高溫條件下波導桿的在線損傷檢測

(北京強度環境研究所，北京 100076)

聲發射(Acoustic Emission,AE)是物體迅速釋放能量而產生瞬態彈性波的一種物理現象，大多數材料變形和斷裂時有聲發射發生。聲發射的產生與材料內部的破壞密切相關，所以聲發射信號的變化可以反映材料的破壞進程，起到檢測和預測材料破壞的作用。聲發射技術具有連續、實時檢測等特點，并且對材料的開裂和裂紋的擴展非常敏感，已成為檢測材料破壞的一種重要手段。

要想在高溫條件下進行聲發射檢測，只能采用高溫傳感器或通過波導桿傳導聲發射信號。但是，高溫聲發射傳感器不僅價格昂貴，更重要的是其耦合以及傳感器的固定在現場檢測時十分不便，所以采用連接波導桿的方法進行高溫環境下的聲發射檢測具有重要的應用前景[1-2]。波導桿的一端與試件通過點焊或物理連接，保證試件與波導桿接觸良好，另一端通過機械裝置以及耦合劑與聲發射傳感器耦合[3-4]。

波導桿的聲學性能以及固定方式都是影響聲發射檢測的關鍵因素，顯然要實現高溫聲發射檢測，最關鍵的是尋找合適的波導桿。理想的波導桿應滿足以下條件。

(1)有較好的柔韌性，自身不產生振動或應力波，從而不會形成多余的聲發射信號。

(2)能快速、低衰減地傳遞應力波，避免丟失微弱的聲發射信號。

(3)盡可能小的波形失真。

(4)有較高的熔點。

影響波導桿應用的一個關鍵因素就是衰減問題，劉建軍等經過研究認為，進行高溫檢測的過程中，檢測是否成功很大程度上取決于波導桿的耦合是否良好。蔣俊等通過試驗證明，只要耦合良好，幅值并不會降低很多。從現場測試來看，波導另一端表面的最大衰減不到20 dB，完全可以滿足檢測所需。

李建功等[5]利用ANSYS軟件對AE信號在波導桿中的傳播規律進行了數值模擬。數值模擬分析結果表明，AE信號在波導桿中傳播時受波導桿的粗細以及長短影響，波導桿直徑在110 mm間時，其對AE信號傳播的影響較小，且波導桿長度應盡量大于0.5 m，以保證信號的穩定性。

歷史是不可能發生的事：企圖用不完整的知識，來解釋本身就在不完整的知識下發生的行為。因此它教導我們，沒有通向“救贖”的捷徑，沒有制造“新世界”的秘方，只有兢兢業業和耐心的做法才行得通。我教導你們，通過不斷努力解釋，我們也許可以最終得知——并非某種解釋——我們進行解釋的能力是極其有限的[2]92。

1 波導桿的設計

在以上研究以及運用聲學知識分析的基礎上，設計了波導桿，其結構如圖1所示，筆者分別設計了不同材料、不同直徑、不同長度以及有無拐角的波導桿，研究各影響因素對波導桿傳導聲波的影響。采用控制變量法設計，即研究某一影響因素時，確保其他因素相同。

圖1 波導桿結構示意

圖2 波導桿傳導聲波影響因素分析框圖

2 波導桿特性比較研究

研究不同結構的波導桿對AE信號幅值、波形等的影響，確定最適合AE檢測的波導桿的結構。

斷鉛試驗是一種穩定、可靠、重復性高的驗證方法，常用于模擬損傷源。參數分析法和波形分析法是AE信號處理最常用的方法，主要用于描述AE源特性以及評估材料損傷程度，因此采用斷鉛試驗來比較波導桿特性。

2.1 傳感器標定

采用16通道聲發射系統采集信號，該系統主要由壓電傳感器、前置放大器、AE信號記錄和分析軟件等組成，AE前置放大器的放大倍數為40 dB。傳感器靠壓電效應，將材料局部損傷以能量形式釋放的彈性波轉化為電信號。門檻值設定為45 dB，信號采樣率設為3 Mb·s-1。采用直徑為0.5 mm的鉛芯在矩形試件表面進行斷鉛試驗，鉛芯伸長量為2.5 mm，每次斷鉛時保證鉛芯與試件表面夾角為30°。傳感器1,2和5分別置于距離斷鉛10 mm處，并采用磁性夾具固定。傳感器和試件之間涂有耦合劑，目的是減少AE信號在傳感器和試件界面處過度散射和衰減，采用10次斷鉛取平均值的方法進行對比。通道1,2,5進行10次斷鉛的AE信號幅值平均值分別為98.4,96.4,98.0 dB。3個傳感器采集的每次斷鉛的AE波形也極為類似，為典型的高衰減突發性AE信號。

