摘要：
聲共振測試（ART）是一種相對較新的無損檢測技術(shù)，適用于多種類型的零部件：粉末冶金、燒結(jié)、鑄造、鍛造、陶瓷等。特別適用于企業(yè)批量生產(chǎn)中100%零部件下線檢測。ART無損檢測解決方案可實(shí)現(xiàn)快速、客觀、可重復(fù)和自動化的質(zhì)量檢測，主要應(yīng)用如產(chǎn)品內(nèi)部裂紋測試（圖1）。以下的章節(jié)解釋了該方法的前提條件，它的功能原理和它在硬件和軟件中的實(shí)現(xiàn)，以及對實(shí)際測試設(shè)置的重要影響因素。
圖1：通過聲共振分析進(jìn)行零部件無損探傷
1. 聲共振測試的歷史
聲共振測試（ART）可以說是世界上最古老的手工質(zhì)量測試方法之一，如陶器或玻璃生產(chǎn)，但對于工業(yè)產(chǎn)線檢測來說是一個相對較新的方法。對于自動化ART解決方案的工業(yè)應(yīng)用，20世紀(jì)90年代的屋頂瓦片測試可以被視為這種技術(shù)的開端（圖2）。
圖2：陶瓷瓦片上的裂縫
為了將自動化ART解決方案移植到金屬零件的測試上，有必要進(jìn)行大量的改進(jìn)和優(yōu)化工作。與粗糙的陶瓷瓦片相比，金屬零部件的缺陷檢測需要更高的檢測要求。
在幾種不同的ART測試技術(shù)中，最基本的檢測方法是只考察零部件的共振頻率，檢查某些共振頻率是否出現(xiàn)，或者是否在一個特定的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)。Simcenter Anovis提供這種簡單和經(jīng)濟(jì)的解決方案（Simcenter Anovis 共振峰自動識別）。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（"人工智能"或簡稱"AI"），目前在很多應(yīng)用中都很流行?；谌斯ぶ悄艿南到y(tǒng)需要預(yù)先自學(xué)習(xí)收集合格產(chǎn)品作為參考數(shù)據(jù)，并需要找到所有不同失效類型的不合格產(chǎn)品。因此，它不能處理生產(chǎn)批次之間的差異或生產(chǎn)批次內(nèi)共振頻率的漂移。上述20世紀(jì)90年代的屋頂瓦片測試系統(tǒng)就是如此。
基于統(tǒng)計學(xué)的ART系統(tǒng)（圖3），與合格產(chǎn)品的離散一致性相對比，如果共振頻率、振幅或阻尼結(jié)果存在統(tǒng)計性的差異，往往對應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)了問題。這種系統(tǒng)可以處理不同生產(chǎn)批次之間的差異，以及一個生產(chǎn)批次內(nèi)的漂移。基于統(tǒng)計學(xué)的ART系統(tǒng)提供了對微小缺陷和未知缺陷進(jìn)行識別的可能性。
本文將集中介紹這種基于統(tǒng)計學(xué)的ART系統(tǒng)的特點(diǎn)，Simcenter Anovis無損檢測（NDT）系統(tǒng)。
圖3：Simcenter Anovis無損檢測（NDT）系統(tǒng)
2. 基本原理
ART技術(shù)是一種針對量產(chǎn)零部件,評價零部件本身固有頻率的對比性檢測技術(shù)。零件的共振頻率由質(zhì)量、密度、幾何形狀、彈性模量和剛度等內(nèi)部特征決定。因此，該方法的結(jié)果與反映被測試零件的力學(xué)穩(wěn)定性或耐久性特性直接相關(guān)。
ART技術(shù)在實(shí)踐中是如何工作的呢？一般來說，有三個步驟。
激發(fā)每個單一零件的共振頻率。 用合適的傳感器記錄聲音或振動信號。 最后需要對信號進(jìn)行處理，評估零部件質(zhì)量。
當(dāng)然，在測試中激勵不能導(dǎo)致被測物體二次損傷。激勵必須有足夠的能量，盡可能短的脈沖，以便激起零部件非線性特征（例如由裂縫引起的）。這可以通過用電磁驅(qū)動的沖擊裝置（電子力錘）撞擊零件，或使用滑落裝置來實(shí)現(xiàn)，即讓零件滑落到撞擊板上。
3. 一般要求
選擇合適的無損檢測（NDT）方法（或不同NDT方法的組合），能夠發(fā)現(xiàn)所有質(zhì)量相關(guān)的問題，必須根據(jù)特定的零件生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整。以下問題是首先要考慮的：
哪些類型的缺陷需要被檢測？ 最小的缺陷尺寸是多少？ 該零件是由什么材料制成的？ 幾何形狀，缺陷位置？ 制造過程中允許的檢測周期是多少？
這些問題有助于幫助我們設(shè)計試驗(yàn)方案，哪種NDT方法符合所有這些要求。
