李秋鋒，陳振華，盧 超，宋 凱，龍盛蓉，張士晶

（南昌航空大學(xué) 測(cè)試與光電工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

1 無(wú)損檢測(cè)卓越工程師班及“聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)”課程

我校（原南昌航空工業(yè)學(xué)院）于1952 年創(chuàng)辦，1999年開(kāi)始實(shí)行中央和地方共建、地方政府管理為主的管理體制，在此之前先后隸屬航空工業(yè)部、航空航天工業(yè)部和中國(guó)航空工業(yè)總公司，是原航空航天部所屬的六所高校之一[1]。目前，仍與中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司和中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司有著緊密的合作關(guān)系，是一所具有突出航空特色的高校。

我校的測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)前身是無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)業(yè)，1982 年創(chuàng)辦至今已近40 年，是我國(guó)全面、系統(tǒng)培養(yǎng)無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的本科專(zhuān)業(yè)，為國(guó)家輸送了約4000 名專(zhuān)科與本科無(wú)損檢測(cè)人才。1998 年，學(xué)校將無(wú)損檢測(cè)和電子儀器及測(cè)量技術(shù)兩個(gè)品牌專(zhuān)業(yè)，合并為測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)。我們堅(jiān)持無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)業(yè)特色和培養(yǎng)目標(biāo)，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域具有較高的社會(huì)聲譽(yù)。目前該專(zhuān)業(yè)獲批國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)、教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃專(zhuān)業(yè)和江西省卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃專(zhuān)業(yè)[2-3]。

根據(jù)卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃要求，我校測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)從2012 級(jí)開(kāi)始設(shè)立卓越工程師班。該班由每年從大學(xué)二年級(jí)學(xué)生中挑選出的志向明確、刻苦耐勞、品學(xué)兼優(yōu)的學(xué)生組成，并實(shí)行動(dòng)態(tài)淘汰機(jī)制，以保證卓越無(wú)損檢測(cè)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。目前已輸送了5 批近100 名基礎(chǔ)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)、工程實(shí)踐能力過(guò)硬的無(wú)損檢測(cè)卓越工程師[4]。

黨的十八大以來(lái)，為了更好地服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展需求、構(gòu)筑國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、落實(shí)立德樹(shù)人要求，教育部于2017 年提出了“新工科”（emerging，engineering，education，3E）建設(shè)目標(biāo)，明確了“以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，旨在培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才”的高等工程教育宗旨，先后在重點(diǎn)高校試點(diǎn)組織實(shí)施“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”及“北京指南”，為我國(guó)工程教育發(fā)展提供了新思維、新方式[5-7]。

“聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)”是我校測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程，是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的主干課程，主要培養(yǎng)學(xué)生聲學(xué)檢測(cè)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)、綜合分析能力、應(yīng)用能力，以及解決實(shí)際工程檢測(cè)問(wèn)題的能力。本文主要介紹卓越工程師班“聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)”課程中“聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)”的超聲Lamb 波部分的教學(xué)改革情況。具體包括：在講授經(jīng)典理論基礎(chǔ)上，將科研項(xiàng)目中航空領(lǐng)域復(fù)合板材的檢測(cè)需求與教學(xué)相結(jié)合，形成航空復(fù)合板材超聲Lamb波損傷檢測(cè)的創(chuàng)新教學(xué)案例；根據(jù)超聲Lamb 波理論知識(shí)，利用虛擬仿真技術(shù)，分析復(fù)合板材中聲波的傳播過(guò)程與規(guī)律，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)照；總結(jié)超聲Lamb 波在航空復(fù)合板材中的傳播特性，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別與定位提供依據(jù)。

新的教學(xué)內(nèi)容將理論知識(shí)工程化、可視化、系統(tǒng)化，符合突出航空特色培養(yǎng)要求，能夠鍛煉學(xué)生的科研分析能力，提高其工程實(shí)踐能力，達(dá)到“新工科”培養(yǎng)目標(biāo)[8]。

