聲發(fā)射在某型飛機水平尾翼半軸狀態(tài)監控中的應用

圖9 hits隨時(shí)間的變化圖 圖10 參數濾波后hits隨時(shí)間變化的趨勢圖
取381～900飛行小時(shí)這段時(shí)間的信號進(jìn)行分析，對信號進(jìn)行參數濾波，只保留峰值頻率等于170kHz和上升時(shí)間為22 的信號，對信號進(jìn)行趨勢分析。圖10為參數濾波后撞擊數hits隨時(shí)間變化圖，在381～623飛行小時(shí)這段時(shí)間撞擊數hits幾乎為零，也就是說(shuō)裂紋信號還沒(méi)發(fā)生，在623飛行小時(shí)以后信號逐漸并跳躍性增加，而當達到759飛行小時(shí)時(shí)hits數量達到最大為1532個(gè)，從759飛行小時(shí)之后信號趨于穩定，這說(shuō)明了在623～759飛行小時(shí)這段時(shí)間裂紋的擴展是一個(gè)從小到大的過(guò)程，而在759飛行小時(shí)以后是裂紋穩定擴展的過(guò)程，與圖8中的變化趨勢非常接近，圖10更加精確地表示出裂紋信號的發(fā)展過(guò)程，623飛行小時(shí)為半軸裂紋萌生點(diǎn)，而759飛行小時(shí)為裂紋穩定擴展的分界點(diǎn)。 對于這樣的一個(gè)結果可從其它方面進(jìn)一步分析論證。
3.2 參數濾波后信號周期性和幅度分布分析
圖11為半軸斷口的圖片，從圖中發(fā)現了兩個(gè)裂紋的萌生點(diǎn)上下對稱(chēng)，圖12、圖13分別對應上下萌生點(diǎn)的局部放大圖，從圖中發(fā)現裂紋是從上下兩個(gè)焊點(diǎn)處開(kāi)始萌生，從里向外的方向擴展的。為什么沒(méi)有從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)裂呢？這主要是半軸除了焊點(diǎn)處為薄弱環(huán)節外，還有加載的原因引起的，最大載荷存在 和 兩個(gè)極限位置處，而這兩個(gè)作用點(diǎn)正好為半軸的上下兩個(gè)對稱(chēng)的焊點(diǎn)處，這樣存在兩個(gè)裂紋萌生點(diǎn)也就不難解釋了。裂紋信號在半軸上下處交替出現的，半軸運動(dòng)一個(gè)周期，上下兩處裂紋各擴展一次。根據上邊的分析，具有峰值頻率（peak frequency）為170kHz和上升時(shí)間（rise time）為22 參數特性的信號為裂紋信號，這些信號應該具有這樣特征：
（1）信號周期形變化，一個(gè)加載周期內上下裂紋各開(kāi)裂一次。
（2）信號的數量應各從小到大，且發(fā)生在載荷最大處。
（3）信號的幅度上分布應該向高幅度方向移動(dòng)，當達到一定時(shí)間趨于穩定。
（4）從信號的頻譜上看應該是一個(gè)寬頻范圍的信號，頻譜應該非常接近，主峰頻率應該一樣，從波形上看應該和高韌性金屬材料非常相似。
圖14為峰值頻率（peak frequency）為170kHz和上升時(shí)間（rise time）為22 的信號hits隨時(shí)間變化圖，處理的時(shí)間段為623～656飛行小時(shí)，圖14、圖15中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分別對應的時(shí)間點(diǎn)為623飛行小時(shí)、629飛行小時(shí)、643飛行小時(shí)、649飛行小時(shí)、656飛行小時(shí)，圖14中（A）在某幾個(gè)點(diǎn)出現的撞擊hits，但這些信號都是在水平尾翼運行到 這個(gè)極限位置時(shí)產(chǎn)生的，此時(shí)正是加載最大處。而圖14（B）在 最大加載點(diǎn)都出現了信號，由于采集十個(gè)周期信號，所以在十個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現了信號，而這十個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應水平尾翼運行到 的十個(gè)最大加載點(diǎn)（圖中標記1處），這可以用kaiser效應得到很好的證實(shí)，這說(shuō)明了在半軸的正上方焊點(diǎn)處開(kāi)始出現疲勞損傷，隨著(zhù)試驗的進(jìn)行，從圖14（C）發(fā)現在水平尾翼運行到 時(shí)最大加載點(diǎn)處有幾個(gè)點(diǎn)也出現了信號（圖中標2處），圖14（D）中 時(shí)最大加載點(diǎn)處都出現了信號，這說(shuō)明在半軸的正下方焊點(diǎn)處開(kāi)始出現疲勞損傷，隨著(zhù)試驗的進(jìn)行，信號的數量開(kāi)始逐步增大。這很好的說(shuō)明了裂紋的生長(cháng)過(guò)程。從圖中我們可以得到半軸正上方（1斷口對應處）的裂紋萌生時(shí)間應該在靠近623飛行小時(shí)處，半軸正下方（2斷口對應處）的裂紋萌生時(shí)間應該靠近在643飛行小時(shí)處。圖15對應圖14中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的撞擊hits對應幅度的分布圖，從圖15發(fā)現在隨著(zhù)試驗的進(jìn)行除了信號的信號數量變化外幅度分布向高幅度方向移動(dòng)，這也很好的說(shuō)明了裂紋發(fā)展過(guò)程，信號的幅度由小變大。

