木材模擬聲發(fā)射源的產(chǎn)生與特性1)

王明華 鄧婷婷 方塞銀 李曉崧 賴菲 李明

(西南林業(yè)大學(xué)，云南，650224)

聲發(fā)射檢測(AET)技術(shù)作為一種具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性的無損檢測技術(shù)，能夠客觀評估材料的應(yīng)力水平、損傷程度。為研究聲發(fā)射(AE)信號(hào)在材料中的傳播特性，通常需要人為產(chǎn)生模擬AE源。針對金屬等各向同性材料，ASTM-E976標(biāo)準(zhǔn)制定了折斷鉛芯產(chǎn)生模擬AE源的具體方法，該方法被用于對碳素鋼[1]、鑄鐵平板[2]、鋁板[3-4]、鋼板[5-6]等金屬材料AE信號(hào)特征及其傳播規(guī)律的研究。

近年來，AET逐漸被推廣到木材損傷研究，由于缺乏專門的AE試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，目前主要參考ATSM-E976標(biāo)準(zhǔn)，通過折斷鉛芯的方式產(chǎn)生模擬AE源。根據(jù)該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法，鞠雙等[7-8]研究了膠合木順紋及橫紋的AE信號(hào)特征及傳播速度規(guī)律；Li et al.[9]、李揚(yáng)等[10]研究了含水率對于木材AE特性的影響；王宗煉等[11]、Li et al.[12]建立了金屬、木材表面斷裂源定位方法；趙小矛等[13]建立了AE信號(hào)在榫卯結(jié)構(gòu)中的能量衰減模型；Caprino et al.[14]結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出基于樣本虛擬訓(xùn)練的纖維板損傷源自主定位方法；Yanase et al.[15]模擬木材板中白蟻啃食活動(dòng)，驗(yàn)證了AET用于木材病蟲害檢測的有效性。

目前木材AET方面的研究普遍采用折斷鉛芯方式產(chǎn)生模擬AE源。但木材作為一種非均質(zhì)的多孔性材料，其損傷過程產(chǎn)生的AE信號(hào)與金屬等材料存在本質(zhì)差異。因此，采用折斷鉛芯的方式模擬AE源，存在是否合理及其適用范圍等疑問。本研究分別采用折斷鉛芯和薄木條的方式研究AE信號(hào)特征及其傳播速度，前者按照ATSM-E976標(biāo)準(zhǔn)模擬AE源，針對后者則專門設(shè)計(jì)一種木材斷裂試驗(yàn)，以模擬木材實(shí)際斷裂過程發(fā)出點(diǎn)源AE信號(hào)。采用小波分析方法，比較2種方式產(chǎn)生AE信號(hào)的頻率及傳播差異。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為紋理通直的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)和櫸木(Zelkovaschneideriana)實(shí)木鋸材。2種試材氣干狀態(tài)密度分別為0.42、0.63 g·cm-3，絕對含水率分別為11.1%、14.0%。按照順紋理方向制作4組尺寸均為580 mm×50 mm×15 mm的試件，分別記為T1～T4。T1、T2為樟子松試件，T3、T4為櫸木試件。T1、T3試件用于鉛芯折斷試驗(yàn)(圖1a)，T2、T4試件用于薄木條折斷產(chǎn)生模擬AE信號(hào)試驗(yàn)。為產(chǎn)生木材試件端面斷裂行為，在T2、T4試件的一端，利用曲線鋸加工出100 mm×10 mm×5 mm的薄木條，將薄木條和試件聯(lián)接處按5 mm寬度加工，以模擬木材發(fā)生點(diǎn)斷裂時(shí)產(chǎn)生的單一AE源。為了便于在T2、T4試件上施加沖擊力，在距離薄木條末端10 mm位置鉆出直徑為2 mm的通孔，T2、T4試件的結(jié)構(gòu)如圖1b所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

T1、T3試件采用折斷鉛芯的方式，在試件左端面100 mm位置產(chǎn)生模擬AE源。試驗(yàn)操作參照ASTM-E976標(biāo)準(zhǔn)，采用直徑為0.5 mm的鉛筆芯與試件表面呈30°角放置，在距離接觸點(diǎn)2.5 mm處折斷鉛芯，獲取事件表面固定位置的AE信號(hào)。試驗(yàn)中，傳感器S1置于距離試件左端面150 mm處，傳感器S2直線分布在與其間隔300 mm的順紋理方向試件表面(圖1a)。為充分降低空氣介質(zhì)的影響，在試件與傳感器之間填充高溫真空絕緣硅脂，并利用橡皮筋固定傳感器。

