作者：唐颀等
摘　要: 空间碎片撞击航天器的威胁对发展在轨感知系统提出需求,为研制基于声发射技术的感知系统,有必要研究超高速撞击产生的声发射信号波形特征。进行了铝弹丸超高速撞击单层板的实验,利用超声传感器采集到声发射波形,并使用小波变换对波形进行频谱分析。结果表明:在1～4kmPs 的撞击速度范围内,超高速撞击在单层板内引起的声发射波主要是A0 模式、S0 模式及S2 模式的弹性板波;A0 模式波形随撞击速度增大而减弱,其余2种模式则随之增强;成坑撞击波形具有较强的A0 模式,击穿撞击波形具有较强的S0 模式和S2 模式。引入超高速撞击过程中的法向冲击作用和径向扩孔作用的概念,分析了上述规律。
关键词: 空间碎片; 超高速撞击; 声发射; 小波分析
0 　引言
由于人类航天事业的发展,在地球周围已经分布了大量的空间碎片,加上本来就自然存在的微流星体,给人类的航天活动带来了巨大的威胁 。如果这些以超高速运行的宏观粒子撞击在航天器的表面,就会对航天器造成严重甚至于毁灭性的破坏。在此背景下,提出了一种使用多传感器网络对航天器的表面进行监测和感知的方案,希望籍此系统,对航天器的表面遭受到空间碎片撞击的情况实现实时监控,所得到的数据将成为对损伤进行评估以及启动应急方案的重要信息。迄今为止,各国专家提出的方案涵盖了多种类型的传感器。其中,压电型的声发射传感器方案以其成熟的技术、较少的航天器资源占有率和丰富的撞击信息获取能力,受到广泛重视,国外多位学者对这种压电型声发射传感器实时监控的方案和技术进行了研究 。
利用声发射传感器对空间碎片的撞击进行监测和感知,其技术基础就是超高速撞击现象中的声发射原理。传统的声发射技术,主要是对一般力学环境下的材料失效、结构疲劳、裂纹萌生和扩展、机械加工等细观现象进行研究 。近年来,随着声发射技术应用范围的拓宽,声发射的定义也得到扩展,已广泛地将诸如撞击、湍流、泄漏、喷注等过程在结构中诱发的应力波归入声发射范畴中,并利用声发射技术进行研究。从广义上来看,对于由于空间碎片超高速撞击航天器表面所引起应力波释放的现象,也可以称为“声发射”。但是迄今为止,对这种超高速撞击声发射现象进行研究的报导还较少。Prosser W以超高速撞击为目标研究了冲击载荷引起的声发射波,并实际利用超高速撞击声发射实验进行测试,观察到声发射波频率峰值随撞击速度的转移现象 。Schafer F 在其论文中描述了利用声发射技术对空间碎片撞击进行监测的方案,并通过超高速撞击实验进行了定位技术应用的研究 。综上所述,超高速撞击中的应力波释放可以被认为是一种声发射现象,并可以使用声发射的概念和技术方法进行研究。然而,超高速撞击声发射现象毕竟不同于通常意义上的声发射,有着不同的特点,需要进行深入探讨。
超高速撞击声发射波包含了波动传播的丰富信息。本文利用二级轻气炮发射超高速弹丸撞击单层板防护结构,通过在特定位置安装的超声传感器采集声发射波形信号,并基于板波传播的理论,主要以小波变换为工具对波形进行频谱分析,以寻求超高速撞击声发射信号的特征及其与撞击工况和损伤模式的关系,为空间碎片超高速撞击航天器的定位和损伤模式定量评估奠定技术基础。
1 　实验方案
1. 1 　实验设备
高速撞击实验在哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心的二级轻气炮HGG- 2 上进行。实验采用的靶件为航天常用铝合金材料5A06 板材,尺寸为600X600mm ,厚度为5mm。实验所用到的弹丸为直径3. 97mm 的2017 铝球。利用二级轻气炮,将弹丸发射到6 个不同的速度,撞击到靶件的表面,产生的声发射信号被Panamatric2NDT 生产的V182 超声传感器所采集,并被数字示波器记录供后续分析。图1 是实验设备的照片,图1 (a) 是二级轻气炮,图1(b) 是已经安装在靶舱中的实验靶件。整个实验模拟了主要成分为铝合金的空间碎片粒子对航天器表面的超高速撞击。弹丸速度由磁感应测速系统得到,涵盖了1kmPs 到4kmPs 的范围。这个速度范围的撞击,将使靶板出现成坑、层裂和击穿等超高速撞击的典型损伤模式。

