基于聲壓的無損檢測方法研究

張亞建　毛虎平　程意　王瀚岑　李煜華

摘要：為實現工業生產流水線產品的快速無損檢測，結合結構動力學理論和聲輻射模態理論，論述聲輻射模態頻率作為無損檢測依據的可行性，提出一套基于聲壓的無損檢測方案。該方案結合使用Matlab和高精度麥克風、工業聲卡等硬件設備實現聲音信號采集、FFT變換和模態識別等功能。以長安CS55發動機連桿為例進行試驗，結果與Ansys仿真結果對比驗證此試驗方案的準確性。最后對上述連桿進行無損檢測，通過對大量連桿進行重復試驗的結果對比發現：利用聲壓的無損檢測方案可以成功檢測缺陷連桿，而且檢測結果較為穩定。

關鍵詞：聲壓;無損檢測;模態;連桿;缺陷

中圖分類號：TG247 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0008-06

0 引言

隨著工業生產的發展，將基于聲壓的無損檢測方法應用于工業流水線產品檢測已經成為一種趨勢。利用聲壓的無損檢測方法是以聲輻射模態理論和結構動力學理論為基礎，旨在用聲輻射模態頻率為識別依據，進行非接觸式無損檢測。自1990年，Borgiotti[1]首次提出聲音輻射模態的概念，學者們對聲輻射模態進行了大量的研究，Williams等[2-3]通過聲壓測量陣列來實現結構表面振動響應的重建，但其尚未對結構的模態進行分析;趙堅等[4]結合模態理論對結構振動與聲輻射關系進行研究，從理論上證明了振動模態與聲壓模態與之間的關系;郭建平等[5]在上述理論基礎上使用聲壓傳感器對某電路板的模態參數成功識別;Prezelj等[6]利用表面近場的測量聲壓實現了振動結構模態重構，證明近場聲壓模態反應結構模態更加準確;Zhu等[7-8]使用有限元方法建立聲固耦合的動力學方程，驗證了利用聲壓識別結構模態的可行性。夏茂龍等[9]建立輻射聲壓與激振力之間的聲壓頻響函數矩陣，提出一個基于測量聲音識別結構模態參數的新方法。

上述研究表明利用聲壓信號進行模態識別的技術已趨于完善。由于模態參數可以作為無損檢測的依據[10]，劉廣興等[11]提出了一種僅用計算機就可以實現的快速簡易無損檢測新方法，由于該方法使用計算機自帶麥克風和聲卡而且尚未進行嚴格的仿真驗證，未能實現精確的無損檢測;王楊川[12]提出了一套基于共振聲學的無損檢測新思路，包括零件響應、采集聲壓信號、FFT變換和結果分析的4步走檢測方案，但尚未進行試驗驗證。

綜上所述，雖然利用聲壓信號進行模態識別的技術已趨于成熟，將這種非接觸式模態識別方法應用到精確的無損檢測的案例并不多。本文在前人的基礎上提出了一種結合Matlab軟件以及高精度麥克風、工業聲卡等硬件設備的更加精確的無損檢測方案，并且以長安CS55發動機連桿為例進行了實例驗證。

1 理論依據

結構動力學理論中指出任意物理對象都可以用質量、剛度、阻尼等系列物理參數構成的力學微分方程來描述[13]，對于如圖1所示單自由度系統滿足：

mx″（t）+cx′（t）+kx（t）=F（t）（1）

對于無阻尼系統：

對于多自由系統，式（2）也成立。由于機構模態頻率由其剛度和質量共同決定，含缺陷機構的剛度和質量發生變化導致其模態頻率改變，通過模態分析，依據頻率參數就可以將缺陷零件進行篩選，這就是結構動力學理論在無損檢測中最核心的應用。

聲輻射模態理論是研究結構在主振動（模態振動）下聲輻射特性的問題，反映了聲輻射特性和振動結構固有模態之間的關系，論證用聲輻射模態參數表述結構聲輻射固有特性的合理性[14]。

根據聲學理論，對于穩態單頻率k振動，結構聲輻射面是封閉光滑曲面（或分片光滑曲面）s，滿足有限條件和輻射條件的情況下，設曲面s上的法向振速分布函數u（x，t），由格林函數方法可建立輻射面s上的Helmholtz積分方程：其中P（x，t），P（y，t）分別為輻射面x，y點的聲壓分布函數;為格林函數，K=k/c為波數，c為波速，r=r（x，x）表示s面上任意兩點x和y之間的距離;為法向導數。

對于鑲在無窮大障板上的平板單元結構向半空間輻射噪聲，可由式（3）導出聲學瑞利（Rayleigh）積分公式為

根據式（4）可知，當結構以某階模態頻率發生主振動時，輻射面輻射的聲學量將以相同的頻率進行變化，因此可以通過聲學量信號頻率來確定結構模態頻率，這與文獻[15]用加速度傳感器和聲壓傳感器測得結構模態頻率幾乎相同的結論相一致。本文基于以上理論來進行無損檢測。

2 聲壓模態測試方案

本文設計的測試方案如圖2所示，首先將力錘拉起至與垂線成固定角度位置，松手使其繞與量角器同心軸自由下擺，近似地實現了對機構的固定位置固定力激勵，零件受到激勵產生一定的聲音信號，通過固定在待測機構正下方的麥克風進行聲音信號采集，通過聲卡將聲音信號轉化為數字信號輸人到電腦，最后使用Matlab對數字信號FFT變換[16]，得出待測零件的固有頻率。