T2、T4試件利用砝碼自由落體產(chǎn)生的沖量折斷薄木條，在試件端面產(chǎn)生模擬AE源。將末端帶有500 g砝碼的無彈性釣魚線綁在薄木條末端通孔內(nèi)，將砝碼提升至與薄木條下表面接觸位置，保持每次自由落體高度200 mm的條件下，使砝碼自由落體折斷試件端面薄木條，即對薄木條施加1 N·s沖量(g=10 m·s-2)。試驗(yàn)中，傳感器S1置于距離試件左端面50 mm處，傳感器S2保持直線分布在與其間隔300 mm的試件表面(如圖1b所示)。在試件與傳感器之間填充高溫真空絕緣硅脂，并利用橡皮筋將傳感器固定在試件表面。

圖1 傳感器布置圖(數(shù)據(jù)單位為mm)

1.3 信號(hào)采集與處理方法

利用NI USB-6336高速采集卡和Lab VIEW軟件搭建的2通道AE信號(hào)采集平臺(tái)，各通道最大采樣頻率為2 MHz。所用傳感器為帶寬22～220 kHz的SR-150N單諧振AE傳感器。采用增益為40 dB的PAI前端放大器放大AE傳感器信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)AE信號(hào)的長距離傳輸。現(xiàn)有研究表明，木材的AE信號(hào)最大頻率約為200 kHz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，為不失真地恢復(fù)模擬信號(hào)，采樣頻率(fs)和信號(hào)最大頻率(fmax)之間應(yīng)滿足fs≥2fmax。試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)各通道采樣頻率設(shè)置為500 kHz，輸出電壓范圍設(shè)置為(-5 V,5 V)。

為有效降低噪聲信號(hào)的影響，本研究采用具有優(yōu)良去噪能力的小波分析方法，將經(jīng)濾波處理后的AE信號(hào)分解到不同頻段，根據(jù)分解后各層細(xì)節(jié)信號(hào)與濾波信號(hào)之間的相關(guān)性，重構(gòu)AE信號(hào)波形，為木材AE信號(hào)傳播特性研究提供更可靠的信號(hào)成分。在原始信號(hào)采集過程中，fs為500 kHz，信號(hào)分析頻率(fh)=fs/2=250 kHz。利用daubechies小波(db10)作為小波基函數(shù)進(jìn)行5層小波分解，各層的高頻細(xì)節(jié)信號(hào)頻段為125～250、62.5～125.0、31.25～62.50、15.625～31.250、7.812 5～15.625 0 kHz，覆蓋了AE傳感器的全部測量范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件表面的原始AE信號(hào)特征

2種模擬AE源產(chǎn)生的原始AE信號(hào)波形如圖2所示。圖中T1～T4表示對應(yīng)試件編號(hào)，S1、S2表示相應(yīng)的傳感器。圖2a、2c分別為樟子松、櫸木通過斷鉛試驗(yàn)采集的原始AE信號(hào)，圖2b、2d分別為折斷樟子松、櫸木端面薄木條時(shí)采集到的AE信號(hào)。

h1為木材斷裂初期；h2為木材斷裂階段。

鉛芯折斷產(chǎn)生單一突發(fā)型的AE信號(hào)，只出現(xiàn)1次強(qiáng)烈且顯著的AE現(xiàn)象(圖2a、2c)，信號(hào)衰減速度較快且能量較小。折斷試件端面薄木條產(chǎn)生的AE信號(hào)，按信號(hào)的波形差異可將信號(hào)劃分為變形AE信號(hào)和斷裂AE信號(hào)，2種信號(hào)分別表征了木材在斷裂初期(h1)的變形特性和斷裂階段(h2)的斷裂特性。在薄木條斷裂初期階段，材料主要以彈塑性形變?yōu)橹鳎静奈窗l(fā)生宏觀斷裂，其AE現(xiàn)象源于內(nèi)部木質(zhì)纖維之間的拉扯及部分纖維的微斷裂，AE信號(hào)表現(xiàn)為低幅值、低能量；薄木條斷裂階段，纖維之間的拉扯超過材料承受極限，木材開始發(fā)生宏觀斷裂，AE現(xiàn)象顯著，AE信號(hào)為高幅值、高能量。