1. 2 　传感器的选择
实验中使用的V182 是用于超声厚度测量的压电探头,属宽带型位移敏感传感器。Prosser M 通过实验验证了它在20kHz – 1. 5MHz 的频率范围内有相当平坦的灵敏度响应,并进一步在实验中通过与位移线性的光学干涉仪所采集波形进行对比,验证了它具有对位移的线性响应[6 ] 。V182 并非专用的声发射传感器,同声发射传感器相比,具有更为平坦的频率响应,但敏感度较低。而且声发射传感器通常是速度敏感型,线性度也较差。V182 的上述特点使得它在实验中被选用,以得到高保真的波形。
1. 3 　传感器布局与边界的影响
实验过程中,靶板的尺寸取得尽量大,以保证传感器收集到的波形不受到边界反射的影响,而且为波形在传播的过程中发生充分的频散提供充足时间,有利于不同模式和频率波形的分析。靶板材料铝合金5A06 的基本物理和力学性能参数如表1 所示。

由板波理论[10 ] ,板中的弹性波绝大部分能量都集中在压缩波和弯曲波上,前者速度较快。由压缩波的平面应力近似理论,压缩波波速为

按照这个数据估算,板中的最快波速是5. 53kmPs。设定撞击点在靶板中心位置,波动由此处向外传播继而被边界反射回波源处需要传播600mm ,故安装在接近中心位置的传感器可以收集到100us 以上无边界影响的波形。然而考虑到传感器的安全,避免过强的信号甚至弹丸本身损坏传感器,同时考虑到航天器表面的实际特点(传感器所能采集到的一般是几十倍板厚以上距离之外的远场波形) ,传感器和波源保持了一定距离。实验中传感器的布局如图2 所示。

靶板中心设定为撞击位置,4 个传感器距离此处分别为150mm、200mm、300mm和370mm。波动由撞击点向外传播并被边界反射到距离波源150mm 处的传感器处的最近路径如图2 中虚线所示,总路程505. 2mm ,可采集到60us 以上的无边界影响波形。
2 　实验结果和分析
2. 1 　靶板的损伤
弹丸的弹速和靶板损伤的数据如表2 所示。其中,成坑的特征尺寸采用坑上缘的直径,穿孔的特征尺寸采用最小孔径。实验编号为N1、N2 的两发实验其速度较低,撞击导致靶板成坑,坑径随撞击速度增加而增加;实验编号N3～N6 ,其弹丸速度较高,靶板均被击穿,穿孔直径随速度增加而增加。
为了进一步了解波形的频率成分,对信号进行小波分析。首先根据波形到达时间确定出时间滞后,这将在其后用于标定小波谱时间轴。在本次实验中,由于波形具有丰富的高频分量,使得确定弯曲波的到达时间相当困难,故采用可以清晰辨认的压缩波到达时间。按照4 个传感器的波形到达时间和距离实际撞击点的位置,拟合出压缩波的位移- 时间线,这条线的斜率即相应的波速,时间轴截距即时
间延迟,如表3 所示。对实验得到的波形进行小波变换,同时使用表2 中的5A06 材料参数计算这种5mm厚铝板的群速度频散曲线,并将其按照测得的时间滞后和传感器距离撞击点位置叠加到小波谱伪色图形上,得到如图5 所示的小波频谱伪色图形。图3 是分别具有成坑与击穿两种典型损伤模式的靶板。
2. 2 　声发射波形及其小波频谱分析
实验得到6 组波形,其典型数据如图4 所示。为了与普通声发射信号对比,把铅芯折断的声发射标准校验源的波形也加入其中,如图4 (a) 。对比图4 (b) 和图4 (c) 可见,较高速度引起击穿的波形和较低速度引起成坑的波形除了幅值的差异外,还在频域上具有明显的区别:前者以单一的低频为主,只有弱幅值的高频分量出现;而后者的波形则包含有强的高频分量,使得整个波形的频率更加丰富。对比图4 (a) 、图4 (b) 和图4 (c) 还可以发现:超高速撞击波形最先到达的部分比铅芯折断的更明显,下文将看到,这是S0 模式板波的低频分量。

本文对6 次实验均进行了小波谱分析,图6 是2号传感器在2 个不同速度的撞击实验中采集到的典型波形。通过观察可见:
(1) 所有的小波谱中,群速度曲线都和高幅值部分吻合较好。群速度是波包在铝板中传播的速度,也是能流在其中传播的速度,而小波谱表示的是波形的能量在时频空间上的分布。故这种吻合表明了由于弹丸超高速撞击铝板所引起的声发射波属于弹性板波,板波的理论可以应用于此。
(2) 小波谱吻合的频散曲线基本是A0 阶、S0 阶及S2 阶板波。这说明超高速撞击激发出的声发射波主要是这几个模式。
(3) 波形的能量在A0 阶、S0 阶及S2 阶模式之间的分布有规律地变化,较高速度的撞击对应于较强的S0 阶和S2 阶模式。
2. 3 　撞击速度与波形频谱的关系
为了进一步分析波形分量随撞击速度变化的规律,表4 中列出了距离板中心分别为150mm 和200mm的1 号、2 号传感器采集到的信号的数据。
表中每组3 个数据分别对应频率(kHz) 、时间(us) 和小波谱幅值(此处为相对值不考虑量纲) 。从表4 中的数据可以发现:在实验的速度范围内,由于超高速撞击在单层板内引起的声发射波主要是140kHz 附近的S0 阶模态、70kHz 附近的A0 阶模态及670kHz
附近的S2 阶模态的弹性板波。为了进一步直观观察波形强度与速度的关系,将小波谱峰值和撞击速度之间的关系画成曲线,如图6 所示。

