航空特色卓越工程師班“聲學檢測技術”課程創新教學案例

李秋鋒，陳振華，盧 超，宋 凱，龍盛蓉，張士晶

（南昌航空大學 測試與光電工程學院，江西 南昌 330063）

1 無損檢測卓越工程師班及“聲學檢測技術”課程

我校（原南昌航空工業學院）于1952 年創辦，1999年開始實行中央和地方共建、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部、航空航天工業部和中國航空工業總公司，是原航空航天部所屬的六所高校之一[1]。目前，仍與中國航空工業集團有限公司和中國航空發動機集團有限公司有著緊密的合作關系，是一所具有突出航空特色的高校。

我校的測控技術與儀器專業前身是無損檢測專業，1982 年創辦至今已近40 年，是我國全面、系統培養無損檢測專業技術人才的本科專業，為國家輸送了約4000 名?？婆c本科無損檢測人才。1998 年，學校將無損檢測和電子儀器及測量技術兩個品牌專業，合并為測控技術與儀器專業。我們堅持無損檢測專業特色和培養目標，在無損檢測領域具有較高的社會聲譽。目前該專業獲批國家級特色專業、教育部卓越工程師教育培養計劃專業和江西省卓越工程師培養計劃專業[2-3]。

根據卓越工程師教育培養計劃要求，我校測控技術與儀器專業從2012 級開始設立卓越工程師班。該班由每年從大學二年級學生中挑選出的志向明確、刻苦耐勞、品學兼優的學生組成，并實行動態淘汰機制，以保證卓越無損檢測工程技術人才的培養質量。目前已輸送了5 批近100 名基礎扎實、動手能力強、工程實踐能力過硬的無損檢測卓越工程師[4]。

黨的十八大以來，為了更好地服務國家戰略發展需求、構筑國際競爭優勢、落實立德樹人要求，教育部于2017 年提出了“新工科”（emerging，engineering，education，3E）建設目標，明確了“以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，旨在培養未來多元化、創新型的卓越工程人才”的高等工程教育宗旨，先后在重點高校試點組織實施“復旦共識”“天大行動”及“北京指南”，為我國工程教育發展提供了新思維、新方式[5-7]。

“聲學檢測技術”是我校測控技術與儀器專業的專業課程，是一門實踐性非常強的主干課程，主要培養學生聲學檢測專業基礎、綜合分析能力、應用能力，以及解決實際工程檢測問題的能力。本文主要介紹卓越工程師班“聲學檢測技術”課程中“聲學檢測技術”的超聲Lamb 波部分的教學改革情況。具體包括：在講授經典理論基礎上，將科研項目中航空領域復合板材的檢測需求與教學相結合，形成航空復合板材超聲Lamb波損傷檢測的創新教學案例；根據超聲Lamb 波理論知識，利用虛擬仿真技術，分析復合板材中聲波的傳播過程與規律，同時進行實驗測試，將實驗結果與仿真結果相對照；總結超聲Lamb 波在航空復合板材中的傳播特性，為進一步實現損傷識別與定位提供依據。