2.2 樟子松試件表面的重構(gòu)AE信號(hào)特征

為進(jìn)一步研究折斷鉛芯、薄木條產(chǎn)生的AE信號(hào)頻域特征，先對原始AE信號(hào)進(jìn)行濾波，再利用db10小波進(jìn)行5層小波分解，并計(jì)算各層細(xì)節(jié)信號(hào)與濾波后AE信號(hào)的相關(guān)性系數(shù)，依據(jù)相關(guān)性重構(gòu)AE信號(hào)波形。

鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號(hào)頻率主要分布在中低頻段范圍，且傳播過程中頻率越高，衰減越明顯。傳感器S1檢測到的信號(hào)頻率分布在25～150 kHz頻帶內(nèi)，且具有多個(gè)頻段帶分布中心。其中25～65 kHz的信號(hào)成分比重大，具有31.3、42.7、59.5 kHz 3個(gè)低頻率分布中心；高頻信號(hào)主要分布在以108.7 kHz及124.9 kHz為中心的頻段內(nèi)，且信號(hào)比重小。高低頻帶信號(hào)成分比重差異說明樟子松的疏松多孔構(gòu)造對應(yīng)力波具有顯著的低通特性，其對高頻信號(hào)成分的阻礙作用較大。木材是一種具有黏彈特性的生物復(fù)合材料，應(yīng)力波在黏彈性體中傳播時(shí)，頻率會(huì)發(fā)生衰減，且頻率越大，衰減越快[16]。所以傳感器S2檢測到的信號(hào)中，高頻信號(hào)成分衰減消失，主要信號(hào)分布在以28.5 kHz為頻率中心的1個(gè)低頻窄帶范圍內(nèi)。

折斷T2試件端面薄木條產(chǎn)生的AE信號(hào)，在斷裂初期(h1)，木材主要發(fā)生纖維拉扯、微觀斷裂。傳感器S1檢測到的信號(hào)成分落在23～62 kHz的1個(gè)中低頻段，出現(xiàn)23.8、38.8、58.8 kHz 3個(gè)相對分散的局部峰值信號(hào)。傳播至傳感器S2位置時(shí)，受到木材黏滯特性影響，信號(hào)中相對高頻的成分迅速衰減，最終信號(hào)落在以26.9 kHz為頻率中心的窄帶內(nèi)。在斷裂階段(h2)，木材開始發(fā)生宏觀斷裂，纖維之間相互拉扯至“崩斷”的情況大量存在，使得高頻信號(hào)成分被激發(fā)。斷裂階段信號(hào)頻譜分布比斷裂初期更復(fù)雜。傳感器S1檢測到的信號(hào)成分大致落在24～150 kHz，信號(hào)分布與鉛芯折斷產(chǎn)生的信號(hào)頻段分布較為相似，均出現(xiàn)中低頻信號(hào)所占比重大，而高頻信號(hào)成分比重小的現(xiàn)象。傳播至傳感器S2時(shí)，中高頻信號(hào)成分嚴(yán)重衰減，最終頻率成分落在以26.1 kHz為分布中心的窄帶內(nèi)。

根據(jù)圖3、圖4可知，折斷樟子松端面薄木條產(chǎn)生的AE信號(hào)，是一種源于被檢測對象自身的隨機(jī)信號(hào)，能夠從更微觀的角度反映木材在載荷作用下的AE特性。而鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號(hào)，其信號(hào)成分與樟子松端面薄木條在斷裂階段的信號(hào)情況具有較高的相似性，均為24～150 kHz寬帶分布，且以中低頻信號(hào)為主。從信號(hào)成分上看，鉛芯折斷產(chǎn)生的模擬AE源在一定程度表征樟子松在斷裂階段的AE特性，對木材的損傷檢測研究仍有值得借鑒的地方。

圖3 T1試件重構(gòu)AE信號(hào)

圖4 T2試件重構(gòu)AE信號(hào)

2.3 櫸木試件表面的重構(gòu)AE信號(hào)特征

利用小波分解并重構(gòu)櫸木試件中的AE信號(hào)，折斷鉛芯、薄木條產(chǎn)生的AE信號(hào)經(jīng)重構(gòu)后的具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 T3試件重構(gòu)AE信號(hào)

