声学所发现振动-声调制检测中的临界低频激励幅度

质量控制与监测是保障工程结构（如建筑物、桥梁、高速列车、飞行器、大型游乐设施等）安全运行的必要手段。其中，各种裂纹类缺陷对结构健康产生的威胁最大，对此类缺陷的监测一直是人们重点关注的问题。

振动-声调制技术就是一种对裂纹类缺陷非常敏感的非线性声学检测方法。

中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室的研究人员最近发现，振动-声调制检测中的低频幅度与调制强度之间并非此前认为的正向线性相关关系，而是当低频幅度达到一个临界值后，调制强度不再增加。相关成果发表于国际学术期刊《结构健康监测》（Structural Health Monitoring）2018年第17卷第2期。

裂纹两侧界面一般呈（部分）接触状态，在外部作用下可发生相对运动。若将振动信号f1和超声信号f0同时施加在所测结构上，通过裂纹界面的超声信号的幅度或相位将随振动发生变化，即被调制产生f0±nf1成分（图1）。因此，通过监测调制的强度即可对结构内部质量进行评价，这就是振动-声调制技术。

在应用中，激励信号幅度和频率的选择是首先需要考虑的问题。已有研究认为，低频激励幅度越大，接收信号中的调制越强。

研究人员以含不同长度疲劳裂纹的铝杆为实验对象，测量不同低频激励幅度下接收信号中的调制强度，同时使用动态应变仪测量其裂纹区域的应变。

实验发现，裂纹区应变随低频幅度增大而增加，调制强度随应变增大也会增加，但是当应变到达一定值之后，调制强度基本不再变化，此时的应变被定义为临界应变εC（图2）。研究人员同时发现，不同长度裂纹在各自临界应变下的张开角度基本相等，由此认为，临界应变值即为裂纹完全张开时的应变值。上述现象表明，裂纹的张开-闭合程度是影响调制强度大小的直接因素。

该研究可为振动-声调制技术提供低频幅度选择的依据，也为裂纹开合模型提供了新的支持。下一步将着重于高频频率对调制强度的影响研究，完善本技术的参数选择规范。

图1 振动-声调制技术基本原理

图2 低频幅度对调制强度的影响(εc为临界低频幅度下对应的界面拉应变，MID为调制强度）