| 摘要： 在現在的經濟觀點中，結構必須保持工作的時間要比初始預期的時間要長的多。這些結構的老化效應變得很顯著，并在确定關于這些結構使用、維護和退役方案時必須考慮老化效應。
用于監控結構狀況的無損檢驗技術的發展是非常活躍的，且這些發展主要集中于已存在結構現有壽命的延長和維護費用的降低。 一種快速、準确和成(chéng)本較低的結構監控方法是聲發射(AE)和超聲-聲發射(AU)，這種方法已被(bèi)證明非常可靠，并能(néng)檢測"局部"和"全局"。AE/AU技術可以在可能(néng)的災難性故障以前檢測結構缺陷，補充其他的無損檢測檢驗方法。AE/AU技術在預定的維護計劃中結構健康監控已被(bèi)證明是可靠的、合理的技術。這是因爲在危及結構完整性和結構故障發生之前，中斷處可以産生可檢測到的聲發射。聲發射技術和超聲-聲發射技術可以應用于現在很多的老化結構問題，範圍涉及航天工業中的結構健康監控。确定混合複合材料結構由活動缺陷引起(qǐ)的不連續處。本文將(jiāng)檢驗這種技術，并讨論幾種應用和監控案例。 介紹： 聲發射 (AE)是從材料中的損傷源快速釋放能(néng)量而産生的彈性應力波。這些彈性波可以監測到并轉換成(chéng)壓電信号，這些由安裝在材料表面(miàn)的小的壓電晶體傳感器完成(chéng)。傳感器響應通過前後濾波器去除頻率低于100KHz的可聽得見的噪聲。結果表明即使是周圍的噪聲水平很高使用聲發射也能(néng)監控結構的活動損傷。聲發射的損傷源包括斷裂、塑性變形、沖擊、磨擦、腐蝕膜層破壞及其他過程。對于檢測幾百平方微米或更小的表面(miàn)上新形成(chéng)的裂紋，聲發射有足夠的靈敏度。
超聲-聲發射(AU)是在具有聲發射應用特征的頻率範圍内使用超聲波方法。該技術能(néng)檢測和描繪單層和多層金屬、陶瓷和複合闆材料結構的差異。也能(néng)對微觀結構、金屬厚度和厚的複合材料進行腐蝕及分布差異的檢測。AU使用脈沖發生器和接收傳感器以低超聲範圍内的共振頻率，結合波傳播動力學預測來檢測損傷。超聲波被(bèi)表面(miàn)和界面(miàn)反射回來，由于散射和吸收衰減，在反射和播送中模式發生變化。這些結果主要依賴于波的頻率、方向(xiàng)、初始模式和表面(miàn)損傷的位置和方位。當結構發生損傷時，信号發生變化就(jiù)表示損傷類型。通過計算信号中給定的損傷類型和度的平均變化。可以從AU測量值來估算損傷。 結構健康狀态監控(SHM)系統： | 聲發射-直升機健康狀态和使用監控系統(AE-HUMS)是一種用于直升機動力傳動系統中檢測損傷的裝置。該系統使用SH-60動力傳動系統(組成(chéng)見圖1)獲得的實驗數據研制而來。使用該數據顯示AE-HUMS系統有能(néng)力檢測動力傳動系統中不同部件的多種損傷過程，能(néng)估算相對損傷危害度，及能(néng)識别損傷進展，例如：裂紋擴展等。在副齒輪中擴展的裂紋能(néng)在故障發生前15分鍾檢測出來。 |
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| 同時，還能(néng)檢測和監控裂紋形成(chéng)前數小時由損傷引起(qǐ)的裂紋(如圖2)，有迹象表示將(jiāng)來對系統修改將(jiāng)允許裂紋的形成(chéng)和裂紋擴展，并可以與其他類型的損傷擴展區分開來。在廣泛的應用範圍内AE-HUMS系統用來監控動力傳動系統、齒輪箱及轉動零件有很大的潛力。 |
目前裝配的AE-HUMS系統提供了四個級别的損傷指标。每個通道(dào)顯示一個狀态條，四種顔色中的一種表示部件的一種狀态。這些顔色是：綠色表示通過情況；黃色表示可能(néng)的最小無擴展損傷；橙色表示明确的和嚴重的無擴展損傷；紅色表示嚴重的擴展損傷。無聲音報警。操作員可以關掉任一通道(dào)或整個系統。
飛機全尺寸疲勞試驗(FSFT)：現在的無損檢測技術,象超聲波、渦流和放射線照相術要求很高的經過培訓的技術人員，花費很多時間尋找顯著區域，且經常分解機架結構以确定裂紋位置和長度。目前，檢測位置和間隔必須依據以前的缺陷統計特征。然後必須在所有位置進行無損檢測掃描來确定是否有真正的缺陷存在。使用聲發射允許通過裂紋擴展聲音識别點位置檢測。 | 全尺寸疲勞試驗是依據在實際産品結構預先加載與服役中一樣的循環載荷原理。試驗的自動加載系統在比實際運行服役短很多的時間段内提供很多次載荷循環。因爲強迫缺陷擴展，在維修它時要和實際操作規程一樣。這個試驗全部目的是确定疲勞臨界位置和在這些位置上疲勞壽命和裂紋擴展特征。 |
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FSFT是載荷模式，即：疲勞載荷譜依據于實際運行數據。在早期産品階段(圖3)完成(chéng)全尺寸試驗通常使用很低危害的疲勞載荷譜(和多數飛行目前進行載荷譜比較)，期望的飛行使用壽命也比現在要求機架壽命短。這就(jiù)導緻要保持我們舊的飛行就(jiù)要求越來越多的FSFTS。
