聲發(fā)射技術(shù)在防彈用復合材料檢測上的應用

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1、聲發(fā)射技術(shù)在防彈用復合材料檢測上的應用2007年第2期紡織科技進展?11?李思輝，張慧萍，晏雄（東華大學紡織學院，上海200051）摘要:介紹了利用聲發(fā)射技術(shù)來檢測防彈用復合材料的方法,闡述了聲發(fā)射技術(shù)的原理、防彈復合材料防彈機理，并從小波分析、特征參數(shù)分析以及聲發(fā)射源的定位分析幾個方面進行了綜述，指出了聲發(fā)射技術(shù)檢測防彈用復合材料的優(yōu)勢以及聲發(fā)射技術(shù)對防彈復合材料檢測所應攻克的難點。關(guān)鍵詞:聲發(fā)射技術(shù);防彈用復合材料;檢測中圖分類號:TS10118文獻標識碼:A聲發(fā)射（AcousticEmission,簡稱AE）是指物體在受到形變或外界作用時，因迅速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應力波的物理現(xiàn)

2、象［1］。如木材折斷、都伴有聲發(fā)射產(chǎn)生。但AE,接聽不見,。、態(tài)檢測，況，而AE技術(shù)是根據(jù)材料內(nèi)部發(fā)出的應力波來判斷內(nèi)部損傷程度的一種新型動態(tài)無損檢測方法，它可以在復合材料處于運動變化的過程中對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷或潛在缺陷進行檢測。利用復合材料受負載時所輻射的AE信號的能量、振幅、波長和頻度（單位時間內(nèi)發(fā)生AE的次數(shù)｝等,可以研宄它的破壞過程和機理，判斷復合材料抗斷裂性能，使得AE技術(shù)成為研究斷裂力學的一種重要手段。文章編號:1673(2007)02-0011-0222防彈用纖維增強復合材料是以纖維為增強材料的樹脂基復合材料，所用纖維常為玻璃纖維、尼龍纖維、陶瓷纖維、碳纖維、石墨纖維、芳綸

3、纖維和高強高模聚乙烯纖維等,其中芳綸纖維和高強高模聚乙烯纖維由于其卓越的性能現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應用。防彈復合材料由于具有優(yōu)良的物理機械性能，其比強度、比模量比金屬材料要高，其抗聲震疲勞性、減震性也是金屬材料所不能比擬的，最重要的是其具有非常好的動能吸收性能,并且沒有“二次殺傷效應”，因而具有良好的防彈性能。用合適的基體材料制備的復合材料撓曲性能好，在制備防彈背心和頭盔時表現(xiàn)出良好的工藝制作性，使裝甲具有更大的防護范圍，并且質(zhì)量也大大減輕，使單兵具有更高的機動性和靈活性［4,11】。212防彈非織造復合材料1聲發(fā)射技術(shù)檢測的原理［2］聲發(fā)射檢測系統(tǒng)主要由AE傳感器、信號處理器及參數(shù)顯示裝置等組

4、成。其檢測過程可以歸結(jié)為:從AE源發(fā)出的信號經(jīng)介質(zhì)傳播后到達傳感器—傳感器接收到聲發(fā)射信號后輸岀電信號一然后再對這些電信號進行分析、處理一最后再顯示出AE信號。根據(jù)接收到的AE信號就可以對AE源做出正確的解［3］釋，見圖1。在檢測中，傳感器和前置放大器具有特殊而重要早期的防彈衣的夾層材料是鋼板，使得防彈衣顯得非常笨重，后來發(fā)展到陶瓷板,雖然陶瓷相對于鋼板比重小了一些，但仍然使單兵的靈活性和機動性人打折扣?，F(xiàn)在，非織造復合材料夾層己經(jīng)逐漸在防彈衣中應用，典型的SpectraShield是以高強纖維Spectra作為原料，與熱塑性樹脂加工而成的非織造復合材料，與其他防彈材料相b^Spectr

5、aShield很薄，具有良好的抗沖擊性能。當高速運行的子彈沖擊時，纖維會產(chǎn)生很大的變形,復合結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀溝槽可以使子彈更深地嵌入纖維中，在瞬間消除子彈的動能，而子彈在機織物上會在彈道運動屮將纖維移開，對人體造成傷害。SpectraShield非織造布復合材料結(jié)構(gòu)堅韌，厚度小,抗沖擊性能好，單兵作戰(zhàn)時能經(jīng)受住傾斜子彈和多彈的沖擊，可以將傷害減至最小或緩解子彈對人體的傷害［5］。的作用，因為它們的性能決定了整個AE檢測系統(tǒng)的信噪比、動態(tài)范圍及信號的可靠程度O3防彈復合材料的防彈機理［6?8］防彈復合材料層壓板在彈擊作用下的破壞是一個相當復雜圖1復合材料聲發(fā)射測試系統(tǒng)原理框圖的過程，涉及靶片的壓

6、縮、纖維的剪切和拉伸斷裂、纖維的拉伸變形、彈丸的變形與鐓粗等，當子彈沖擊材料足壓板時，層壓板大致要經(jīng)歷以下幾個破壞階段。收稿F1期:2006212218;修回日期:2007201228作者簡介:李思輝(19812),男，山東萊西人，東華大學紡織學院研究生，主要從事紡織復合材料檢測技術(shù)研究。311拉伸破壞階段當子彈以幾百米每秒的速度沖擊材料層壓板時,層壓板中的纖維瞬間受到拉伸變形，子彈的部分動能轉(zhuǎn)化為纖維的斷裂?12?能，見圖22007年第2期紡織科技進展易于實現(xiàn)自適應濾波，去除干擾。對采集的信號進行噪聲剔除后，利用頻譜理論進行頻譜圖計算。系統(tǒng)中采用離散的快速傅里葉變換(FFT)計算聲發(fā)射

7、信號的頻譜。由于采集數(shù)據(jù)的有限性，在進行小波變換時，應對信號進行邊緣拓寬，系統(tǒng)中采用對稱周期延拓，頻譜表達了分析信號的頻率結(jié)構(gòu)，從中可找出由于工藝參數(shù)設(shè)定不當而造成的周期不勻，由頻譜可以準確描述聲發(fā)射的頻率特征，進而分析復合材料在外力作用下的微觀變化。圖2彈丸對足壓板的壓縮過程412特征參數(shù)分析方法[10]312剪切破壞階段記錄聲發(fā)射波形信號特征參數(shù)是近幾十年來聲發(fā)射儀器所一直采用的方法,,聲發(fā)射波形特，大,。、參數(shù)的分布分析和參數(shù)