基于AE技術和HHT的滌綸機織物拉伸斷裂過程研究

薛亞靜，林蘭天，高 琮,劉書華

(1.上海工程技術大學電子電氣工程學院，上海 201620；2.上海工程技術大學服裝學院，上海 201620)

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基于AE技術和HHT的滌綸機織物拉伸斷裂過程研究

薛亞靜1，林蘭天2，高 琮2,劉書華2

(1.上海工程技術大學電子電氣工程學院，上海 201620；2.上海工程技術大學服裝學院，上海 201620)

為了獲取與研究織物拉伸破壞模式的時頻特征,通過改變織物組織結構和緯紗密度織造4種不同織物，在常規織物強力儀上利用自主搭建的聲發射檢測系統，分別采集對應織物拉伸破壞過程中產生的動態聲頻信息，利用Matlab軟件運行基于HHT方法編譯的程序對所采集信息進行信號分析與處理。分析結果表明：織物拉伸過程的AE信號曲線與拉伸載荷-位移曲線完全對應，所表征的結構相變化、紗線形變以及紗線斷裂3個破壞模式可明顯區分；4種織物結構相變化階段特征頻率相同，均為100 Hz，且來自同一來源——經緯紗間正交摩擦，與織物組織、密度無關，表現在持續時間、幅值、能量等聲發射信號參量上，結構相變化階段與紗線強力利用系數大小有關。

化學纖維紡織；滌綸機織物；紗線強力利用系數；結構相變化；希爾伯特-黃變換；聲發射

拉伸性能是織物的基本力學性質之一，直接影響織物的耐久性或堅牢度，因此拉伸斷裂強度是評定織物內在質量的重要指標之一。機織物拉伸破壞過程主要涉及織物結構相變化、紗線形變和紗線斷裂3個破壞模式，其中織物結構相變化模式中由于經緯紗線間產生交織點擠壓補償作用和對紗線強伸性能的均勻化作用，使得紗線強力利用系數eF>1，織物強力提高[1]。因此，在紗線原料一定的情況下，了解織物參量對紗線強力利用系數的微觀作用過程，可為紗線強力利用系數的精確測定和織物制造工藝優化提供理論依據。同時，聲發射技術(acoustic emission，簡稱AE)和時頻分析方法的日漸成熟，為織物拉伸斷裂有效聲頻信號的采集與分析提供了可能，為其拉伸性能的探究方法提供了新方向[2-7]。

本研究通過改變織物組織和緯紗密度，進行4種規格織物的織造，并在常規的織物強力儀上利用自主搭建的聲發射檢測系統，分別采集不同規格織物拉伸破壞過程的動態聲頻信息。利用Matlab平臺編制HHT程序，對所采集聲發射信號進行分析與處理，從而獲取織物拉伸破壞各模式的時頻特征。

1 織物拉伸斷裂機理與聲發射信號

機織物強力測定中一般采用條樣法，其拉伸破壞過程主要涉及織物結構相變化，紗線形變和紗線斷裂3個階段[1,8-9]。在拉伸的初始階段，作用于受拉系統紗線的拉伸力使該系統紗線由屈曲逐漸伸直，并包括少量紗線形變現象，同時由于拉伸力作用迫使非受拉系統紗線(垂直拉伸方向紗線)更加屈曲，織物產生橫向收縮并呈現束腰現象，此階段稱為結構相變化；隨著拉伸的繼續，受拉系統的紗線已基本伸直，織物結構相基本呈現第1相或第9相兩種極端狀態，此階段形變主要是由紗體結構改變和纖維伸長變細組成，致使拉伸方向的織物結構變稀，平方米克重降低，此階段稱為紗線形變；拉伸后階段，織物最弱紗線或纖維達到斷裂伸長首先發生斷裂，應力集中現象隨后分布至其他紗線導致逐根斷裂產生，直至織物結構解體、斷裂，此階段稱為紗線斷裂。