聲發射試驗是一項在應力狀态下"聽"結構的技術。在預加應力的結構中裂紋或缺陷發射聲波。這些波通過結構傳播并由一組壓電晶體傳感器收集信号。這些信号傳輸到基于儀器的計算機中來分析波形特征，通過比較在傳感器組中不同傳感器信号的到達時間，可以确定缺陷點所在的位置。
| 聲發射在F-15疲勞試驗上的應用主要集中于飛機上的幾個關鍵的結構(圖4)。主要感興趣的點是在機翼和機身之間的連接耳片。這些中間的和主翼梁上的耳片在工作過程承受巨大的載荷并經常在現場進行檢測。機翼和機身固定耳片將(jiāng)機翼主梁與機身隔壁連成(chéng)一體，由2124鋁合金，7075鋁合金和6A1-4V钛鍛件加工而來。 |
| 即使使用最現代的傳統檢測技術确定疲勞裂紋的位置也常常很困難。聲發射有告訴檢測人員什麽時間什麽區域檢測的能(néng)力。用這個系統可以節省試驗停車時間，減少試驗樣機發生災難性故障的機率，用該系統獲得較好(hǎo)地對裂紋形成(chéng)的理解。這種類型的儀器(圖5)對疲勞研究是非常有用的，總有一天我們將(jiāng)看到空中聲發射監控設備作爲一種重要的監控系統。圖6和圖7所示爲傳感器和前置放大器在FST飛機上的位置。 |
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圖8.DC-XA 技術驗證和火箭 |
圖9.AEFIS and AE 傳感器安裝位置 |
飛行聲發射（AE）作爲一種健康狀态管理試驗在DC-XA三角機翼運輸機技術驗證機上獲得了成(chéng)功地驗證。AE系統作爲商業可買到的儀器單元修改用于自動控制和重設計AEFIS，AEFIS表示聲發射飛行儀器系統。聲發射技術預示著(zhe)對滿足新的要求有了希望：能(néng)監控和反饋關于結構、燃油箱和燃油系統狀态的信息并傳遞給機載計算機。未來空間旅行的最關心的問題之一就(jiù)昌微隕石沖擊，它能(néng)碰擊飛行器上升、下降及在軌道(dào)上運動，特别是複合材料結構逐步成(chéng)爲主流。在飛行器上用聲發射，它能(néng)被(bèi)動地"聽"結構并确定沖擊發生的位置。一旦發生沖擊，系統确定沖擊部位并評估它的危害度。确定位置以後，系統橫過沖擊區域完成(chéng)AU試驗：主動發射脈沖到AE傳感器及獲得收到的數字化波形并和地面(miàn)标定獲得的波形進行比較。然而這個試驗結果進入人工智能(néng)化(AI)算法以便給進行下一步或不進行下一步命令(即：如果損傷發生在陶瓷熱防護罩上，就(jiù)可以從分裂及燃燒掉的狀況前挽救結構。) 象前面(miàn)提到的，AEFIS最初設計作爲一種原型反饋關于LH2箱結構和工作環境，包括溫度極限、振動和背景噪聲等信息。其他技術挑戰有：
·修改标準的AE系統不用主動冷卻就(jiù)能(néng)工作；
·通過濾波器去除高背景聲音和電噪聲；
·去除電磁幹涉(EMI)；
·随狀态更新能(néng)直接與火箭PC機通信，自檢查和指示；
·由結構完整性分析數據并將(jiāng)數據相關聯；
·由火箭飛行器提供飛行數據基線。
| 研制一套AEFIS裝置可能(néng)采用現成(chéng)的産品將(jiāng)超過6個月時間。在飛行器内部將(jiāng)最後的配置安裝到著(zhe)陸腳支柱上，將(jiāng)AE傳感器由電纜連到LH2箱上并包括前置放大器(圖9)。該裝置使用耐用的工業PC機帶後闆CPU，(2) PAC AEDSP 32/16AE闆，一塊24VDC電源用飛行器動力并且是固體狀态硬件驅動。最後配置尺寸爲6.5"X9.5"X15.5"，重23磅，無可移動零件(圖10)。軟件來自标準軟件，在安裝過程中允許有多種選擇增加自控自檢能(néng)力，系統狀态I/O及通過母系連接加載/下載能(néng)力等特征。母系連接常用來加載新的試驗配置和下載試驗數據，通過位于飛行器外面(miàn)的一面(miàn)闆接入的筆記本電腦完成(chéng)。 |
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使用的傳感器也是現成(chéng)的産品并包括三種不同類型，選擇傳感器根據它們的頻率響應、大小、靈敏度及在火箭中燃料加載，飛行和著(zhe)陸過程中承受苛刻溫度和振動振蕩的能(néng)力，圖11所示爲三種傳感器中的兩種及它們的大小。 總結： 從這裏報導的工作中很明顯聲發射和聲-超聲波在航天無損檢驗和健康狀态監控技術中有一席之地。同時這裏所說的兩個系統都(dōu)是最新研制的。非常明顯以前非常困難和不可能(néng)檢測的結構中裂紋和分層現在用上面(miàn)兩系統可以解決。這些系統的工作目前研制其他系統并應用于這樣的平台：X-34和Delta火箭。 緻謝: 我們將(jiāng)非常感謝：航空和司令部AATD的Bruce Thompson 及Boeing 公司的Gerry Nissen 和 Jerry Huang，感謝對本文工作的支持。 | 