2 教學(xué)內(nèi)容來(lái)源

隨著材料工藝的成熟及產(chǎn)品質(zhì)量的提高，航空復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的使用比例大幅提升，國(guó)外先進(jìn)直升機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)總機(jī)重量的45%以上；第四代戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的25%~30%；空客A380 碳纖維復(fù)合材料用量達(dá)25%；波音787“夢(mèng)想”飛機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%。有些復(fù)合材料甚至已經(jīng)代替金屬成為某些核心部件的主要結(jié)構(gòu)材料，從而使航空技術(shù)發(fā)展有了質(zhì)的飛躍。目前，飛機(jī)上復(fù)合材料的整機(jī)比重已被國(guó)內(nèi)外同行作為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要依據(jù)[9-10]。其中，碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）憑借重量輕、強(qiáng)度高、隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，被用于雷達(dá)罩、客機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、垂尾和方向舵等重要部位[11]。但CFRP 對(duì)飛鳥(niǎo)撞擊、跑道石塊撞擊、工具脫落等沖擊損傷較為敏感，如果出現(xiàn)材料損傷，并當(dāng)缺陷尺寸達(dá)到某一量值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行損傷檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)價(jià)以確保其完整性，是制造及服務(wù)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容[12-13]。在航空科學(xué)基金資助下，我們開(kāi)展了CFRP 復(fù)合板材超聲檢測(cè)方法研究工作，并將該科研項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容引入卓越工程師班教學(xué)，旨在通過(guò)實(shí)際科研項(xiàng)目讓學(xué)生體會(huì)應(yīng)用理論知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的整個(gè)過(guò)程，這樣不僅可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，而且可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)由于項(xiàng)目來(lái)源于航空領(lǐng)域，從而符合突出航空特色的培養(yǎng)要求。

3 教學(xué)環(huán)節(jié)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 理論分析

超聲Lamb 波是一種由橫波和縱波在傳播過(guò)程中經(jīng)由板的上下界面反射耦合而成的一種應(yīng)力波，這部分內(nèi)容是“聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)”課程學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)。在板材中Lamb 波傳播方式可分為對(duì)稱(chēng)模態(tài)（S 型）和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)（A 型）兩種，且不同模式的Lamb 波還存在多種介次，每種介次的Lamb 波都有相應(yīng)的截止頻率。Lamb 波在均勻介質(zhì)板材中傳播的特征方程可以用式（1）和（2）表示[18]：

式中，k為L(zhǎng)amb 波沿水平方向傳播的波數(shù)；d為板的1/2 厚度；q和s分別按照式（3）和（4）求得：

式中，kL和kT分別是板材中的縱波和橫波波數(shù)。

通過(guò)式（1）和（2）可知，Lamb 波具有多模式特征，各模式Lamb 波的聲速與頻率、板厚、縱波聲速、橫波聲速都有關(guān)。在均勻介質(zhì)中，由于縱波和橫波聲速都是固定值，Lamb 波聲速只與頻率和板厚有關(guān)。當(dāng)板厚確定時(shí)，Lamb 波聲速會(huì)隨著頻率的變化而變化，這就是頻散。由于Lamb 波聲速求解計(jì)算困難，通常用頻散曲線(xiàn)確定。

CFRP 復(fù)合材料是一種典型的各向異性材料，不同的加工工藝會(huì)使縱波和橫波聲速發(fā)生變化，因此通常需要實(shí)際測(cè)量縱波和橫波平均聲速后，計(jì)算和繪制頻散曲線(xiàn)。圖1 即根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)獲得的CFRP 復(fù)合材料頻散曲線(xiàn)。

圖1 CFRP 復(fù)合材料群速度頻散曲線(xiàn)

為了使檢測(cè)波形更穩(wěn)定，存在的模態(tài)越少越好，這樣更利于找出缺陷波。分析圖1 頻散曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)隨著頻厚積的增大，出現(xiàn)的模態(tài)迅速增多。因此，選擇頻厚積在1.6 MHz·mm 以?xún)?nèi)，此時(shí)只出現(xiàn)A0、S0 和A1 模態(tài)Lamb 波。其中，頻散曲線(xiàn)在低頻厚積范圍內(nèi)的A0 模態(tài)聲速較平穩(wěn)，有利于信號(hào)識(shí)別。根據(jù)斯奈爾定律，可以按照式（5）的入射角α激勵(lì)出A0 模態(tài)Lamb 波[14-15]。

