信號(hào)發(fā)生器和壓電激振器組成激振部分，作為激振器的壓電片也作為傳感器使用。信號(hào)發(fā)生器發(fā)出持續(xù)的方波信號(hào)，通過(guò)壓電激振器在復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，引起構(gòu)件內(nèi)部能量變化。壓電傳感器感受到復(fù)合材料構(gòu)件的振動(dòng)后輸出相應(yīng)的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、濾波后送入數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。
       試驗(yàn)機(jī)用來(lái)對(duì)裂紋試樣加壓，壓力信號(hào)由載荷傳感器拾取，再由數(shù)據(jù)采集儀的通道2采集轉(zhuǎn)換后送入電腦。試驗(yàn)機(jī)加壓的同時(shí)依然用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出持續(xù)的方波信號(hào)，通過(guò)壓電激振器在復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，其響應(yīng)由壓電傳感器測(cè)取后經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀的通道1送入電腦。
       裂紋試樣在加壓過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，隨著壓力的增大試樣內(nèi)部的裂紋損傷會(huì)進(jìn)一步加劇，直至試樣完全破壞。在這一過(guò)程中，壓力信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)能夠反映出試樣的動(dòng)態(tài)特性隨壓力的變化過(guò)程。將損傷試樣動(dòng)態(tài)特性的變化情況與健康試樣的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行比較，可判斷出試樣內(nèi)部是否出現(xiàn)裂紋損傷以及損傷的程度。
3 測(cè)試結(jié)果分析
       3.1 層合板的頻域分析
       在做頻域分析時(shí)，首先對(duì)每一個(gè)試樣做健康信號(hào)測(cè)試，將測(cè)得的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻域分析，得到相應(yīng)的幅值譜和相位譜。綜合各試樣的表現(xiàn)，得到材料在健康狀態(tài)下的幅頻特性和相頻特性。然后對(duì)損傷試樣也同樣進(jìn)行幅值譜和相位譜的分析。
       對(duì)比健康信號(hào)和損傷信號(hào)，可以得到損傷狀態(tài)下材料動(dòng)態(tài)特性的特征變化，從而制定出裂紋損傷的診斷策略。這些診斷策略可以用來(lái)對(duì)復(fù)合材料層合構(gòu)件中的裂紋損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷。
    圖3至圖8分別表示健康試件和裂紋試件的測(cè)試分析結(jié)果。




       觀察各裂紋試樣的頻域信號(hào)，可以看到總幅值有稍微下降，且幅值譜的低頻分量有向右移動(dòng)的趨勢(shì)，且有新增加的高頻分量。此外，幅頻圖上的毛刺明顯增加，幅頻曲線遠(yuǎn)不如健康信號(hào)干凈。從相位圖上看，基頻分量附近的相頻曲線顯著向負(fù)方向移動(dòng)。
       分析出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因，由于試樣在外載荷作用下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生明顯的裂紋，裂紋擴(kuò)展要消耗一部分外界的能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)變能。對(duì)于聚合物而言，材料屈服后如果繼續(xù)受到外界載荷的作用，材料會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。此時(shí)若要繼續(xù)變形，就要施加更大的力且材料會(huì)表現(xiàn)出更大的剛度和強(qiáng)度[10,11]。因此，由于剛度增大的緣故，試樣總的響應(yīng)會(huì)有所下降，基礎(chǔ)頻率也會(huì)向高端移動(dòng)。此外，由于裂紋的存在，材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)塑性變形，試樣的動(dòng)態(tài)特性會(huì)因此而趨于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，反映在頻譜圖上就是通頻帶毛刺的出現(xiàn)。最后，這種不穩(wěn)定性也是高頻分量出現(xiàn)的原因之一。
       但是，外界環(huán)境的變化和測(cè)試設(shè)備的擾動(dòng)也會(huì)給信號(hào)帶來(lái)毛刺，而且有時(shí)系統(tǒng)的擾動(dòng)還會(huì)帶來(lái)高頻分量，所以毛刺的出現(xiàn)和輕微的高頻分量不應(yīng)該作為損傷診斷的主要判據(jù)。同時(shí)，如果高頻分量的頻帶過(guò)高，分析時(shí)也有一定的困難，所以診斷規(guī)則中一般不包括甚高頻分量。
3.2 層合板的小波分析
       為驗(yàn)證頻域分析的結(jié)果，在進(jìn)行頻譜分析的同時(shí)，對(duì)層合板也進(jìn)行小波分析。圖9所示為小波分析的結(jié)果。

   分析及統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，試樣發(fā)生裂紋損傷時(shí)，中頻段信號(hào)（S132，S133，S134）幅度明顯變小，高頻段信號(hào)（S135，S136，S137）變得密集，而且增加了一些新的成分。因此，小波分析的結(jié)果同頻域分析相吻合。
4 結(jié)語(yǔ)
       綜合以上頻域分析和小波分析的結(jié)果，可以得到復(fù)合材料層合板裂紋損傷的診斷策略。
       裂紋損傷的診斷應(yīng)從幅值入手，當(dāng)系統(tǒng)的振幅呈規(guī)則下降且基頻有上升趨勢(shì)時(shí)，可以初步判斷有微裂紋形成。再依次檢查相位是否有負(fù)方向的移動(dòng)，有無(wú)新的高頻分量出現(xiàn)及幅頻曲線是否出現(xiàn)有毛刺等因素，用以增加裂紋損傷的置信度。必要時(shí)可以同時(shí)利用頻域分析的結(jié)果和小波分析的結(jié)果，用來(lái)準(zhǔn)確確定有無(wú)裂紋損傷以及損傷的置信度。
        隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋的尺寸將加大，此時(shí)材料的應(yīng)變硬化將不再起主要作用，材料會(huì)出現(xiàn)明顯的剛度損失。所以，裂紋擴(kuò)展到一定程度后，系統(tǒng)的幅值會(huì)逐漸增大，同時(shí)基頻也會(huì)向低方向移動(dòng)。裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，系統(tǒng)的響應(yīng)會(huì)進(jìn)一步增大。如果系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)均出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，說(shuō)明裂紋已擴(kuò)展到相當(dāng)?shù)某潭?，此時(shí)可以判定材料已經(jīng)失效。