機織物在拉伸狀態下，由于其局部區域彈性能的快速卸載導致了聲發射信號的產生[10-12]，即引發聲發射信號的物理源點或機制為織物結構相變化、紗線形變和紗線斷裂。織物結構相變化機制屬于織物中紗線間交互結構的塑性變形源同時產生低強度聲發射信號，其信號聲學特征(如頻率、強度、發生時間點和持續時間等)受到織物組織結構、經緯密度、經緯紗表面摩擦系數等因素的影響；紗線形變和紗線斷裂機制由環錠紗纖維間滑移與斷裂所引起的聲發射信號，其信號聲學特征與紗線原料、捻度等因素有關。

機織物是紗線的集合體，拉伸斷裂過程中破壞模式較多導致聲發射源類型多樣，采集得到的聲發射信號模態更為復雜，其信號聲學特征：頻率、強度、發生時間點和持續時間不僅受紗線組分的影響，還與織物結構參量有密切關系[13]。

2 希爾伯特-黃變換

聲發射技術采集的織物拉伸斷裂信號屬于非平穩信號，因此采用時頻分析方法中適合非線性、非平穩性信號分析與處理的希爾伯特-黃變換[14-15](Hilbert-Huang Transform，簡稱HHT)。HHT變換將織物拉伸斷裂信號進行經驗模態分解(empirical mode decomposition，簡稱EMD)后得到有限個本征模態函數(intrinsic mode function，簡稱IMF)，各個IMF分量具有不同特征尺度，代表原信號中不同頻率成分；然后對各個IMF分量進行希爾伯特變換，得到不同頻率成分的瞬時幅值、瞬時頻率以及原信號時頻譜圖[16-20]。

3 實驗設計

3.1 實驗材料及設備

滌綸環錠紗(30 Tex)，ASL2300-24-24全自動織樣機，YG026B型電子織物強力機，自主搭建聲發射檢測系統。

圖1 聲發射信號檢測系統簡圖Fig.1 Diagram of acoustic emission signal detection system

實驗采用自主搭建的聲發射檢測系統，主要由聲發射探頭組件、信號放大器、數據采集儀和控制器4部分組成，其中聲發射探頭組件主要包括聲發射傳感器(采用PVDF壓電傳感器)和固定裝置。實驗時該檢測系統中聲發射探頭組件與電子織物強力機固定連接，以達到高靈敏度聲發射傳感器和織物強力機中的力傳感器串聯連接，實現織物拉伸振動過程中聲頻信號和力信號的同步采集。聲發射信號檢測系統如圖1所示。

3.2 實驗過程

3.2.1 織物織造

經緯紗采用同種規格的滌綸環錠紗，利用全自動織樣機分別織造經密均為200根/10 cm，織物組織為平紋、一上三下右斜紋，緯密為300根/10 cm、370根/10 cm，兩兩組合的4種織物。將下機后織物進行后處理，以達到去除纖維制造時加入的油劑和織物織造過程中沾污的油脂、粉塵等的目的，原料為精煉劑0.5 g/L，純堿2 g/L，30%燒堿2 g/L，保險粉1 g/L，浴比1∶10，于80 ℃處理20 min。最后將織物洗滌、烘干。

3.2.2 織物拉伸和聲發射檢測

采用扯邊紗條樣法制作250 mm×50 mm試樣，每種緯向試樣各5塊。在實驗中，聲發射采集控制軟件設置采樣頻率1 MHz，并與電子織物強力機同時啟動，織物試樣夾持長度100 mm，拉伸速度500 mm/min，采樣頻率500次/s。所有織物試樣測試前均在標準大氣條件下(溫度20 ℃、相對濕度65%)進行溫濕度平衡至少24 h，且實驗在標準大氣條件下進行。

4 實驗結果與分析

4.1 織物拉伸各破壞模式

滌綸機織物沿著緯向拉伸載荷-位移曲線和聲發射信號曲線，以平紋組織、緯紗密度300根/10 cm為例，如圖2所示。對照機織物的拉伸斷裂過程與其采集到的聲發射信號特征可得出，機織物拉伸斷裂過程在聲發射信號中呈現出不同的源信號且存在一定的時間先后順序，可明顯區分。

圖2 機織物拉伸斷裂過程與其聲發射信號對照圖Fig.2 Woven fabric tensile fracture process control chart with its acoustic emission signal