式中，cL為楔塊中的縱波聲速；cp為板材中Lamb 波的相速度。

3.2 虛擬仿真

由于超聲Lamb 波理論較為復(fù)雜，所涉及的很多概念較抽象，學(xué)生往往很難把握知識(shí)點(diǎn)。為了讓學(xué)生獲得直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，課程引入了虛擬仿真技術(shù)，采用ABAQUS 有限元軟件，通過(guò)建立CFRP 復(fù)合材料模型，展現(xiàn)該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)將聲波的激勵(lì)、傳播和接收過(guò)程全部通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬視頻形式呈現(xiàn)出來(lái)，并研究檢測(cè)參數(shù)對(duì)過(guò)程的影響，讓學(xué)生直觀(guān)了解虛擬仿真技術(shù)的功能與作用。

首先按照工程應(yīng)用中的常規(guī)CFRP 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，建立[0°/90°]和[±53°]兩種鋪層角度的CFRP 復(fù)合板材模型，如圖2 所示，比較不同鋪層角度的CFRP復(fù)合材料對(duì)超聲波傳播特性的影響。所建立的CFRP復(fù)合材料整體模型如圖3 所示。

按照式（5）計(jì)算出激勵(lì)A(yù)0 模態(tài)的入射角后，在模型中央激勵(lì)聲波，圖4 為仿真過(guò)程中從[0°/90°]交叉鋪層的CFRP 復(fù)合板材內(nèi)Lamb 波傳播過(guò)程截取的一張應(yīng)力云圖。

圖2 CFRP 復(fù)合材料交叉鋪層示意圖

圖3 CFRP 復(fù)合材料整體模型

圖4 CFRP 復(fù)合材料板中聲波傳播過(guò)程示意圖

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，沿著纖維鋪設(shè)方向（水平和垂直方向）聲速最大。在虛擬仿真過(guò)程中，在與聲源相同距離的不同傳播角度上設(shè)置了接收點(diǎn)，測(cè)量了不同傳播方向上的聲速，采用雷達(dá)圖描述如圖5 所示。從圖5 可以明顯看出，兩種鋪設(shè)方式的模型中，聲速與纖維方向密切相關(guān)。

對(duì)于激勵(lì)頻率與板材厚度的影響，可以統(tǒng)一用頻厚積來(lái)反映。因此，調(diào)整模型參數(shù)，進(jìn)一步研究頻厚積對(duì)聲波傳播的影響。由于前面已經(jīng)說(shuō)明，采用的頻厚積要低于1.6 MHz·mm，仿真采用了0.6、0.9 和1.2 MHz·mm 三種頻厚積進(jìn)行了仿真計(jì)算，[0°/90°]交叉鋪層仿真計(jì)算結(jié)果如圖6 所示，圖中反映的每一個(gè)頻厚積的聲速變化與圖5 一致，因此只取了0~90°的方向范圍。由圖6 可見(jiàn)，隨著頻厚積的減小，聲速逐漸增大；隨著頻厚積的增大，同一方向上不同頻厚積的聲速的差值變小。

圖5 不同鋪層角度下各個(gè)方向傳播聲速分布圖

為了進(jìn)一步分析Lamb 波的傳播特性，對(duì)頻厚積在0.6~2.7 MHz·mm 范圍內(nèi)、鋪層方式為[0°/90°]的模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，頻散曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。雖然存在一些誤差，但是基本趨勢(shì)與A0 模態(tài)Lamb波一致，這就驗(yàn)證了按照理論入射角激勵(lì)出的信號(hào)就是A0 模態(tài)Lamb 波的事實(shí)。

圖6 在0～90°的范圍內(nèi)頻厚積與聲速關(guān)系圖

圖7 頻散曲線(xiàn)和仿真聲速對(duì)比圖

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證對(duì)信號(hào)激勵(lì)與傳播特征的分析，建立了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，如圖8 所示，包括Olympus5077 高壓超聲脈沖發(fā)生器和TDS3014B 四通道數(shù)字示波器。為了激勵(lì)固體模態(tài)信號(hào)，定制Lamb 波探頭和不同入射角楔塊，如圖9 所示。

