摘要院利用声发射技术对玻璃纤维/环氧树脂复合材料悬臂梁的振动性能进行研究. 采集悬臂梁自由振动下的声发射渊AE冤信号袁并对信号进行快速傅里叶变换渊FFT冤和频谱分析. 结果表明院复合材料声发射延续时间长袁其主频率为108.5 Hz尧阻尼系数为0.113. 这一结果同电阻应变传感系统测得的梁的实际振频110.1 Hz尧阻尼系数0.119非常接近袁说明该方法用于复合材料固有频率测试时精确度高曰而且同应变传感系统相比袁能够反映复合材料的微观变化袁对研究其振动损伤有重要意义。

复合材料板、壳结构在建筑蓬盖材料、飞机机翼、汽车外壳等部件中应用广泛，此类部件在地震、风振等外界激振作用下发生振动，容易使复合材料细观结构产生疲劳损伤，并严重影响其制品的使用寿命[1].因此测试复合材料结构的固有频率和振动性能，对其减振设计具有重要作用.声发射技术具有实时连续、灵敏度高和操作简便等优点，它通过探测由材料内部所发出的应力波，可以判断受力状态下结构或材料对力的响应[2].关于声发射技术在复合材料检测上的应用，国内外已有大量研究报道. Jin-Kyung Lee 等采用声发射技术对复合材料拉伸断裂进行表征[2]，国内的一些研究人员也做了相类似的工作[3~6]，而采用该技术测试复合材料振动性能的报道很少. 本文拟测试复合材料悬臂梁自由振动下的声发射信号，以传统的电阻应变测试法作为对比实验，探讨声发射用于复合材料振动测试的可行性。

1 实验部分

1.1 实验材料与装置

自制玻璃纤维/环氧模压板，厚度为1.2 mm，裁制成80 mm伊20 mm的悬臂宽板，粘贴在固定支座上，悬臂长60 mm.主要测试装置有：带有信号放大功能的AE 换能器，北京兆易科技公司产品；Sharp PC-1500A 便携式计算机，日本夏普株式会社产品；电阻应变片，栅格尺寸5 mm伊3.5 mm，阻值120 赘，灵敏度1.5，北京朗利得科技公司产品；DY-15 型动态电阻应变仪，华东电子仪器厂产品；PCI-6100A型高速数据采集卡，有效采样频率1.5 kHz，北京艾智达测控有限公司产品.

1.2 实验方法

在无噪音的环境下，对悬臂梁自由端施加载荷使其产生弯曲形变，当挠度达12 mm 时突然卸载，使悬臂梁在自由状态下振动. 同时使用以下2 种测试方法对1次振动的信号进行采集，采集到的信号是1 组动态的电压值，记为x（n）.

（1）声发射测试. 将AE 换能器置于距复合材料悬臂梁表面5 mm高度的固定基座上，通过屏蔽线连接PC- 1500A，振动产生应力波信号经AE 转换为电信号，经放大器处理后，由PC-1500A 内的A/D 转换模块转换为数字量并存储在其内存芯片内，通过读取内存芯片将数据转存入计算机中.

（2）电阻应变传感法测试. 将应变片粘贴在悬臂梁应变方向上，应变片的引线按照全臂电桥接入动态电阻应变仪的电桥盒，应变仪的输出端通过采集卡接入计算机中.这样，振动产生电阻动态变化形成的电压信号，经过采集卡的A/D 转换，通过自编的程序将数据写入文件并存入计算机中.

1.3 信号的快速傅立叶变换对采集的信号使用Matlab 的小波工具包进行噪声剔除后[6]，采用离散的快速傅里叶变换（FFT）计算声发射信号的频谱.按照（1）式计算：

由此可见，运算所需总运算次数近似正比于采样数的平方.为减小运算量，选取振动开始后的0.3 s内的数据进行FFT，生成的频谱图可以表达所分析信号的频率结构，准确反映复合材料的声发射及悬臂梁表面的动态应变特征.

2 结果与讨论

2.1 振动信号分析

振动测试所采集到的信号电压值随时间的变化

如图1 所示.

信号同电阻应变的电压信号波形相似，均符合阻尼下的自由振动，二者的峰值同时间的关系满足阻尼振动特征函数（c 为阻尼系数）. 对信号峰值衰减的回归分析得到：声发射信号的阻尼系数值为0.113，同电阻应变信号的阻尼系数值0.119 接近，说明声发射技术也能够表征振动的衰减过程. 两种测试结果的不同之处在于，声发射采样频率为11 kHz，远高于电阻应变法的1.5 kHz，并且二者的测试原理不同，因而声发射技术能够反映更加复杂的问题. 如振动时复合材料内部结构变化产生的“杂音”可以干扰声发射波形，从图1（a）中可见，在振动的起始阶段出现的“杂音”较大，是由于力的突然卸载使复合材料的变形能瞬间释放，对复合材料产生微观损伤而致；随着振动的进行，能量的耗散，复合材料内部不再产生新的微观损伤，但原有损伤的共振等作用也使得声发射波形上出现许多“锯齿”；而电阻应变法无法反映以上问题.波形的振幅是对振动振幅的间接反映，以振幅低于初始振幅的1％作为振动终止时刻，声发射法与电阻应变法测得的振动延续时间分别为0.473 s和0.65 s. 由于电阻应变法采集到的振幅波动来源于实际振动，说明声发射信号衰减较实际振幅的衰减快. 2.2 频谱分析图2 为复合材料声发射信号和电阻应变信号经FFT变换后的频谱图.

从图2 中得知，幅值的峰所处的位置为悬臂梁的固有频率值，两种方法所测值分别为108.5 Hz 和110.1 Hz.对振频的测试值不同，是由于声发射换能器与复合材料悬臂梁的间距，采集到的信号并不是直接来自复合材料悬臂梁的振动，而是梁周围空气的受迫振动，因此存在一定误差；电阻应变法由于所测试的是梁的表面变形，因此得出的频率值可以认为是复合材料的真实振动频率.图3 为放大后的声发射信号频谱图.

从图3 中发现，在声发射频谱范围内有一系列特征峰，特征峰代表复合材料振动及信号采集过程中的一些特征声发射[7].将特征峰按照频率范围标注为3部分：淤频率<300 Hz 处有两个明显的特征峰，分别为108.5 Hz 和217.0 Hz，前者非常接近结构固有频率，来自悬臂梁振动的声发射，后者是前者的声发射经自身反射后的叠加，频率值恰好为前者的2 倍，符合波的叠加规律；于频率位于0.3~5 kHz之间，是玻璃纤维增强复合材料微观损伤的声发射频率范围，根据文献[6]报道，玻璃纤维断裂及滑移时，声发射信号的中心频率在1.7 kHz左右，因此可以通过这部分特征峰强度来估测复合材料损伤程度；盂频率>5 kHz 的特征峰，超出了复合材料损伤声发射的频率范围，是由电路产生电流噪音产生.与之相比，电阻应变法采集的信号频谱单一，仅能对复合材料悬臂梁的固有频率进行准确测定.

3 结论

本文使用声发射技术对复合材料悬臂梁振动进行测试实验，并与传统的电阻应变法作对比，结果显示：

（1）声发射技术快捷、简便，能够较为准确地表征复合材料振动频率；

（2）声发射还可以获得材料在振动过程中的微观损伤信息，声发射频谱分析还可进一步细化各峰值的频段，其中位于0.3~5 kHz之间的频谱特征峰符合复合材料的微观损伤范围，峰值表征了损伤程度，对研究振

动下的复合材料结构检测具有很高的应用价值.