声发射在某型飞机水平尾翼半轴状态监控中的应用

图9 hits随时间的变化图 图10 参数滤波后hits随时间变化的趋势图
取381～900飞行小时这段时间的信号进行分析，对信号进行参数滤波，只保留峰值频率等于170kHz和上升时间为22 的信号，对信号进行趋势分析。图10为参数滤波后撞击数hits随时间变化图，在381～623飞行小时这段时间撞击数hits几乎为零，也就是说裂纹信号还没发生，在623飞行小时以后信号逐渐并跳跃性增加，而当达到759飞行小时时hits数量达到最大为1532个，从759飞行小时之后信号趋于稳定，这说明了在623～759飞行小时这段时间裂纹的扩展是一个从小到大的过程，而在759飞行小时以后是裂纹稳定扩展的过程，与图8中的变化趋势非常接近，图10更加精确地表示出裂纹信号的发展过程，623飞行小时为半轴裂纹萌生点，而759飞行小时为裂纹稳定扩展的分界点。 对于这样的一个结果可从其它方面进一步分析论证。
3.2 参数滤波后信号周期性和幅度分布分析
图11为半轴断口的图片，从图中发现了两个裂纹的萌生点上下对称，图12、图13分别对应上下萌生点的局部放大图，从图中发现裂纹是从上下两个焊点处开始萌生，从里向外的方向扩展的。为什么没有从一个点开裂呢？这主要是半轴除了焊点处为薄弱环节外，还有加载的原因引起的，最大载荷存在 和 两个极限位置处，而这两个作用点正好为半轴的上下两个对称的焊点处，这样存在两个裂纹萌生点也就不难解释了。裂纹信号在半轴上下处交替出现的，半轴运动一个周期，上下两处裂纹各扩展一次。根据上边的分析，具有峰值频率（peak frequency）为170kHz和上升时间（rise time）为22 参数特性的信号为裂纹信号，这些信号应该具有这样特征：
（1）信号周期形变化，一个加载周期内上下裂纹各开裂一次。
（2）信号的数量应各从小到大，且发生在载荷最大处。
（3）信号的幅度上分布应该向高幅度方向移动，当达到一定时间趋于稳定。
（4）从信号的频谱上看应该是一个宽频范围的信号，频谱应该非常接近，主峰频率应该一样，从波形上看应该和高韧性金属材料非常相似。
图14为峰值频率（peak frequency）为170kHz和上升时间（rise time）为22 的信号hits随时间变化图，处理的时间段为623～656飞行小时，图14、图15中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分别对应的时间点为623飞行小时、629飞行小时、643飞行小时、649飞行小时、656飞行小时，图14中（A）在某几个点出现的撞击hits，但这些信号都是在水平尾翼运行到 这个极限位置时产生的，此时正是加载最大处。而图14（B）在 最大加载点都出现了信号，由于采集十个周期信号，所以在十个时间点出现了信号，而这十个时间点对应水平尾翼运行到 的十个最大加载点（图中标记1处），这可以用kaiser效应得到很好的证实，这说明了在半轴的正上方焊点处开始出现疲劳损伤，随着试验的进行，从图14（C）发现在水平尾翼运行到 时最大加载点处有几个点也出现了信号（图中标2处），图14（D）中 时最大加载点处都出现了信号，这说明在半轴的正下方焊点处开始出现疲劳损伤，随着试验的进行，信号的数量开始逐步增大。这很好的说明了裂纹的生长过程。从图中我们可以得到半轴正上方（1断口对应处）的裂纹萌生时间应该在靠近623飞行小时处，半轴正下方（2断口对应处）的裂纹萌生时间应该靠近在643飞行小时处。图15对应图14中各个时间点的撞击hits对应幅度的分布图，从图15发现在随着试验的进行除了信号的信号数量变化外幅度分布向高幅度方向移动，这也很好的说明了裂纹发展过程，信号的幅度由小变大。

图11 半轴的断口图片 图13 对应图11中2处断口放大图

图14 撞击hits随时间变化图 图15 撞击数hits对幅度的分布图
随着试验的进行，对数据做同样处理，图16为峰值频率（peak frequency）为170kHz和上升时间（rise time）为22 的信号撞击数hits随时间变化图，处理的时间段为662～715飞行小时，图16、图17中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分别对应的时间点为662飞行小时、669飞行小时、676飞行小时、682飞行小时、715飞行小时，从图16发现随着试验的进行，在两个最大加载点处信号是逐步增加，对应的幅度分布如图17所示，幅度分布随着试验的进行继续向高幅度方向移动，这段时间说明上下裂纹是在加速扩展的阶段。
对748～887飞行小时段进行同样的处理，图18为hits随时间变化图，图19为幅度分布图。图18、图19中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分别对应的时间点为748飞行小时、779飞行小时、813飞行小时、853飞行小时、887飞行小时，从图18发现随着试验的进行，在两个最大加载点处信号是趋于稳定的，对应的幅度分布如图19所示，幅度分布随着试验的进行不再向高幅度方向移动，主要在62dB为中心的范围内分布，说明随着试验的进行，裂纹开始均匀扩展。

图16 撞击hits随时间变化图 图17 撞击数hits对幅度的分布图

图18 撞击hits随时间变化图 图19撞击数hits对幅度的分布图
4 频率分析

图20 裂纹信号的波形图 图21 裂纹信号的频谱图
我们提取出参数特性为上升时间（rise time）为22 和峰值频率（peak frequency）为170kHz裂纹信号，我们取不同时间点的10个波形信号对其进行频谱分析，看信号是否具有一致性质。图20为其中一个裂纹信号的波形图，从波形上看这些裂纹信号是非常相似，为了更能说明问题从频谱上来分析。监控中采样频率为5MHz，图21对应其频谱图，频谱图上出现了四个峰值，其中（1）、（2）、（3）、（4）对应的频率分别为175.8kHz、449.2kHz、556.6kHz、644.5kHz。说明裂纹信号是一个宽频信号，从一致性上看这十个信号在这些频率点处都出现峰值，能量主要集中175.8kHz附近，频谱图非常接近，都出现了相同的主峰频率，所以认为这些信号是同一材料（裂纹扩展）发出来的。
5 结论
（1）通过对水平尾翼的运行过程和加载点分析，根据Kaiser效应，认为裂纹信号仅出现在加载时间段。
（2）上升时间（rise time）为22 和峰值频率（peak frequency）为170kHz信号含有大量裂纹信号信息。其撞击数hits对时间的趋势分布、出现的时间点、周期性、幅度分布和信号的频谱分析，均可说明具有此类特征的信号为裂纹信号。据此能找出裂纹的萌生时间和生长过程，证明同一种材料产生的裂纹信号经过单一路径传递，信号参数具有统计特性。
（3）在半轴的裂纹信号监控中，根据裂纹信号参数具有的统计特性，可以很容易地找出裂纹信号。根据图8、图10所示，这些信号占总体数量将近50%，当然还有一些裂纹信号漏掉，但数量相对很少，对分析结果没有影响。
（4）由于窄带传感器的谐振频率主要在150kHz处，信号的一些信息无法反映出来，所以宽带传感器