[发明专利]声结构的完整性监控系统和方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于基于来自结构中的结构性缺陷或结构上的冲击（impact）的声发射而监控该缺陷或冲击的系统和方法。

背景技术

在结构中的应力腐蚀和疲劳导致了裂纹的增长。这是由于当在裂纹尖端的短距离内存在压力集中时，金属缓慢地变得易碎。然后在一系列不连续的微裂缝活动中裂纹延展至区域边界，其中微裂缝以沿晶方式或穿晶方式发生。在区域边界上较坚韧的未损坏材料阻止了裂纹的延展。然后破裂的循环被重复，重新起始于裂纹尖端或裂纹尖端附近的压力集中。

在正常运转条件下，结构中如裂纹的损坏随时间缓慢发展。然而，如果结构在正常范围以外运转，大量损坏会在短时间内发生。此外，由压力对结构导致的损坏不仅限于裂纹，还包括侵蚀、凹陷和磨损。因此，定期地监控结构是很必要的，以便检测损坏并对其进行修复或在损坏没有延展前预防进一步损坏。

众所周知，破裂和龟裂会在飞行器、压力容器、石油钻台以及如桥梁的大型结构中引起特定的问题。随着破裂的发生，裂缝在结构中的破裂发生处产生作为宽带超声波发射的被称为声发射的声能量爆炸。该声发射的波形的属性（如频率、振幅、上沿时间等，伴随着声能量爆炸从各不同位置被接收的准确时间）取决于裂缝的大小、裂缝的位置以及传播通过结构的速度。因此裂缝可通过可使用如声发射传感器的声传感器检测到的声发射信号来被识别。

在美国专利申请US2003/0140701中，公开了一种通过在一个周期内连续地接收来自由结构装有的多个声传感器的代表声能量爆炸的脉冲的电子信号来检测和监控结构中的损坏的方法，其公开内容以引用方式结合于此。声能量爆炸代表来自损坏的部位（site）的发射。该爆炸被处理以得到平滑的包络波形。波的形状信息和时间信息被确定并针对每个爆炸而被存储。如果爆炸在三个或更多的传感器处被检测到，则爆炸到达每个传感器的时间差被确定为Δt值。然后该Δt值用于累计爆炸来确定爆炸的临界值是否溢出。如果是，该爆炸数据被存储以与非声学参数一起代表结构损坏。

本系统的局限性为，当由声发射技术监控结构的健全及结构性的损坏时，由于假定为结构中声的速度在所有方向上是一致的并且通过结构的是单一的声传播模式，在使用系统对数据分析时会发生误差。然而，声音的速度因其传播通过的材料的厚度和类型而不同。声波的传播速度会因此随着通过不均一（inhomogeneous）型的结构传播而变化。

以引用方式将其公开内容被结合于此的我们的在先申请（WO2008107668），通过在声事件数据的处理路径中引进结构中声路径的影响的模型来处理该问题。该模型是通过在位于结构中许多位置处引起多个类型的声发射以及通过使用安放在结构上的多个声发射传感器来检测声发射而建立的。该模型考虑到不均一的结构，以及结构中声传播方式的不同，从而可以减少损坏部位的位置的误差。

参照图1，其示出了用于通过检测来自损坏的部位的声发射而在典型的飞行器结构上定位损坏部位的配置的原理图。飞行器机翼具有上梁翼盖101、下梁翼盖102、前梁103以及横截面加固件104。前梁103具有在间隔中垂直放置的加固件107。燃料孔105位于前梁103的内部并且声发射传感器106在几个位置处声耦合于前梁103。

机翼100的图示部分是飞行器机身和第一发动机之间的飞行器机翼的部分。垂直支柱103支撑上梁翼盖101及下梁翼盖102并且横截面加固件104增加了机翼结构的刚度（stiffness）并为前梁103提供了额外的强度。声发射传感器106检测源于前梁103的损坏源的声发射。声发射传感器是具有经调查的结构的共振频率范围内的共振频率的压电换能器。在铝结构中，具有200-300kHz左右的共振频率的换能器是合适的。传感器106以电缆结（cabletie）和自附基底的方法附加至前梁103的结构。此外，密封剂被用作传感器基底和结构的连接混合物以提供低衰减声耦合。

到达时间的不同Δt特征，例如从在传感器106处的前梁103结构上的损坏源发出的声发射信号的前沿或来自每个传感器的峰值信号的时间，被分析软件中的三角测量方法用来定位声发射源从而定位损坏。虽然现代飞行器结构的表面倾向于基本均匀，但是由结构内部的部件（例如垂直支柱103、横截面加固肋104以及燃料孔105）导致了结构中的不连续性。早年的飞行器也具有表面不连续性，是因为其结构主要由铆接的和螺栓挤压的或加工过的铝制型材或板材组成的。