基于線性震源定位算法的聲發(fā)射損傷定位技術(shù)

張程杰,郭 濤，梁 穎,暢彥祥

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

飛機結(jié)構(gòu)或石油儲罐罐底等特殊設(shè)備損傷位置的精準(zhǔn)定位對無損檢測十分重要。如何獲取完整的損傷萌生、擴展和疲勞損傷定位信息是當(dāng)前面臨的難題。通過聲發(fā)射技術(shù)(AE)識別這3個階段，AE技術(shù)在尋找這些結(jié)構(gòu)損傷位置或損傷源方面發(fā)揮著重要作用[1-4]，其中AE的主要目標(biāo)往往是損傷萌生的震源位置。

AE是指在外力或內(nèi)力的作用下，材料發(fā)生機械變形，微裂紋的萌生和擴展、位錯運動或類似的不可逆變化，導(dǎo)致彈性能的突然釋放而引起瞬態(tài)應(yīng)力波傳播。聲發(fā)射傳感器用于檢測材料表面聲發(fā)射事件產(chǎn)生的聲波。AE信號的輸出具有表征屬性的特點，其在無損檢測中起著重要作用。

震源定位是聲發(fā)射工程應(yīng)用中的強大工具。在實驗室和工業(yè)測試中，聲發(fā)射源定位算法使用廣泛。聲發(fā)射震源線性定位是一種較為準(zhǔn)確但又復(fù)雜的定位方式，其定位精度易受波速、衰減和波形等多參量的影響[5]。在實驗室進行震源定位試驗，以確定震源特征，同時結(jié)合聲發(fā)射特征值，確定損傷的來源。

文章的目的是闡明08AL鋁制小板疲勞損傷的聲發(fā)射技術(shù)的線性震源定位特性。在彈性波的理論探討中一般會基于彈性波能夠在線性彈性介質(zhì)中發(fā)生無畸變傳播的假設(shè)，但實際上聲發(fā)射波在傳播過程中總是發(fā)生散射和衰減，這在研究聲發(fā)射信號時必須考慮[6]。由于08AL鋁制小板屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，聲發(fā)射波在該材料內(nèi)部傳播過程中存在散射和異常現(xiàn)象，為了更接近實際情況，采用兩個試驗來驗證聲發(fā)射源定位算法。

1 線性源定位算法

聲發(fā)射結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要優(yōu)點是能夠定位損傷源。基于聲發(fā)射的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)可以實時定位損傷源，而基于振動或超聲等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)則是在損傷發(fā)生后才進行檢測的，所以聲發(fā)射技術(shù)在健康監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

線性震源定位有多種方法，該研究過程應(yīng)用了時差法(TD)。線性震源定位技術(shù)的建模如圖1所示，其中聲發(fā)射源由S0表示。同理，S1,S2分別為AE傳感器1，傳感器2；t1,t2分別為聲發(fā)射源傳播到傳感器1和傳感器2的時間。

圖1 線性震源定位技術(shù)的建模

l,l1,l0分別為兩個傳感器S1和S2之間的距離，聲發(fā)射源到傳感器1的軸向距離和聲發(fā)射源到兩個傳感器中點的軸向距離。TD算法的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

(1)

(2)

式中：Δt為聲波到達傳感器1和傳感器2的時間差;v為測得的聲發(fā)射波速，可用式(3)表示。

v=d/t

(3)

式中:d,t分別為聲發(fā)射波的傳播距離和傳播時間。

2 試驗方法

為了對08AL鋁制小板聲發(fā)射源定位技術(shù)進行表征，進行了兩種主要類型的試驗。一種是鉛芯斷裂試驗，另一種是疲勞載荷下的實驗室試驗，確定了聲發(fā)射開裂源。在進行聲源定位計算之前，還通過試驗確定了聲發(fā)射波在08AL鋁制小板中的傳播速度。

2.1 聲發(fā)射波速測量

采用與斷鉛試驗/疲勞試驗相同厚度的08AL鋁制小板進行聲發(fā)射波速試驗。傳感器的位置和斷鉛的位置如圖2所示，傳感器S1,S2和前置放大器的參數(shù)如表1 所示，AE源是直徑為0.5 mm的HB鉛芯，鉛芯伸長量為2.5 mm，斷鉛時保證鉛芯與試件表面夾角為30°，斷鉛試驗操作示意如圖3所示。通過聲發(fā)射波速試驗計算出傳感器1到傳感器2的聲發(fā)射波傳播時間t。斷鉛試驗示意如圖3所示。通過聲發(fā)射波速試驗計算出傳感器1到傳感器2的聲發(fā)射波傳播時間t，測速試驗裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

表1 聲發(fā)射傳感器和前置放大器參數(shù)