拉伸載荷-位移曲線中，結構相變化和紗線形變階段都呈現出隨位移增加而載荷增大的趨勢，但紗線形變階段與結構相變化階段相比，曲線較陡峭，載荷增大較快；紗線斷裂階段呈現出隨位移增加而載荷減小，最終織物失效，載荷趨于0。聲發射信號曲線表示織物拉伸聲頻的時間-幅值變化關系，也在一定程度反映了時間-能量的關系。將聲發射信號曲線和拉伸載荷-位移曲線對照，聲發射信號曲線可較清晰地劃分為結構相變化、紗線形變和紗線斷裂3個破壞階段，同時在聲發射信號曲線中，由各不相同信號形態、幅值大小可明顯區分3個破壞階段，且符合相應拉伸階段中所呈現的物理現象：結構相變化階段信號呈現周期性的波形特征(見圖3)，紗線形變階段信號幅值最小，紗線斷裂階段信號幅值最大且直觀表現出織物中紗線不同時斷裂的物理現象。拉伸載荷-位移曲線與聲發射信號曲線所表征織物拉伸3個模式完全對應，從而實現以力學和聲學多角度分析探究各破壞模式的物理特性。

4.2 結構相變化階段頻譜分析

織物組織和密度是影響紗線強力利用系數的2個因素，結構相變化破壞模式與紗線強力利用系數的大小有關，因此不同織物組織和緯紗密度在織物結構相變化破壞模式的聲發射信號中可表現出某些內在特性的物理機械性能。

4.2.1 特征頻率

由于結構相變化階段具有周期性，故取其一個周期波形。滌綸機織物結構相變化階段一個周期時域波形，以平紋組織、緯紗密度300根/10 cm為例，如圖4所示。

圖3 結構相變化階段聲發射信號圖Fig.3 Acoustic emission signal diagram of structure change stage

圖4 結構相變化階段聲發射信號單周期時域波形圖Fig.4 Single cycle time domain waveform diagram of acoustic emission signal in structure change stage

圖5 結構相變化階段聲發射信號EMD分解圖Fig.5 EMD decomposition of acoustic emission signal in structure change stage

運用HHT算法對該聲發射信號進行EMD分解，從其分解結果圖5中可以看出，經過EMD分解得到由高頻至低頻不同IMF分量，且分解殘量與原信號的波形特征相同。然后，將EMD分解得到的各IMF分量進行希爾伯特變換，得到信號的希爾伯特-黃時頻圖，由圖中可得較高頻率IMF分量的能量較小，唯獨最小頻率分量的能量較大，如圖6所示。由此可知，IMF1-6均為原信號時域波形中(圖4)的高頻毛刺，而最小頻率的分解殘量則表征結構相變化階段的主體頻率。分解殘量經希爾伯特變換后，得到結構相變化階段的主體頻率為100 Hz，圖7為分解殘量瞬時幅值和瞬時頻率圖。

圖6 結構相變化階段聲發射信號Hilbert-Huang時頻圖Fig.6 Hilbert-Huang spectrum of acoustic emission signal in structure change stage

圖7 結構相變化階段聲發射信號分解殘量瞬時幅值和瞬時頻率圖Fig.7 Instantaneous amplitude and instantaneous frequency diagrams of residual decomposition of acoustic emission signal in structure change stage

分別對余下3種滌綸織物信號：平紋組織、緯密370根/10 cm，斜紋組織、緯密300根/10 cm，斜紋組織、緯密370根/10 cm，進行HHT分析，得出所有織物在結構相變化階段的主體頻率均為100 Hz，即引發此破壞模式的聲發射信號為同一來源。在結構相變化階段，持續加載的外力在改變經緯紗屈曲形態時，交織點處經緯紗產生正交摩擦事件，因此該階段所拾取的聲發射信號可記錄整個正交摩擦事件的微觀過程，且該信號頻率與織物組織、密度無關，僅表征經緯紗表面的摩擦特性。

圖8 4種不同織物的聲發射信號時域波形圖Fig.8 Time domain waveform diagram of acoustic emission signal of four different fabrics