聲共振檢測作為一種合格品與不良品比較的無損檢測方法，需要進(jìn)行初步的試驗(yàn)，以便對類似上述問題給出可靠的答案。比如最小可檢測的缺陷尺寸在很大程度上取決于合格品之間的公差范圍。ART將具有明顯不同于合格品的頻率特征的產(chǎn)品篩選出來。但在項(xiàng)目開始時，合格品的公差范圍大小程度還不清楚。
首先要考慮的問題之一是用來激發(fā)樣件的設(shè)備類型。電子力錘或滑落裝置（圖4）。
圖4：激勵裝置，電子力錘（左）和滑落裝置（右）
電子力錘裝置用電磁力驅(qū)動錘頭敲擊被測產(chǎn)品。而滑落裝置，將被測件短時間內(nèi)自由落體跌落到硬金屬制成的撞擊板上，達(dá)到敲擊效果。
3.1 電子力錘
電磁力驅(qū)動錘頭敲擊零部件。
被測產(chǎn)品支撐裝置是保證結(jié)果良好可重復(fù)性的關(guān)鍵部件。它提供了樣件的可重復(fù)定位，同時，避免了對樣件的夾持。夾持會導(dǎo)致被測物的振動衰減，同時夾持機(jī)構(gòu)的共振頻率也會影響產(chǎn)品本身的頻響函數(shù)。另一種方式，如果直接敲擊均勻移動在傳送帶上的樣件，也會導(dǎo)致獲得的頻譜的質(zhì)量和再現(xiàn)性大大降低。因此，以這種形式設(shè)計的測試方案，只能識別一些產(chǎn)品嚴(yán)重的缺陷，比如完全或幾乎完全開裂的產(chǎn)品，不能識別產(chǎn)品內(nèi)部微小的裂紋。
另外，還需要選擇合適的激發(fā)點(diǎn)和激發(fā)強(qiáng)度。為了減少振動激勵的時間，力錘可以通過改變加速電壓，被加速到相當(dāng)高的速度。力錘本身的質(zhì)量相對于被測樣件很小，其動能E = 0.5mv^2必須保持在能夠?qū)⒈粶y樣件損壞的程度之內(nèi)。在保證樣件不被二次損傷的同時，沖擊能量越高，就能測量足夠高的頻率振幅，以便進(jìn)行穩(wěn)定的自動評估，從而檢測出微小的質(zhì)量相關(guān)問題。撞擊樣件后，力錘（圖5）在測量時間內(nèi)，即撞擊樣件后立即不能發(fā)出任何聲音。此外，它的錘頭需要立即和穩(wěn)定地與樣件的表面分離，避免連擊。
圖5：用于測試樣件皮帶輪的沖擊裝置，力錘（中間頂部）。麥克風(fēng)（右上角）記錄聲學(xué)響應(yīng)，以確定是否存在缺陷。彈性支撐（底部，綠色）避免零件回彈。
圖中被測樣件上料到彈性支撐元件上，微調(diào)樣件與力錘的相對位置和加速電壓，力錘快速敲擊樣件，麥克風(fēng)記錄沖擊響應(yīng)信號，實(shí)現(xiàn)測試。同時，樣件在被擊中后不能回彈，這可以通過適當(dāng)?shù)臉蛹渭捌鋸椥郧都脑O(shè)計來實(shí)現(xiàn)。
3.2 滑落裝置
滑動裝置將被測件短時間內(nèi)自由落體跌落到硬金屬制成的撞擊板上，達(dá)到敲擊效果。所產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)同樣用一個麥克風(fēng)來測量。
樣件在開始時的方向，軌道和撞擊板的傾斜角度，以及軌道和撞擊板之間的距離，都需要根據(jù)被測樣件的幾何形狀來確定。這里的設(shè)計原則是，樣件在自由落體過程中或撞到撞擊板后不能翻滾。這種滑落裝置可以實(shí)現(xiàn)極短的測試節(jié)拍，不到兩秒。
激勵強(qiáng)度可以在一定程度上通過改變落下的高度來調(diào)整。但不可能自由選擇激勵點(diǎn)，因?yàn)樗饕Q于零件在滑塊釋放銷上的方向，它與導(dǎo)軌的相互作用，以及零件的自由下落與它的重心有關(guān)。良好的滑軌設(shè)計（圖6）和對零件方向的適當(dāng)選擇對于實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的良好可重復(fù)性是必不可少的。
圖6：用于測試變速箱換擋環(huán)的滑落裝置。
樣件二次損壞的風(fēng)險在很大程度上取決于單個樣件的材料和幾何形狀，以及它撞擊撞擊板的點(diǎn)。一般情況下，通過滑落裝置來測試，非常適合于重量小于50克的零件。其中一個原因是，測試較重的零件會大大增加撞擊板的磨損。另一個原因是，樣件的最低落差高度主要由其直徑?jīng)Q定，因?yàn)闃蛹仨氃谧矒糇矒舭逯半x開軌道并自由下落。更大更重的樣件也需要更大的自由落體高度，而由此產(chǎn)生的沖擊能量可能太高，無法保證樣件不被損壞。
3.3 兩種方案的比較
在下文中，對以上兩種激勵測試方案，從振動隔離、各自的限制以及對測試節(jié)拍的影響方面進(jìn)行了比較。
力錘裝置的樣件支撐和滑落裝置的撞擊板這兩種裝置都需要與環(huán)境進(jìn)行振動隔離，以便最大程度的只記錄被測物體的振動響應(yīng)。這可以通過彈性元件、阻尼元件和系統(tǒng)的一些功能元件選擇適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量和材料來實(shí)現(xiàn)。
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