2.1 測試設備和流程

本測試方案所需設備及選型如表1所示。

本試驗以長安CS55發動機連桿為例進行測試，根據此連桿有限元仿真結果可得最大振幅位置在連桿小頭，所以選擇小頭為本試驗的激勵位置，中間的振幅較小，選擇中間為懸掛位置，至于測試位置選擇距離敲擊點正下方1cm處，試驗實物圖如圖3所示。

測試分析過程如下：

1）將力錘向右拉起與水平線成20°夾角位置松手，錘頭自由擺動激勵連桿，連桿受到激勵后自由震動。由于橡膠錘頭消耗重力勢能，所以可以通過選擇硬度不同的錘頭來避免自由擺動錘頭的重復敲擊連桿。

2）連桿自由振動發聲，聲音信號經空氣、麥克風和聲卡傳輸到電腦。聲音信號在空氣中傳遞時會衰減，由于測量位置距離激勵位置非常近，所以此因素僅影響頻譜圖峰值的大小，而峰值頻率（共振峰值對應的橫坐標）位置不會改變。

3）電腦收到信號，在Matlab中進行FFT變換處理，將時域信號轉化為頻域信號，并且顯示頻譜圖，在頻譜圖中就可以直觀地讀取連桿各階固有頻率。

2.2 測試結果

以長安CS55發動機連桿為例通過上述聲壓模態試驗，得到頻譜圖如圖4所示。

由圖可得此連桿前6階的固有頻率分別是：2035，2286，3468，6306，8580，9049Hz。

3 仿真驗證

為驗證上述聲壓模態試驗的可行性，進行有限元仿真驗證。首先利用三維掃描儀對上述連桿進行三維掃描，將點云導入CAITA進行逆向建模，建模過程中對于比較難測量連桿的紋理進行簡化，連桿逆向建模結果如圖5所示。

將圖5模型導入Ansys進行有限元仿真。長安CS55發動機連桿所用的材料為40Cr，其密度7870kg/m³，彈性模量2.11e¹¹N/m²，泊松比0.277。網格劃分要首先考慮的是如何劃分連桿模型使其達到網格數量的最優化。連桿模型是三維模型，因此本文嘗試了solid185、solid187以及solid92等多個實體單元，設置了從0.001m到0.01m梯度尺寸劃分網格，分別進行仿真計算。當采用solid185單元，尺寸設置為0.02m時計算結果收斂，solid185單元是六面體單元，此時劃分網格后的連桿模型有52330個單元，12306個節點。建立的有限元模型，如圖6所示。

本仿真模擬的是自由模態，所以無需設置邊界條件和施加載荷，采用block lanczos模態提取方法計算前6階有效模態分別是1990，2256，3369，6218，8716，8932Hz，對應前6階振型圖如圖7所示。

根據圖7可得，此連桿除第6階以外，其前5階的最大振動位置全部在連桿小頭，而第1階、第2階和第6階的最小振動位置全部在桿身和小頭大頭連接部位，這為上述聲壓模態試驗激勵位置選擇提供的參考。將聲壓模態試驗與有限元仿真的前6階的模態結果對比如表2所示。

上述結果表明基于聲壓測試連桿模態頻率誤差不超過士3%，由于仿真過程中逆向建模和有限元模型建立也都存在一定誤差，所以近似認為此測試方案可以有效測試連桿模態頻率。

4 聲壓模態在無損檢測領域的應用

國內外常見無損檢測方法有射線檢測、超聲檢測、液體滲透檢測、渦流檢測、磁粉檢測，以上檢測技術往往旨在診斷零件的某種特定缺陷，但相比本文提出的聲壓模態無損檢測方法，其主要缺點如表3所示。

實際上，在工業生產的流水線上，找出有缺陷次品的意義已經大于對零件某缺陷的診斷。聲壓模態無損檢測方法是以聲輻射模態參數為依據進行缺陷識別，相比以上5種檢測技術檢測門檻底、對人無傷害并且可批量檢測。本文以長安CS55發動機連桿進行為例進行此無損檢測方案可行性的驗證。

為保證無損檢測的準確性，使用了100個合格連桿和3個不合格連桿作對比試驗，3個不合格連桿缺陷分別是表面裂紋、夾雜和縮孔3種常見加工缺陷。100個合格連桿重復試驗所得前6階固有頻率范圍如表4所示，3個不合格連桿試驗結果如表5所示。

對比表4、表5可得，夾雜連桿的第1階、第3階、第4階以及第5階的頻率明顯變小，實際上夾雜連桿剛度不足，這與式（2）反映的剛度減小導致固有頻率減小的理論相一致，縮孔連桿各階頻率與夾雜連桿頻率類似，表面裂紋連桿除第4階以外其他各階頻率也有所減小，但減小值不明顯。雖然上述3種缺陷對連桿各階頻率影響不相同，但與合格連桿模態試驗模型庫對比，存在裂紋、夾雜、縮孔的連桿固有頻率多數都有所降低。因此，通過共振頻率的對比可判斷出連桿是否存在缺陷。

5 結束語

本文依據結構動力學理論和聲輻射模態理論提出了一套基于聲壓的無損檢測新方案，方案利用工業聲卡、高精度麥克風和Matlab軟件等設備，操作方法簡單、硬件成本低、識別快速，并且使用Ansys仿真驗證了此方案測試模態參數的準確性。之后將此方案應用到長安CS55發動機連桿的無損檢測試驗，驗證了其可行性。由于本文僅使用了發動機連桿為例，發動機連桿是鍛造件，鍛造產生的缺陷比較明顯，而對于其他加工工藝零件尚未進行無損檢測的驗證，因此對此無損檢測方案有待更進一步研究和推廣。

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