声发射技术作为一种无损检测技术，在飞机结构强度试验中得到了广泛的关注和研究。本文介绍了声发射技术的基本原理，总结了声发射技术在飞机结构损伤检测研究中取得的成果及应用情况，最后展望了声发射技术在全尺寸飞机结构强度试验领域的发展方向。

飞机结构地面强度试验是飞机设计、生产、试验、试飞和使用的全寿命过程中的重要一环，是检验飞机结构设计和产品质量，发现薄弱部位、验证飞机结构疲劳性能、获得飞机结构的裂纹形成和裂纹扩展寿命的重要方法和手段；能够为飞机结构的检修周期、检修方法和寿命判定提供重要的依据；同时有助于飞机结构危险部位的设计方案改进。试验中的损伤检测是获得飞机结构损伤形成和扩展规律的重要手段，贯穿于试验的全过程，是试验成功的关键技术手段。试验过程中损伤的早期、及时发现对保证试验飞机的结构完整性、提高试验效率、降低试验风险，确定使用寿命和改进结构设计具有重要意义。同时，疲劳试验中的损伤信息和采用的检测方法对制定该机型外场使用维护手册具有参考意义。目前，飞机结构全尺寸疲劳试验中的损伤检测主要使用传统的无损检测方法（目视、超声、涡流、射线、渗透、磁粉等）和应变片进行结构局部的应变状态变化趋势监控。常规无损检测方法不能实时监测损伤的发展，往往需要停机检查，而且对于不可达部位实施无损检测困难；而局部的应变监控也只能监控变化趋势，且试验中应变片数量庞大，缺乏有效的应变和结构健康状态之间映射关系。从而造成损伤不能及时发现、损伤漏检、试验效率低、试验周期长等问题。声发射技术具有动态监控、实时性点，能够在飞机结构地面强度试验中获取裂纹萌生和扩展的信息，因此得到了研究领域的广泛关注，逐渐成为提高飞机结构地面强度试验技术的研究热点。

本文介绍了声发射检测原理，总结了声发射技术在飞机结构损伤检测研究中所取得的成果及应用情况，探讨了声发射技术在飞机结构地面强度试验中应用所面临挑战和发展趋势。

声发射技术

01.声发射技术基本原理

声发射技术的基本原理如图1所示，具体是将高灵敏度的压电传感器安装于受力构件表面，形成一定数目的传感器阵列，材料/结构由于外部条件条件(如力、热、电、磁等)的作用使物体发声，通过实时对采集的发声信号的特征识别和分析，对材料/构内部损伤作出及时判别。由于材料内部发生变化，引起内应力的突然重新分布，使得机械能转化为声能，即产生了声发射信号。因此，基于声发射信号的检测方法可视为一种动态的监测技术，可实时发现由于外界加载条件或环境变化导致的结构内部缺陷或潜在损伤。

02.声发射信号参数

目前，常用的声发射信号特征参数主要包含平均信号幅值、有效电压、振铃计数等。对于突发型声发射信号，往往还包含上升时间、持续时间、时差等。图2 为标准声发射信号参数定义。一个标准声发射信号的特征计算往往需要借助于门槛电压的设置，不同特征的定义及用途如表1。

表1 常见声发射参数内涵

03.声发射信号处理与分析方法

飞机结构强度试验中应用声发射监测技术最主要目的是根据声发射信号对试验过程中结构损伤的发生进行早期预警定位、对损伤扩展情况进行有效监控，建立具体材料结构、具体损伤的声发射信号数据分析与处理方法是试验中实施声发射技术的关键。目前，广泛采用的声发射信号处理与分析方法有参数分析和波形分析两大类。

声发射参数分析方法是基于信号的时域特征来直接提取损伤信息,主要有：单参数分析法、信号参数列表显示法、参数相关图分析法等。由于声发射检测系统采集得到的时域信号参数均为有量纲型参数（如幅值参数等），这类参数通常与结构设备的运行工况以及环境因素相关，使得其对结构内部特征变化不够敏感。因此，需要通过无量纲化技术，减少外部因素对声发射参数损伤敏感度的影响。常用的无量纲参数主要有波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、峭度指标、Kurtosis指标、b值指标等。这几种指标在评价不同类型的信号时有着不一样的敏感度，必须结合实际信号、应用对象和现场情况选用适用的评价指标。声发射波形分析技术，不仅利用了声发射信号的时域特征参数，同时引入了声发射信号的频域特征参数和波传播特征参数，多参数融合分析提高了缺陷损伤检测的可靠性。对于频域特征信号的分析，通常采用傅里叶变换的方法，即，检测信号的频域特征发生变化，说明检测区域的结构出现了异常，但这种频域分析方法无法定位异常的具体位置。因此，结合频域信息与时域信息，采用小波变换等时频域分析方法，可以得出声发射信号频谱的异常及其时域位置信息。结合波传播特征参数（如：波速等），即可识别出一维情况下声发射源（即，结构异常处）的位置，通过声发射传感器阵列，最终确定结构内部缺陷损伤位置。

另外，除常用经典的声发射信号参数和定位分析之外,国外开展了基于波形分析基础之上的模态分析、小波分析、人工神经网络模式识别等研究；同时，声发射信号参数也采用了模式识别、灰色关联分析、模糊分析等先进信号分析技术。