快速傅里葉變換(FFT)作為時域和頻域轉換的分析工具，廣泛應用在數字通信、圖像處理、雷達信號處理、航空航天等領域，利用FFT對AE信號的頻譜進行了計算，以觀察波形在頻域內的變化。

圖3為采集的第6次斷鉛時的AE波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號覆蓋，3個傳感器采集到的波形幾乎一致。由FFT得出的頻譜結果可以看出，3個AE信號的頻譜主頻所在的頻率段相同，在020 kHz間以及110 kHz120 kHz間。

圖3 矩形試件的AE波形和頻譜

2.2 波導桿材料影響分析

對材料為高溫合金GH4169、A3鋼的波導桿AE信號傳播特性作了比較，通道1為GH4169合金波導桿+傳感器，通道2為A3鋼波導桿+傳感器，通道5為傳感器。采用斷鉛試驗模擬損傷源，斷鉛位置與高溫合金GH4169波導桿端頭、A3鋼波導桿端頭以及不帶波導桿的傳感器距離相同，為10 mm。兩根波導桿尺寸相同，直徑為5 mm，長為1 m。

通道1，2，5進行10次斷鉛的AE信號平均幅值分別為86.6，93.6，98.5 dB。比較幅值，發現A3鋼波導桿對AE信號的衰減明顯小于高溫合金GH4169波導桿的。

圖4為采集的第6次斷鉛的AE波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的信號幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號掩埋，通道2采集到的波形更加接近于通道5采集到的波形；相對于無波導桿的通道5，通道1,2接收到的AE信號略有延遲，延遲時間小于1 ms。

圖4 第6次斷鉛AE波形和頻譜(材料影響試驗)

頻譜圖表明3個AE信號的頻譜主頻所在的頻率段各有兩處，較低頻率段大致相同，在030 kHz之間；較高頻率段通道5主頻在120 kHz左右，通道1,2主頻在90 kHz100 kHz之間，說明波形有微小失真，對比3個頻譜，通道2更加接近于通道5。

通過以上分析，A3鋼波導桿接收到的AE信號衰減要小于GH4169合金波導桿接收到的，且波形更加接近于無波導桿時采集的完全真實信號，因此認為相同尺寸的A3鋼波導桿更有利于AE信號的傳播。

2.3 波導桿直徑影響分析

對不同直徑A3鋼波導桿AE信號傳播特性作了比較，通道1為直徑5 mm波導桿+傳感器，通道2為直徑1 mm波導桿+傳感器；采用斷鉛試驗模擬損傷源，斷鉛位置與波導桿端頭的距離相同，為10 mm。兩根波導桿長度相同，為1 m。

通道1，2進行10次斷鉛的AE信號平均幅值分別為87.5，81.7 dB。比較幅值，發現5 mm直徑波導桿對AE信號的衰減明顯小于1 mm直徑波導桿的；這說明波導桿的直徑越大，越有利于AE信號的傳播。

圖5為采集的第6次斷鉛AE信號波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號覆蓋，通道1采集到的波形更加接近于斷鉛試驗產生的脈沖波。

圖5 A3鋼波導桿AE信號波形和頻譜

頻譜圖表明，兩個AE信號的頻譜主頻所在的頻率段相同，在040 kHz間以及160 kHz170 kHz間。

通過以上分析可知，5 mm直徑波導桿接收到的AE信號衰減要小，這說明波導桿的直徑越大，越有利于AE信號的傳播。

2.4 波導桿長度影響分析

對不同長度A3鋼波導桿的AE信號傳播特性作了比較，通道1為1 m長波導桿+傳感器，通道2為0.8 m長波導桿+傳感器；采用斷鉛試驗模擬損傷源，斷鉛位置與波導桿端頭距離相同，兩根波導桿直徑相同，均為5 mm。

通道1，2進行10次斷鉛的AE信號平均幅值分別為89.9，91.2 dB。比較幅值，發現兩者之差在1 dB左右；這說明波導桿越短，越有利于AE信號的傳播，但是影響較小。

圖6為采集的第6次斷鉛AE信號波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號覆蓋，傳感器采集到的波形幾乎一致。

