有的金屬結構都會因各種原因而產生變形，而這種變形通過肉眼很難觀察到，但通過模態分析就能將其描述出來。結構的振動表現為一系列單頻振動的疊加，任何結構產生的聲音都是由這類振動引起的。激振檢測技術正是利用了結構的這個振動聲學特性來評價待測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包含質量塊、彈簧和阻尼。系統的3個基本元素分別是質量（m）、剛度（k）和阻尼（c），系統狀態可由質量塊的位移來描述，激振力F輸入給系統的能量表現為質量塊的動能和彈簧的彈性勢能，并由阻尼不斷耗散。系統的數學表達式：

　　對于一個無阻尼系統，上述運動方程的解為：

　　由式(2)可見，無阻尼結構的固有頻率f由結構的質量和剛度決定。對于多自由度系統，式(2)中質量和剛度的關系仍然成立。由此可得在結構不變的情況下，增加剛度會使得固有頻率增加，增加質量會降低固有頻率。激振聲學檢測技術正是利用這些結構的基本特性來評價待測物的整體性和一致性的。

　　1.2 模態分析

　　固有頻率是結構的整體屬性，結構的缺陷會使得固有頻率有所偏移。例如，裂紋會改變裂紋所在區域的剛度，密度的變化或氣孔會改變結構的質量。裂紋一般會降低結構的剛度，導致固有頻率降低。類似地，氣孔會導致減小結構質量，進而導致固有頻率升高。假如缺陷大小和位置在某一階模態表現明顯，那么這一階固有頻率的偏移是可以通過測量得到的。要檢測到物體的固有頻率，必須通過外界輸入振動信號，共振可以由式(3)計算：

　　其中：f0為固有頻率，fex為激振頻率（外部輸入頻率），當f0=fex時，被測物體達到共振點，其反饋振幅會遠遠大于其他激振頻率時的振幅[7]。

　　1.3 傅里葉變換

　　現實中的數字信號處理都是作用于有限長的數據記錄,需要對連續的無限長信號進行截短,然后才能進行FFT運算。有限長度信號進行FFT運算必然會產生能量泄露,導致分析頻譜中的信號泄露到相鄰的頻率,這就需要對原始信號進行加窗處理,加窗能夠改善頻譜的泄露。一個窗口的定義如下：

　　典型的窗函數有矩形窗、漢寧窗、漢明窗等，本試驗采用矩形窗口的采集方式：

　　w(k)=1  0<k<N-1(5)

　　通過儀器測量得到的是被測物體的反饋波形，要得到物體的固有頻率，需要對反饋波形進行頻譜分析，通過傅里葉變換可以提取出信號頻譜，離散傅里葉變換(5)可以將一個信號變換到頻域：

　　FFT是離散傅里葉變換的快速算法，FFT算法就是利用W矩陣中W元素的周期性和對稱性，可以將一個N點的DFT運算分解為兩組N/2點的DFT運算，然后取和即可。為進一步提高效率，將上述兩個矩陣按奇偶順序逐級分解下去。

2 設備工作原理

　　本課題組根據上述原理設計了試驗用儀器，系統整體結構示意圖如圖2。系統采用內核為Cotex-M3的LPC1768芯片作為MCU，設備由磁簧開關觸發啟動電路，使MCU開始工作，初始化完成后LPC1768發出白噪聲PWM波，經過整流、濾波、放大后，再由功放電路驅動振動發射器發出聲波振動；振動接收器接收信號后將電荷轉化為電壓信號，再通過A/D轉換后存儲到TF卡中；分析數據時將數據導入到上位機，通過頻譜分析得到待測物體的頻域曲線；將每個待測件的頻域曲線與標準頻域曲線進行對比，分析其一致性，標準頻域曲線是來自于已知合格件的測試曲線。共振頻率表現為頻譜曲線上各個峰值，合格件頻譜曲線的各個峰值在幅度和頻率上與標準頻域曲線是一致的。頻譜曲線上峰值的幅度和頻率差異都意味著該待測件與合格件有差異。簡而言之，激振聲學檢測就是通過給予待測件一個隨機振動，并利用加速度傳感器“聽取”其聲學響應。可控的隨機振動在頻域上是一條平坦的能量譜，加速度傳感器實現對結構的接觸式測量。輸入能量在待測件的固有頻率點被“放大”和輻射，并被加速度傳感器采集。

