电压放大器在非线性声学共振法检测中的应用
实验名称：复合材料冲击疲劳试样的非线性声学共振法检测
实验目的：为研究复合材料中的冲击疲劳损伤，还展开了非线性声学共振法的相关检测研究，并将检测结果与振动声调制检测相对比。与振动声调制检测方法一样，非线性声学共振法也属于非经典非线性的范畴，其检测原理主要是随着检测材料中损伤的日益累积，材料结构的强度或刚度逐渐降低，使得弹性波发生畸变，在所激励电压幅值逐渐递增的情况下，导致材料结构的共振频率向左偏移。
测试设备：电压放大器、电荷放大器、动态数据采集器、函数信号发生器、计算机等。
实验过程：
图1：(a)非线性振动声调制实验装置系统；(b)复合材料试样
上图1分别为非线性声学共振法实验测试装置平台以及复合材料试样图。由函数信号发生器输出一个正弦波信号，经过宽频带电压放大器放大后，用来驱动一个功率为3W、电阻为4Ω的扬声器，该扬声器利用石蜡粘接于复合材料试样板表面的中心位置处，用来激励检测试样使之产生振动，响应信号则由一个质量约为1.6g的微型加速度传感器捕获，该加速度计同样用石蜡粘接在复合材料试样右边缘28mm处，接收信号后利用电荷放大器放大，再由动态数据采集器采集，采样频率设置为10kHz。最后，在计算机上对采集的信号进行快速傅立叶变换信号处理。同样的整个复合材料板试样被放置在海绵上以模拟自由边界条件。
在对该型号的复合材料试样进行频率响应测试后，重新将函数信号发生器的扫频范围设置为共振频率左右各50Hz（扫描长度为100Hz），并进行非线性声学共振法检测，调整扬声器的激励电压幅值范围为52.5V至65.0V，且每2.5V取一点对试样进行重复实验，检测实验结束后将复合材料试样放置加热平台上加热以融化石蜡，去除扬声器和加速度传感器，随后在试样板中引入对应的冲击疲劳损伤，并循环测试，直至复合材料试样损坏。
下图2为完好复合材料试样板的共振频率响应频谱，该试样在各个振动模态下所对应的频率分别为720Hz，1360Hz和2350Hz，且在频率为1360Hz时的振动响应幅值相对较高，因此为了获得足够强的振动响应，选择1360Hz作为此次非线性声学共振法检测实验的共振频率f0。
图2：完好试样的共振频率响应频谱
下图3为完好试样的非线性声学共振响应频谱图，从图中可以看出，各个激励电压下的幅值-频率曲线能够被很清晰地分辨出来，其幅值随着激励电压的增加而增加，且共振频率几乎保持不变。
图3：完好试样的非线性声学共振谱
下图4为各个损伤试样的非线性声学共振测试频谱图，分别对应于为(a)3J冲击能量下冲击2800次；(b)4J冲击能量下冲击2400次；(c)5J冲击能量下冲击1600次；(d)7J冲击能量下冲击25次。随着激励电压的逐渐递增，幅值-频率曲线的幅值同样明显增加，但与完好试样不同的是，由于冲击疲劳损伤的存在，复合材料试样的刚度发生了改变，在激励电压递增的情况下，其共振频率出现明显的左偏现象，且共振频率变化量(f-f0)随着激励电压的增大而增大。因此在声学共振法检测中，可以通过观察检测试样接收信号频域谱中的共振频率是否发生偏移来判定试样是否存在损伤。
图4：损伤试样的非线性声学共振谱：(a)3J冲击能量下冲击2800次；(b)4J冲击能量下冲击2400次；(c)5J冲击能量下冲击1600次；(d)7J冲击能量下冲击25次
实验结果：
非线性振动声调制和非线性声学共振法检测技术都是基于非经典非线性效应，并且它们都能够快速、有效的识别出碳纤维复合材料中的冲击疲劳损伤。随着冲击疲劳损伤程度的增加，材料结构的强度或刚度性能逐步退化，从而使得由损伤引起的额外非线性增加，在声学共振法中，在驱动振幅逐渐增大的情况下，其接收信号频域谱中的共振频率发生向左偏移现象，而振动声调制则是同时激励低频振动信号和高频超声信号，在低频振动、高频超声波以及损伤缺陷三者之间的相互作用下，其接收信号频域谱中产生调制旁瓣非线性信号。
由于声学共振检测法和振动声调制检测法的机理不同，对传感器的要求也不同。对于声学共振法而言，通常使用磁致伸缩传感器[84]和扬声器[92]来激励结构产生振动，明显的结构振动是分析共振频率变化的必要条件，且不需要较高的激励电压。对于振动声调制而言，压电换能器是最常用的激励与接收传感器，在进行检测实验时需要同时激励低频振动和高频超声波，高频超声波信号中正常的激励电压足以满足振动声调制的需求，而对于低频振动信号，为了获得足够强的振动响应，需要较高的低频振动激励电压，只有在这样的实验条件下，损伤区域处的接触面才能更频繁的闭合，增强经过损伤缺陷处高频超声波的调制效应，从而使得非线性振动声调制的检测效果更好。
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