新的教學內容將理論知識工程化、可視化、系統化，符合突出航空特色培養要求，能夠鍛煉學生的科研分析能力，提高其工程實踐能力，達到“新工科”培養目標[8]。

2 教學內容來源

隨著材料工藝的成熟及產品質量的提高，航空復合材料在航空領域的使用比例大幅提升，國外先進直升機復合材料用量達總機重量的45%以上；第四代戰機復合材料用量達飛機結構重量的25%~30%；空客A380 碳纖維復合材料用量達25%；波音787“夢想”飛機的復合材料用量達結構質量的50%。有些復合材料甚至已經代替金屬成為某些核心部件的主要結構材料，從而使航空技術發展有了質的飛躍。目前，飛機上復合材料的整機比重已被國內外同行作為衡量飛機先進性的重要依據[9-10]。其中，碳纖維復合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）憑借重量輕、強度高、隔熱性能好等優點，被用于雷達罩、客機機身、機翼、垂尾和方向舵等重要部位[11]。但CFRP 對飛鳥撞擊、跑道石塊撞擊、工具脫落等沖擊損傷較為敏感，如果出現材料損傷，并當缺陷尺寸達到某一量值時，會導致材料力學性能下降。采用無損檢測技術對其進行損傷檢測及質量評價以確保其完整性，是制造及服務環節的重要內容[12-13]。在航空科學基金資助下，我們開展了CFRP 復合板材超聲檢測方法研究工作，并將該科研項目的研究內容引入卓越工程師班教學，旨在通過實際科研項目讓學生體會應用理論知識發現問題、分析問題和解決問題的整個過程，這樣不僅可以加深學生對理論知識的理解，而且可以鍛煉學生的動手能力，同時由于項目來源于航空領域，從而符合突出航空特色的培養要求。

3 教學環節創新設計

3.1 理論分析

超聲Lamb 波是一種由橫波和縱波在傳播過程中經由板的上下界面反射耦合而成的一種應力波，這部分內容是“聲學檢測技術”課程學習的一個難點。在板材中Lamb 波傳播方式可分為對稱模態（S 型）和反對稱模態（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 波都有相應的截止頻率。Lamb 波在均勻介質板材中傳播的特征方程可以用式（1）和（2）表示[18]：

式中，k為Lamb 波沿水平方向傳播的波數；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。

通過式（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。在均勻介質中，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。當板厚確定時，Lamb 波聲速會隨著頻率的變化而變化，這就是頻散。由于Lamb 波聲速求解計算困難，通常用頻散曲線確定。

CFRP 復合材料是一種典型的各向異性材料，不同的加工工藝會使縱波和橫波聲速發生變化，因此通常需要實際測量縱波和橫波平均聲速后，計算和繪制頻散曲線。圖1 即根據實際測量數據獲得的CFRP 復合材料頻散曲線。

圖1 CFRP 復合材料群速度頻散曲線

為了使檢測波形更穩定，存在的模態越少越好，這樣更利于找出缺陷波。分析圖1 頻散曲線，發現隨著頻厚積的增大，出現的模態迅速增多。因此，選擇頻厚積在1.6 MHz·mm 以內，此時只出現A0、S0 和A1 模態Lamb 波。其中，頻散曲線在低頻厚積范圍內的A0 模態聲速較平穩，有利于信號識別。根據斯奈爾定律，可以按照式（5）的入射角α激勵出A0 模態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 波理論較為復雜，所涉及的很多概念較抽象，學生往往很難把握知識點。為了讓學生獲得直觀的認識，課程引入了虛擬仿真技術，采用ABAQUS 有限元軟件，通過建立CFRP 復合材料模型，展現該復合材料的結構特征，同時將聲波的激勵、傳播和接收過程全部通過動態模擬視頻形式呈現出來，并研究檢測參數對過程的影響，讓學生直觀了解虛擬仿真技術的功能與作用。

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

按照式（5）計算出激勵A0 模態的入射角后，在模型中央激勵聲波，圖4 為仿真過程中從[0°/90°]交叉鋪層的CFRP 復合板材內Lamb 波傳播過程截取的一張應力云圖。

圖2 CFRP 復合材料交叉鋪層示意圖

圖3 CFRP 復合材料整體模型

圖4 CFRP 復合材料板中聲波傳播過程示意圖

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

對于激勵頻率與板材厚度的影響，可以統一用頻厚積來反映。因此，調整模型參數，進一步研究頻厚積對聲波傳播的影響。由于前面已經說明，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 三種頻厚積進行了仿真計算，[0°/90°]交叉鋪層仿真計算結果如圖6 所示，圖中反映的每一個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，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方向傳播聲速分布圖