實(shí)驗(yàn)制備的CFRP 復(fù)合板材如圖10 所示，尺寸為200 mm×200 mm×2 mm，采用[0°/90°]交叉鋪層方式。為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證CFRP 復(fù)合材料的各向異性，對(duì)不同方向的聲速進(jìn)行了測(cè)量，以15°為間隔角度，測(cè)量結(jié)果用折線(xiàn)圖繪制，如圖11 所示。從圖11 中可以看出，在0°、90°、180°、270°這些沿著纖維的方向上都是聲速極大值，而隨著偏離纖維方向的角度增加，聲速逐漸減小，這與仿真結(jié)果基本一致。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖9 定制Lamb 波探頭與楔塊

圖10 實(shí)驗(yàn)制備的CFRP 復(fù)合材料

此外，還對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了分析。首先根據(jù)頻散曲線(xiàn)，將傳播距離和板厚代入，計(jì)算出A0 和S0 模態(tài)Lamb 波的時(shí)間與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，得到如圖12 所示的時(shí)頻圖。這是采用另一種檢驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)是以A0 模態(tài)為主的Lamb 波的方法，與實(shí)驗(yàn)激勵(lì)要求一致，基本與仿真結(jié)果相符。

圖11 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的聲速隨方向的變化圖

圖12 信號(hào)時(shí)頻分析圖

4 教學(xué)案例創(chuàng)新性分析

針對(duì)卓越工程師班教學(xué)要求，在超聲Lamb 波檢測(cè)部分教學(xué)內(nèi)容中設(shè)計(jì)的該創(chuàng)新教學(xué)案例，可將理論、仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行全面剖析，讓學(xué)生更易于理解和接受，該教學(xué)案例的創(chuàng)新性可歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）內(nèi)容可視化。該部分內(nèi)容所涉及的復(fù)雜理論和抽象概念給學(xué)生學(xué)習(xí)造成很大困難，而通過(guò)虛擬仿真的過(guò)程，用圖像形式將整個(gè)教學(xué)內(nèi)容展現(xiàn)出來(lái)，能夠給學(xué)生一種直觀(guān)的感受和沖擊，從而幫助學(xué)生加深印象，更好地理解和掌握理論知識(shí)。

（2）方法多樣化。在對(duì)問(wèn)題的分析過(guò)程中，采用多種方法從不同角度呈現(xiàn)了Lamb 波的傳播特征和材料結(jié)構(gòu)特征。這種多樣化的分析方法可以使學(xué)生從不同角度去認(rèn)識(shí)所學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際目標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)方式，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

（3）教學(xué)系統(tǒng)化。該教學(xué)案例將理論、仿真和實(shí)驗(yàn)過(guò)程連接成一個(gè)整體，從理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、仿真輔助分析，到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論、揭示理論與實(shí)踐的相互關(guān)系，使學(xué)生了解到虛擬仿真輔助分析的目的性和必要性。通過(guò)這一系統(tǒng)化的整體學(xué)習(xí)過(guò)程，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的融會(huì)貫通，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)作用的深刻認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高了學(xué)習(xí)效率。此外，使學(xué)生對(duì)系統(tǒng)化的研究過(guò)程有所了解，從而為今后的學(xué)習(xí)和工作積累經(jīng)驗(yàn)。

（4）特色具體化。該教學(xué)案例來(lái)源于航空科學(xué)基金項(xiàng)目，以我國(guó)航空飛行安全領(lǐng)域的航空復(fù)合材料為具體研究對(duì)象，使學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容具有航空背景，符合我校突出航空特色的培養(yǎng)目標(biāo)，有利于為我國(guó)航空領(lǐng)域培養(yǎng)和輸送無(wú)損檢測(cè)卓越人才。

5 結(jié)語(yǔ)

為了滿(mǎn)足“新工科”建設(shè)要求，針對(duì)我校突出航空特色的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)無(wú)損檢測(cè)方向卓越工程師班“聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)”課程的Lamb 波檢測(cè)技術(shù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了創(chuàng)新教學(xué)案例設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)將理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，使教學(xué)過(guò)程具有內(nèi)容可視化、方法多樣化、教學(xué)系統(tǒng)化、特色具體化的創(chuàng)新性特征，使學(xué)生提高了學(xué)習(xí)效率，強(qiáng)化了分析探索能力，鍛煉了實(shí)際動(dòng)手能力，有利于為我國(guó)航空事業(yè)培養(yǎng)高質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)卓越工程師。