圖6 T4試件重構(gòu)AE信號(hào)

櫸木試件鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號(hào)，主要成分的分布與樟子松相似，主要出現(xiàn)在中低頻段內(nèi)，高頻信號(hào)成分比重小。傳感器S1檢測到的信號(hào)出現(xiàn)在25～150 kHz頻段，低頻信號(hào)分布在25～70 kHz，且信號(hào)比重大；高頻則分布在100～150 kHz，以108.3 kHz為分布中心的信號(hào)為主要高頻成分。AE信號(hào)傳播至傳感器S2時(shí)，高頻信號(hào)衰減明顯，最終信號(hào)分布在30～60 kHz的低頻段，具有35.9、42.7 kHz等多個(gè)分布中心。

折斷櫸木端面薄木條時(shí)，在斷裂初期階段(h1)，木質(zhì)纖維相互拉扯導(dǎo)致木材微斷裂，產(chǎn)生的AE信號(hào)成分復(fù)雜。傳感器S1檢測到的信號(hào)為25～150 kHz寬帶分布，低頻信號(hào)比重大，主要出現(xiàn)在25～60 kHz內(nèi)，且具有多個(gè)頻率分布中心；高頻信號(hào)分布在以111.7 kHz為分布中心的寬頻帶內(nèi)。AE信號(hào)傳播至傳感器S2時(shí)，高頻信號(hào)迅速衰減，最終主要信號(hào)為分布在25～50 kHz內(nèi)的低頻信號(hào)。在斷裂階段(h2)，載荷作用導(dǎo)致大量木質(zhì)纖維被拉斷。在傳感器S1處，信號(hào)頻域特性與斷裂初期相似，為30～130 kHz寬帶分布且以低頻信號(hào)為主，峰值信號(hào)為49.9 kHz。AE信號(hào)傳播至傳感器S2處，高頻信號(hào)成分顯著增加，峰值信號(hào)變?yōu)?03.8 kHz，低頻信號(hào)分布在以46.5 kHz為中心的頻段。

在櫸木試件中，鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號(hào)頻域特性與櫸木端面薄木條在斷裂初期的信號(hào)特性具有較高的相似性(圖5、圖6)，表明就頻域信號(hào)特征而言，利用鉛芯折斷產(chǎn)生模擬AE源研究櫸木在斷裂初期階段的損傷特征是可行的。而在斷裂階段，鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號(hào)與櫸木在此階段產(chǎn)生的信號(hào)具有較大的差異，無法有效表征櫸木斷裂階段的AE信號(hào)特征。

2.4 試件表面AE信號(hào)的傳播速率

為進(jìn)一步研究2種AE源產(chǎn)生的AE信號(hào)在試件中的傳播速率，利用根據(jù)信號(hào)相關(guān)性分析的兩點(diǎn)時(shí)差法，計(jì)算AE信號(hào)的傳播速率。隨機(jī)信號(hào)x(t)、y(t)，2個(gè)信號(hào)間的互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)：

式中：τ為信號(hào)在時(shí)間軸上的平移單位，T為信號(hào)長度，dt為對t進(jìn)行積分運(yùn)算。在Rxy(τ)中，若τ=τ0，|Rxy(τ)|取得最大值，表示隨機(jī)信號(hào)y(t)在時(shí)間軸上平移τ0個(gè)單位之后，與隨機(jī)信號(hào)x(t)的相似度達(dá)到最高水平。試驗(yàn)中傳感器S1、S2以300 mm定距(Δs)直線分布，利用相關(guān)性分析處理重構(gòu)AE信號(hào)得到的τ0即為AE信號(hào)傳播至2個(gè)傳感器的時(shí)間差(Δt)，AE信號(hào)沿試件順紋理方向的傳播速度v=Δs/Δt。為最大程度減小試驗(yàn)誤差，分別在試件上進(jìn)行10次獨(dú)立試驗(yàn)，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 AE信號(hào)在樟子松試件表面?zhèn)鞑ニ俾?/p>