4.2.2 持續時間與幅值

對比4種不同織物的聲發射信號時域波形圖(如圖8所示)，可知：結構相變化階段持續時間，平紋織物較斜紋織物長，高緯密織物較同組織低密度織物稍長；波形幅值即能量，隨織物組織、密度不同而不同。這是由于織物組織、緯紗密度影響交織點密度和織物緊度，交織點密度、織物緊度越大，織物中浮長線越短，拉伸時織物中受拉伸系統紗線被非拉伸系統紗線擠壓力越大，經緯紗間切向滑動阻力越大，紗線強力利用系數越高，在聲發射信號中呈現出結構相變化階段波形持續時間越長，幅值越大。探明聲發射信號參量(持續時間、幅值、能量等)與織物具體交錯方式及其分布(組織結構、經緯密度)的量化關系，不僅可為紗線強力利用系數的測定提供一種新方法，同時可為未知織物重要參量如組織結構、經緯密度等提供識別工具。

5 結 論

1) 采用聲發射技術提取滌綸機織物拉伸破壞過程產生的聲頻信號，且聲發射信號曲線與拉伸載荷-位移曲線基本完全對應，所表征的結構相變化、紗線形變以及紗線斷裂3個破壞模式可明顯區分，從而便于各破壞模式在力學和聲學角度特征的分析探究。

2)運用時頻分析技術HHT算法對不同組織結構(平紋、一上三下右斜紋)、不同緯密(300根/10 cm、370根/10 cm)兩兩組合的4種織物結構相變化階段信號進行分析，其特征頻率相同，均為100 Hz，且得出是同一來源——經緯紗線間的正交摩擦，與織物組織、密度無關。

3)4種不同織物結構相變化階段聲發射信號對比結果：信號持續時間，平紋織物較斜紋織物長，高緯密織物較同組織低密度織物稍長。波形幅值即能量，隨織物組織、密度不同而不同。

4) 織物拉伸斷裂過程的結構相變化階段聲發射譜圖可表征織物的某些內在特性：特征頻率與織物經緯紗表面的摩擦特性有關，持續時間、幅值、能量等與織物具體交錯方式及其分布(組織結構、經緯密度)有關。聲發射信號參量與織物參量之間的量化關系，可為紗線強力利用系數的測定，以及未知織物重要參量如組織結構、經緯密度等的識別提供新的方法，有待進一步研究。

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Research on tensile fracture process of polyester woven fabric based on AE technique and HHT

XUE Yajing1, LIN Lantian2, GAO Cong2, LIU Shuhua2

(1.School of Electronic and Electric Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2.Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

In order to obtain and study time-frequency characteristics of fabric tensile failure modes, four kinds of fabrics is woven with changing different fabric organizational structures and weft densities, dynamic audio signals for different fabrics in tensile failure process is collected with the aid of self-built acoustic emission detection system on the conventional fabric tensile tester, and the collected signal is analyzed and processed by using Matlab software to run a program compiled based on Hilbert Huang transform. The results show that AE signal curve is completely corresponding to tensile load-displacement curve in fabric tensile process, and characterizations of three failure modes about structure change, yarn deformation, and yarn fracture can be clearly distinguished. The characteristic frequency of four kinds of fabrics in structure change stage is the same as 100 Hz, which can be derived from the same source (orthogonal friction of yarns), and has nothing to do with the fabric organizational structure or density. The structure change stage has something to do with yarn strength utilization in such aspects as the AE signals characteristics of duration, amplitude, energy, and so on.

chemical fiber spinning; polyester woven fabric; yarn strength utilization; structure change; Hilbert-Huang Transform (HHT); acoustic emission(AE)

1008-1542(2016)05-0516-06

10.7535/hbkd.2016yx05014

2016-07-30；

2016-09-06；責任編輯：張 軍

上海市教委學科建設項目(XKCZ1207)

薛亞靜(1990—)，女，河北石家莊人，助教，碩士，主要從事紡織品檢測方面的研究。

林蘭天教授。E-mail:：llt39@126.com

TS107.3

A

薛亞靜，林蘭天，高 琮，等.基于AE技術和HHT的滌綸機織物拉伸斷裂過程研究[J].河北科技大學學報,2016,37(5):516-521.

XUE Yajing, LIN Lantian, GAO Cong,et al.Research on tensile fracture process of polyester woven fabric based on AE technique and HHT[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(5):516-521.