圖6 第6次斷鉛AE信號波形和頻譜(長度影響試驗)

頻譜圖表明，兩個AE信號的頻譜主頻所在的頻率段各有兩處，較低頻率段大致相同，在030 kHz之間；較高頻率段通道1主頻在60 kHz70 kHz，通道2主頻在80 kHz90 kHz之間，這可能與端頭焊接工藝有關。

通過以上分析，0.8 m長波導桿接收到的AE信號衰減小，這說明波導桿的長度越短，接收到的AE信號衰減越小，越有利于AE信號的傳播,所以建議選擇適合檢測條件下長度較短的波導桿，檢測中選擇0.8 m長的波導桿。

2.5 波導桿拐角影響分析

為分析拐角對AE信號的影響，進行了試驗，即采用斷鉛試驗模擬損傷源，斷鉛位置距波導桿端頭距離相同。兩根波導桿直徑相同(為5 mm)，長度相同(為1 m)。波導桿結構示意如圖7所示。

圖7 拐角試驗時的波導桿結構示意

通道1,2進行第10次斷鉛的AE信號平均幅值分別為88.5，92.7 dB。比較幅值，發現兩者之間差值為4 dB左右，這說明波導桿拐角會造成AE信號的衰減。

圖8為采集的第6次斷鉛AE波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號覆蓋，傳感器采集到的波形幾乎一致。

圖8 第10次斷鉛AE信號波形和頻譜(拐角影響試驗)

頻譜圖表明，兩個AE信號的頻譜主頻較明顯，主頻范圍在030 kHz之間，但是通道1主頻所在頻率較窄且略高。

通過以上分析，不帶拐角波導桿接收到的AE信號衰減要小，這說明波導桿拐角對AE信號有衰減作用，不利于AE信號的傳播，設計時應盡量避免波導桿帶拐角。

3 波導桿高溫條件下的應用

選擇合適的波導桿應用于高溫試驗是研究的重點，因此在某熱試驗過程中，采用波導桿進行高溫條件下的AE損傷檢測。波導桿一端與軸承通過黏接的方式連接，保證試件與波導桿的良好接觸，另一端通過機械裝置以及密封劑和AE傳感器耦合。采用波導桿連接試件和傳感器，避免了傳感器與高溫試件直接接觸，接入通道6；作為對比，另一不帶波導桿的高溫傳感器安裝于軸承的對稱另一端，接入通道1。試驗加熱溫度為700 ℃，圖9為載荷控制曲線(圖中W為橫向位移載荷，F為縱向力)。

圖9 高溫試驗時的試驗件載荷控制曲線

圖10為AE全程采集波形，由圖10可以看出，從外觀看兩者采集波形大體相似，與載荷譜相對應分為4個階段，取一階段信號進行進一步分析。

圖10 AE全程采集波形(高溫試驗)

在此階段可以明顯看出，波形呈周期性變化，變化周期約為2.5 s，正好與軸承偏轉周期的一半相同，說明此階段產生的AE信號主要來源于軸承偏轉，但是從波形看出波導桿采集到的波形弱于直接用高溫傳感器采集到的波形。部分AE采集波形如圖11所示。

圖11 部分AE采集波形(高溫試驗)

取一部分時間內的波形，統計其平均幅值，通道1,6平均幅值分別為98.1,86.3 dB。通過比較幅值，發現兩者之差值為12 dB左右，信號衰減明顯。

頻譜13為從第一階段中挑取的有代表性的3種頻譜(見圖12)，通過比較發現，主頻出現在030 kHz之間，兩者主頻頻率幾乎相同。

圖12 有代表性的3種圖譜(高溫試驗)

4 結論

A3鋼波導桿優于GH4169波導桿。波導桿傳播AE信號受直徑的影響，在一定范圍內，直徑越大越有利于AE信號的傳播；波導桿傳播AE信號特性受長度影響，在一定范圍內，長度越短越有利于AE信號傳播；波導桿拐角對AE信號有衰減作用，使用時應盡量避免波導桿帶拐角。

通過高溫條件下的應用分析得出：① 波導桿可以用于高溫條件下材料的損傷檢測；② 波導桿對于AE信號傳播有明顯的衰減作用，對于AE信號較弱的損傷可能檢測不到；③ 波導桿會微調AE信號的頻帶分布;④ 波導桿應用于高溫AE檢測時，波導桿的選材很關鍵。