表2 AE信號(hào)在櫸木試件表面?zhèn)鞑ニ俾?/p>

在樟子松試件中，折鉛產(chǎn)生的AE信號(hào)沿順紋理方向的平均傳播速度為760.9 m·s-1。利用折斷試件端面薄木條產(chǎn)生的AE信號(hào)傳播速率與斷裂機(jī)制有關(guān)，斷裂初期AE信號(hào)的平均傳播速度為786.5 m·s-1；斷裂階段AE信號(hào)的平均傳播速度為1 085.1 m·s-1。在櫸木試件中，折鉛產(chǎn)生的AE信號(hào)沿順紋理方向的平均傳播速度為1 120.5 m·s-1。折斷試件端面薄木條產(chǎn)生的AE信號(hào)，斷裂初期AE信號(hào)的平均傳播速度為1 145.2 m·s-1；斷裂階段AE信號(hào)的平均傳播速度為1 557.6 m·s-1。根據(jù)表1、表2可知，2種木材中，鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號(hào)的傳播速率與折斷木材端面薄木條發(fā)生彈塑性變形時(shí)的傳播速率無顯著區(qū)別，但比木材在斷裂階段的傳播速率小，這種差異與AE源產(chǎn)生的信號(hào)能量有關(guān)。鉛芯折斷時(shí)產(chǎn)生的AE信號(hào)是一種典型的單次隨機(jī)信號(hào)，產(chǎn)生的能量有限，與木材在斷裂初期階段纖維之間拉扯引起的AE現(xiàn)象較為相似。在該階段，薄木條發(fā)生彈塑性變形，從而導(dǎo)致了多次的AE現(xiàn)象，但纖維之間并未完全斷裂，每次產(chǎn)生的能量較小，AE信號(hào)的群組能量總和也較為有限，所以鉛芯折斷方式產(chǎn)生的AE信號(hào)傳播速率與薄木條發(fā)生彈塑性變形時(shí)的信號(hào)傳播速率無明顯差異。木材發(fā)生宏觀斷裂時(shí)，伴隨有多次高能量的AE現(xiàn)象，AE信號(hào)群組獲得的能量比斷裂初期更大，應(yīng)力波群組傳播速率大。這說明，相比木材斷裂初期內(nèi)的AE信號(hào)，斷裂階段產(chǎn)生的AE信號(hào)更具遠(yuǎn)距離傳播的能力。

3 結(jié)論

本研究針對木材斷裂損傷過程中的AE特性，分別利用折斷鉛芯和折斷薄木條產(chǎn)生模擬AE源，并深入分析該AE源產(chǎn)生的信號(hào)沿樟子松、櫸木鋸材順紋理方向傳播時(shí)的時(shí)頻特性、傳播速率。

折斷鉛芯產(chǎn)生的AE信號(hào)，在頻率組成、特征分布范圍與樟子松、櫸木在特定損傷階段產(chǎn)生的AE信號(hào)基本保持一致，無顯著區(qū)別。說明ASTM標(biāo)準(zhǔn)中折斷鉛芯產(chǎn)生模擬AE源的方式可用于木材AE特征研究。

鉛芯折斷、薄木條斷裂初期產(chǎn)生的AE信號(hào)，應(yīng)力波群組能量有限，AE信號(hào)的傳播速率較小。樟子松試件使用這2種試驗(yàn)方法時(shí)，AE信號(hào)傳播速率分別為760.9、786.5 m·s-1；櫸木試件中則分別為1 120.5、1 145.2 m·s-1。薄木條斷裂階段，應(yīng)力波群組獲得的能量多，AE信號(hào)傳播速率大，該階段AE信號(hào)在樟子松、櫸木中平均傳播速率分別為1 085.1、1 557.6 m·s-1。初步研究表明，在研究AE信號(hào)傳播速率時(shí)，本文提出的折斷薄木條試驗(yàn)方法更為客觀。

研究表明，折斷樟子松、櫸木試件端面薄木條產(chǎn)生的AE源能夠從更為微觀的角度真實(shí)體現(xiàn)木材在損傷斷裂過程中的AE特性；鉛芯折斷產(chǎn)生的模擬AE源能在一定程度上表征木材在損傷過程中的AE特性。對于材料的AE特性研究仍有值得借鑒的地方。

本文利用質(zhì)量固定的砝碼產(chǎn)生的沖量來折斷木材端面薄木條，沖量大小對于信號(hào)特性是否有影響仍需考證，今后可進(jìn)一步探究沖量對AE特性的影響。