声发射技术实施的关键是获取飞机结构中由裂纹萌生和扩展产生的声发射信号，核心器件是高灵敏度的压电传感器。利用压电材料的压电效应，传感器接收到特定频段的声信号，并经系统处理后以电信号形式存储记录，通过分析这些信号的特征及其变化情况来判断结构是否存在损伤、损伤是否扩展的一种无损检测新技术。它可以不对结构/材料表面施加任何激励，而是被动的获取结构/材料内部发射出来的声发射信号；它是一种被动检测方式，可以对飞机内部结构进行实施检测。其主要特点在于能对结构断裂行为进行实时的动态分析，以及动态检测/监测和评价结构完整性。从无损检测的角度来看，声发射技术有助于解决以下四个方面的问题:①何时出现损伤；②是什么性质的损伤；③在什么地方出现损伤；④损伤的严重程度如何。因此，声发射技术能解决传统无损检测手段不足，可为保障飞机结构地面强度试验顺利进行、监控损伤萌生和扩展，丰富试验检测手段。

随着信号处理技术，传感器技术的不断发展，声发射检测仪器也逐渐成熟，并走向商品化、系列化，从而推动了声发射技术从实验室的基础研究向工程大型结构件的无损检测应用发展，具有代表性有美国PAC公司、德国VALLEN Systeme公司、日本日铁株式会社、俄罗斯新西伯利亚恰普雷金国家航空研究院和中国声华公司相继研发的声发射仪器。目前，声发射仪器的可靠性大大提高、体积小、重量轻，全数字式声发射检测系统可实现对信号的多种分析和处理，面向不同应用对象的信号处理软件不断研发并得到应用。

欧美等发达国家将声发射技术作为飞机全机地面静力/疲劳试验和飞机研制、生产过程中的重要检测手段，并开展研究多年，在试验中取得了满意的应用效果，如美国应用声发射技术对C-2运输机、C-130运输机、B－1轰炸机、F111、F-15飞机的疲劳裂纹进行了监测，瑞典SAAB对JAS-39整机静力/疲劳试验进行监测。据统计，美国的P－3、A4、F－111、F－14、F－15、F－16、CH47、RAH66 、SH60、B707、B737、B747、B777；英国的VC－10；空客的A340以及MD飞机等都已将声发射技术作为重要的监测手段。

俄罗斯在飞机结构地面中的损伤检测方面较早开展了理论和应用研究，进行了大量的试验研究和理论分析，已形成了一批具有工程应用价值的硬件和软件系统以及实施方法。其中，俄罗斯新西伯利亚恰普雷金国家航空研究院采用声发射进行飞机结构试验中的损伤监测，其损伤监测覆盖达85%以上。

我国从20世纪90年代也开始声发射技术的研究，在飞机结构试验中应用声发射技术，取得了一定的成果，代表性的有北京航空工程技术研究中心和中国飞机强度研究所。其中，北京航空工程技术研究中心在二代机和三代机全机结构疲劳强度地面试验中采用声发射技术，发现了主梁螺孔疲劳裂纹、中央翼右侧墙螺栓孔裂纹、平尾大轴的腐蚀、平尾边肋裂纹等重要损伤。中国飞机强度研究所针对飞机典型复合材料结构、金属结构开展了大量的声发射技术研究，并逐步在飞机结构地面强度试验中进行应用，成功地监测了铝合金整体结构疲劳试验中裂纹、某型全机静力试验中的的裂纹和断钉等等重要损伤，如图4所示。

图4 整全机静力试验中的声发射应用研究

展   望

我国航空科学技术进入一个高速发展的时期，多种型号进入试验阶段，对试验的效率及试验精度提出了更多更高的要求。尤其在全尺寸飞机结构疲劳试验中，对损伤的声发射检测的及时性、可靠性提出了挑战。飞机结构地面试验领域的声发射技术应用研究比较多，取得了较多成果，逐渐成为飞机结构地面试验中重要的无损检测手段之一。但是，声发射技术在飞机结构地面强度试验中尚未完全发挥出声发射监测技术的优势。面对飞机结构强度试验要求，还面临诸多难点需要解决：

1)噪声的干扰：声发射信号极易受到环境噪声的干扰，尤其是在全尺寸结构疲劳试验中试验环境复杂，试验过程中的大幅度机械噪声干扰，噪声源主要来自于飞机结构在疲劳载荷下的位移和磨擦，幅度大且频率分布广，使得微弱的疲劳裂纹萌生、扩展产生的声发射信号容易被淹没，严重的噪声干扰造成信号处理分析困难；

2)损伤识别可靠性较低：目前主要采用基于参数分析的方法和基于波形的模态分析方法，而声发射信号参数多，建立损伤与声发射特征参数困难；

3) 信息处理手段难以实施：声发射技术的测量结果通常是以统计的形式呈现，其可靠性和直观性较低，结合先进的信号处理与数据分析技术，采用模糊算法、灰色关联分析和其他智能算法，提高声发射技术的可靠性和直观性，是损伤检测向智能化方向发展的关键。

引用本文：

白生宝，肖迎春，杨宇，刘国强，黄博.飞机结构强度试验中的声发射应用进展[J].环境技术，2021，233(05):121-124+138.

专家简介：白生宝,男,高级工程师，硕士，主要从事飞机结构健康监测与管理技术研究。