图6 中的纵坐标代表了4 个波形分量的相对强度。本实验中6 个工况中对应位置使用同一个传感器,耦合方式也尽量保持了一致;距离撞击点的位置如表5 所示,大致保持了一致。所以图中的6 条曲线代表了无边界反射影响的波形的3 个主要的频率分量的相对能量,但考虑到实验的误差和分散性因素曲线表达的只是定性趋势。

从图中可以观察到:两个通道的曲线变化规律基本一致,而距离较近的通道1 幅值较强,这与板波随距离衰减的规律吻合;总体上,随着撞击速度的增加,A0 模式在减弱,只在最后略有回升,而S0 模式在增强,其能量逐渐趋于A0 模式;1kmPs 的撞击波形中只有很少的S2 模式,但随着撞击速度的增加,S2 模式从最初的极弱逐渐增强,最终达到与另外两种低频模式能量相当的水平。
2. 4 　靶板损伤模式和波形频谱的关系
前文分析了撞击速度和波形特征的关系,然而航天器在轨感知系统的重要任务还在于由声发射波形识别撞击损伤特征。本节从这个角度考虑频率特征。图3 中所示的两种靶板的损伤分别是超高速撞击导致的两种典型损伤模式———成坑和击穿。对比图4 中它们的波形和图5 (a) 、(b) 中的小波频谱,可以发现:成坑撞击的波形接近一般铅芯折断源,以低频的反对称模式A0 为主;击穿撞击的波形头部出现强的S0 波形、随后又有强烈的S2 高频波形。这种规律预示着可以从超高速撞击的声发射波形判断损伤模式。
3 　波形频谱特征的解释
超高速撞击现象的详细机理非常复杂,目前多数研究也处于维象和定性阶段,下文通过分析超高速撞击过程解释前一节中得到的频谱特征。超高速撞击获得的波形都符合板波的传播模式特征,而且低频部分与普通的铅芯折断源的弹性冲击载荷激发的波形相似,由此可以假设:虽然难以直接测量,然而可以在波源处把撞击等效于一个法向冲击力的弹性加载。根据超高速撞击的过程分析[11 ] ,在撞击的损伤区域,弹丸和靶板的相互作用相当复杂,涉及多种波的相互作用。但对于传递到远处的弹性声发射波,其作用相当于一个法向冲击力载荷。法向冲击载荷是相对靶板中性面不对称的载荷,主要激励出了各阶反对称的板波模式,其中包含成坑撞击中的A0 模式。由此导致了成坑撞击的波形频谱特征。
根据超高速撞击的过程分析[11 ] ,击穿过程中有孔径扩大的阶段,孔壁由此受到径向扩张力的加载,这是一种相对靶板中性面对称的载荷,主要激励出各阶对称模式板波,其中包含击穿撞击中的S0 和S2 模式。由此导致了击穿撞击的波形频谱特征。
S0 模式波还随撞击速度而增强,A0 模式则相反。随着撞击速度的增加,弹丸穿透了靶板,并且开始把更多的动量以碎片云的形式保存下来而不是作用在铝板上,所以法向的冲击力减弱,A0 波模式随之减弱。而靶板被击穿的孔径则随着撞击速度增加而变大,扩孔作用增强,与之相对应的径向冲击力增大,S0 波能量随之增强。至于击穿撞击中出现高频S2 模式,是因为随着撞击速度的增大加载速率增加,从而能够激发出更高频率模式。
4 　结论
本文通过单层板的超高速撞击声发射实验及其小波频谱分析,得出以下的结论:
(1) 证实了靶板受超高速撞击产生的声发射波属于弹性板波,并且分析出波形主要是S0 阶、A0 阶及S2 阶模式,其强烈的S0 模式和高频的S2 阶分量的出现是超高速撞击声发射波形的特点。
(2) 观察到随撞击速度增加A0 阶低频模式减弱,而S0 、S2 阶高频模式增强。
(3) 利用超高速撞击过程中的法向冲击作用和扩孔作用的概念初步分析了波形频谱特征和声发射波形的关系。成坑撞击波形具有较强的A0 模式,击穿撞击波形具有较强的S0 模式和S2 模式。
超高速撞击定位的关键在于确定波形到达时间,而波形频率和板波模式的分析是确定波形滤波和阈值设定的主要依据。本文获得的关于峰值频率及其板波模式的结果,可为超高速撞击的声发射定位技术提供参考。本文得到的不同频率和模式波形随撞击速度变化的关系及波形频谱与损伤模式的关系,通过进一步的实验和理论分析以获取定量结果,可以成为由声发射信号识别撞击损伤模式的技术基础。