圖11 半軸的斷口圖片 圖13 對應圖11中2處斷口放大圖

圖14 撞擊hits隨時(shí)間變化圖 圖15 撞擊數hits對幅度的分布圖
隨著(zhù)試驗的進(jìn)行，對數據做同樣處理，圖16為峰值頻率（peak frequency）為170kHz和上升時(shí)間（rise time）為22 的信號撞擊數hits隨時(shí)間變化圖，處理的時(shí)間段為662～715飛行小時(shí)，圖16、圖17中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分別對應的時(shí)間點(diǎn)為662飛行小時(shí)、669飛行小時(shí)、676飛行小時(shí)、682飛行小時(shí)、715飛行小時(shí)，從圖16發(fā)現隨著(zhù)試驗的進(jìn)行，在兩個(gè)最大加載點(diǎn)處信號是逐步增加，對應的幅度分布如圖17所示，幅度分布隨著(zhù)試驗的進(jìn)行繼續向高幅度方向移動(dòng)，這段時(shí)間說(shuō)明上下裂紋是在加速擴展的階段。
對748～887飛行小時(shí)段進(jìn)行同樣的處理，圖18為hits隨時(shí)間變化圖，圖19為幅度分布圖。圖18、圖19中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分別對應的時(shí)間點(diǎn)為748飛行小時(shí)、779飛行小時(shí)、813飛行小時(shí)、853飛行小時(shí)、887飛行小時(shí)，從圖18發(fā)現隨著(zhù)試驗的進(jìn)行，在兩個(gè)最大加載點(diǎn)處信號是趨于穩定的，對應的幅度分布如圖19所示，幅度分布隨著(zhù)試驗的進(jìn)行不再向高幅度方向移動(dòng)，主要在62dB為中心的范圍內分布，說(shuō)明隨著(zhù)試驗的進(jìn)行，裂紋開(kāi)始均勻擴展。

圖16 撞擊hits隨時(shí)間變化圖 圖17 撞擊數hits對幅度的分布圖

圖18 撞擊hits隨時(shí)間變化圖 圖19撞擊數hits對幅度的分布圖
4 頻率分析

圖20 裂紋信號的波形圖 圖21 裂紋信號的頻譜圖
我們提取出參數特性為上升時(shí)間（rise time）為22 和峰值頻率（peak frequency）為170kHz裂紋信號，我們取不同時(shí)間點(diǎn)的10個(gè)波形信號對其進(jìn)行頻譜分析，看信號是否具有一致性質(zhì)。圖20為其中一個(gè)裂紋信號的波形圖，從波形上看這些裂紋信號是非常相似，為了更能說(shuō)明問(wèn)題從頻譜上來(lái)分析。監控中采樣頻率為5MHz，圖21對應其頻譜圖，頻譜圖上出現了四個(gè)峰值，其中（1）、（2）、（3）、（4）對應的頻率分別為175.8kHz、449.2kHz、556.6kHz、644.5kHz。說(shuō)明裂紋信號是一個(gè)寬頻信號，從一致性上看這十個(gè)信號在這些頻率點(diǎn)處都出現峰值，能量主要集中175.8kHz附近，頻譜圖非常接近，都出現了相同的主峰頻率，所以認為這些信號是同一材料（裂紋擴展）發(fā)出來(lái)的。
5 結論
（1）通過(guò)對水平尾翼的運行過(guò)程和加載點(diǎn)分析，根據Kaiser效應，認為裂紋信號僅出現在加載時(shí)間段。
（2）上升時(shí)間（rise time）為22 和峰值頻率（peak frequency）為170kHz信號含有大量裂紋信號信息。其撞擊數hits對時(shí)間的趨勢分布、出現的時(shí)間點(diǎn)、周期性、幅度分布和信號的頻譜分析，均可說(shuō)明具有此類(lèi)特征的信號為裂紋信號。據此能找出裂紋的萌生時(shí)間和生長(cháng)過(guò)程，證明同一種材料產(chǎn)生的裂紋信號經(jīng)過(guò)單一路徑傳遞，信號參數具有統計特性。
（3）在半軸的裂紋信號監控中，根據裂紋信號參數具有的統計特性，可以很容易地找出裂紋信號。根據圖8、圖10所示，這些信號占總體數量將近50%，當然還有一些裂紋信號漏掉，但數量相對很少，對分析結果沒(méi)有影響。
（4）由于窄帶傳感器的諧振頻率主要在150kHz處，信號的一些信息無(wú)法反映出來(lái)，所以寬帶傳感器