　　2.1 振動發射器

　　振動發射器作為振動聲波發射裝置，其共振頻率必須要高于被測物體的固有頻率，本文選取了特殊的陶瓷片，該陶瓷屬于超聲波電機材料，通過LabVIEW對該材料進行掃描，如圖3所示，可以看到圖中振幅突變位置大約在24 kHz左右，由此可知在測量范圍(1 kHz～10 kHz)內，該振子不會發生諧振。激振子結構采用多片陶瓷并聯結構，如圖4所示，并將在振動方向上疊加，以增強激振力。發射器前端采用錐形結構探頭，該結構探頭可將聲波振動放大，并可接觸到不易測量的位置。振動接收探頭的結構與其相同，也有一個錐形探頭，該結構與發射探頭對稱，使得接收的信號可以抵消發射信號經探頭放大產生的干擾，設備采用壓電式加速度傳感器，靈敏度高達1.294 pC/m·s-2，振動經加速度傳感器轉換成電荷信號后送入電荷放大電路，通過RC放大后送入可調節式信號調理電路。

　　2.2 信號調理電路

　　本試驗所用設備的信號調理電路包括：電荷放大、帶通濾波、電壓抬升。

　　(1)電荷放大電路：把微弱的電荷信號放大成電壓信號。運算放大電路選擇AD823，是雙通道、精密、16 MHz帶寬和高增益的放大器；反饋電容C32決定了電荷轉電壓輸出的大小以及電荷放大的頻率響應特性，電容性能的好壞直接決定著電荷放大器是否穩定，此處反饋電容C32設定為100 pF；反饋電阻主要是抑制反饋電容引起的零點漂移，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，經過多次試驗驗證，此處設定為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，可根據通帶頻率計算出電阻電容值，設備用通帶頻率為1～10 kHz。

　　(3)電壓抬升電路：為使A/D轉換輸入達到合理區間，采用電壓抬升方法，利用運放將電壓抬升到1.5 V，同時增加了數字電位器的設計，可實現對抬升電位的靈活調節。

3 仿真與試驗

　　為了便于對比，本文挑選了一個A2鋼作為試驗對象進行試驗，其參數為：直徑35 mm，長度400 mm，密度7.86 g/cc，泊松比0.3，彈性模量203 GPa。通過軟件進行模態計算，得到其振動模態，再對鋼柱進行人為破壞，在距離鋼柱左端192 mm處切除一個矩形（25 mm×15 mm×2 mm），也進行模態仿真計算，其各模態如圖6。截取幾個有效模態進行對比，結果如表1。

　　由鋼柱的模態分析可以看到，除去二階彎振在切割前后沒有明顯變化外，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有處于二階彎振的峰谷位置，故在該模態下頻率變化不明顯。

　　在實驗驗證中，由于鋼柱柱面較滑，激振頭無法固定，鋼柱兩端平面較為平坦，易于固定，比較便于測量，且一階縱振頻率在設備檢測范圍內，二階縱振頻率大于10 kHz，故將一階縱振頻率作為主要測量頻率進行測量。實驗時采用如圖7方式進行測量，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。采用這種測量方法只能測量到鋼柱的縱振，無法測量鋼柱的彎振。

　　由頻譜分析圖8可以看到，鋼柱測量結果顯示，一階縱振頻率約為6 580 Hz，比仿真結果高出230 Hz，且結果可重復實現，可以判斷該儀器的測量結果是穩定的 (如圖8)。為了得到被測物體損壞后頻率變化的數據，對鋼柱進行人為破壞，對其進行切割，使其有一個深度為15 mm、寬度為2 mm的矩形缺口，如圖9所示。采用同樣的測量方法重新測量，其測量結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果。可以看出該缺陷檢測方法具有很高的可行性。

4 結論

　　激振聲學檢測法在無損檢測中有著非常廣泛的應用，本文設計并制作了一套基于激振聲學的物體內部缺陷檢測裝置，建立了一個簡單的鐵柱物理模型，計算了鐵柱的共振頻率，用該裝置測量了鐵柱的實際頻率。對鐵柱進行人為破壞后重復仿真和測量，結果表明，裝置測量到的物體共振頻率與仿真計算結果一致。該裝置測量結果準確，速度快，存儲數據量大，為無損檢測在實際應用中的推廣提供了一個很好的平臺。

參考文獻

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

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

　　[3] 宿志一，車文俊.電網運行中絕緣子的損壞原因及檢測[J].電力設備，2005，6(3)：10-13.

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

　　[5] 王立新，衛志剛，孫丙新，等.變電站支柱瓷絕緣子超聲波檢測工藝方法的選擇和試驗分析[J].無損檢測，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特征檢測研究[J].哈爾濱商業大學學報（自然科學版），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.