為了進一步分析Lamb 波的傳播特性，對頻厚積在0.6~2.7 MHz·mm 范圍內、鋪層方式為[0°/90°]的模型進行了仿真計算，頻散曲線計算結果如圖7 所示。雖然存在一些誤差，但是基本趨勢與A0 模態Lamb波一致，這就驗證了按照理論入射角激勵出的信號就是A0 模態Lamb 波的事實。

圖6 在0～90°的范圍內頻厚積與聲速關系圖

圖7 頻散曲線和仿真聲速對比圖

3.3 實驗測試

為了驗證對信號激勵與傳播特征的分析，建立了實驗測試系統，如圖8 所示，包括Olympus5077 高壓超聲脈沖發生器和TDS3014B 四通道數字示波器。為了激勵固體模態信號，定制Lamb 波探頭和不同入射角楔塊，如圖9 所示。

實驗制備的CFRP 復合板材如圖10 所示，尺寸為200 mm×200 mm×2 mm，采用[0°/90°]交叉鋪層方式。為了實驗驗證CFRP 復合材料的各向異性，對不同方向的聲速進行了測量，以15°為間隔角度，測量結果用折線圖繪制，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，這與仿真結果基本一致。

圖8 實驗測試系統

圖9 定制Lamb 波探頭與楔塊

圖10 實驗制備的CFRP 復合材料

此外，還對檢測信號進行了分析。首先根據頻散曲線，將傳播距離和板厚代入，計算出A0 和S0 模態Lamb 波的時間與頻率對應關系。然后將檢測信號進行時頻分析，得到如圖12 所示的時頻圖。這是采用另一種檢驗檢測信號是以A0 模態為主的Lamb 波的方法，與實驗激勵要求一致，基本與仿真結果相符。

圖11 實驗測量的聲速隨方向的變化圖

圖12 信號時頻分析圖

4 教學案例創新性分析

針對卓越工程師班教學要求，在超聲Lamb 波檢測部分教學內容中設計的該創新教學案例，可將理論、仿真和實驗相結合，對主要知識點進行全面剖析，讓學生更易于理解和接受，該教學案例的創新性可歸納為以下幾點。

（1）內容可視化。該部分內容所涉及的復雜理論和抽象概念給學生學習造成很大困難，而通過虛擬仿真的過程，用圖像形式將整個教學內容展現出來，能夠給學生一種直觀的感受和沖擊，從而幫助學生加深印象，更好地理解和掌握理論知識。

（2）方法多樣化。在對問題的分析過程中，采用多種方法從不同角度呈現了Lamb 波的傳播特征和材料結構特征。這種多樣化的分析方法可以使學生從不同角度去認識所學習的知識點，根據實際目標選擇適當的表達方式，提升學生的創新思維能力。

（3）教學系統化。該教學案例將理論、仿真和實驗過程連接成一個整體，從理論指導實驗、仿真輔助分析，到實驗驗證理論、揭示理論與實踐的相互關系，使學生了解到虛擬仿真輔助分析的目的性和必要性。通過這一系統化的整體學習過程，促進了學生對知識的融會貫通，對各個環節作用的深刻認識，同時提高了學習效率。此外，使學生對系統化的研究過程有所了解，從而為今后的學習和工作積累經驗。

（4）特色具體化。該教學案例來源于航空科學基金項目，以我國航空飛行安全領域的航空復合材料為具體研究對象，使學生的學習內容具有航空背景，符合我校突出航空特色的培養目標，有利于為我國航空領域培養和輸送無損檢測卓越人才。

5 結語

為了滿足“新工科”建設要求，針對我校突出航空特色的培養目標，對無損檢測方向卓越工程師班“聲學檢測技術”課程的Lamb 波檢測技術教學內容進行了創新教學案例設計。該設計將理論學習、虛擬仿真和實驗測試環節有機結合，使教學過程具有內容可視化、方法多樣化、教學系統化、特色具體化的創新性特征，使學生提高了學習效率，強化了分析探索能力，鍛煉了實際動手能力，有利于為我國航空事業培養高質量的無損檢測卓越工程師。