圖2 傳感器位置(S1, S2)和斷鉛點(S0)位置示意

圖3 斷鉛試驗操作示意

圖4 聲發(fā)射波速測量試驗裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.2 斷鉛試驗

斷鉛試驗是在無噪聲環(huán)境下對同一試樣進行的疲勞試驗。斷鉛試驗的結(jié)果也被用于校準(zhǔn)疲勞試驗中使用的源定位技術(shù)。

斷鉛試驗和實驗室疲勞試驗所用的08AL鋁塊試樣尺寸如圖5所示。試樣材料化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)如表2所示。08AL鋁制小板的力學(xué)性能如表3所示。08AL鋁制小板尺寸按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010 《金屬材料 金屬拉伸》加工并進行熱處理，使硬鐵碳化物組織轉(zhuǎn)變?yōu)榭慑懟w，基體中含有一定量的復(fù)合碳，熱處理后具有更高的強度和硬度。在試件中間切割一個中心孔，以使裂紋通過該孔并向表面擴展。左右兩端其他孔用于連接疲勞加載機器。對試件進行鏡面拋光，以觀察裂紋擴展情況，且通過電子顯微鏡進行微觀結(jié)構(gòu)分析。在疲勞載荷下，裂紋的擴展一般從中心圓孔的周邊開始。所有傳感器與前置放大器、主放大器、數(shù)據(jù)采集裝置連接，最后將結(jié)果保存到計算機上。

圖5 08AL鋁塊試樣尺寸示意

表2 試樣材料的化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù) %

表3 08AL鋁制小板的力學(xué)性能

2.3 疲勞試驗

通過疲勞加載機對試樣施加疲勞載荷，使其產(chǎn)生足夠的裂紋，并持續(xù)到裂紋斷裂。4個AE傳感器(S1,S2,S3和S4)連接到試樣上。在傳感器和試樣之間涂抹耦合劑，以避免信號泄漏和減少信號反射。每個傳感器均連接前置放大器，再連接到4通道主AE放大器上，經(jīng)高通濾波以及低通濾波后，進一步分析聲發(fā)射信號。試驗裝置原理如圖6所示。在圖6中，疲勞加載部位用虛線表示。疲勞加載機的控制器連接在系統(tǒng)上，用于控制疲勞載荷、加載周期和機器的電源開關(guān)。疲勞試驗中聲發(fā)射傳感系統(tǒng)的連接方式與斷鉛試驗的相同。

圖6 疲勞試驗裝置原理示意

聲發(fā)射試驗中，前置放大器的增益設(shè)置為40 dB，主放大器增益設(shè)為0。采樣頻率選擇為1 MHz，為了避免噪聲，斷鉛試驗中的試樣安裝在吸聲材料上。在疲勞試驗中，為了避免噪聲，將軟件中的觸發(fā)聲發(fā)射門檻值設(shè)置為45 dB，信號采樣率為1 Mbit·s-1。

3 試驗結(jié)果與討論

利用線性震源定位技術(shù)對08AL鋁制小板的結(jié)構(gòu)損傷定位進行了研究,并試驗驗證了該算法的有效性。

3.1 斷鉛試驗結(jié)果

根據(jù)上述試驗，斷鉛試驗的線性震源定位參數(shù)如表4所示。聲發(fā)射波信息的精確提取是實現(xiàn)聲發(fā)射源定位的前提條件[7]。

表4 斷鉛試驗的線性震源定位參數(shù)

3.2 疲勞試驗結(jié)果

疲勞試驗的線性震源定位參數(shù)如表5所示。傳感器、放大器的設(shè)置及試驗的其他準(zhǔn)備工作是基于斷鉛試驗開展的。

表5 疲勞試驗的線性震源定位參數(shù)

斷鉛試驗和疲勞試驗中聲發(fā)射震源定位結(jié)果的比較如圖7所示(圖中CH1CH4通道分別對應(yīng)連接14號傳感器)。2號傳感器的數(shù)據(jù)有一些異常，分析認為這是因為其靠近損傷部位接收到了較高的聲發(fā)射能量反射造成的。與疲勞試驗相比，斷鉛試驗中2號傳感器的反射波相對較少。在這種情況下，由于在斷鉛試驗中破壞強度也較小，因此2號傳感器中獲得較多聲發(fā)射能量的原因可以不考慮。此外，在斷鉛試驗中，鉛芯斷裂的方向也會影響檢測結(jié)果。

圖7 斷鉛試驗和疲勞試驗中聲發(fā)射震源定位結(jié)果的比較

3.3 聲發(fā)射參數(shù)結(jié)果比較

斷鉛試驗中4個傳感器的幅值特征曲線如圖8所示。結(jié)果表明，傳感器2和傳感器3的峰值振幅高于傳感器1和4的，這是因為傳感器2和3比傳感器1和4(遠場激發(fā))更靠近裂紋，能接收到更多的聲發(fā)射能量(近場激發(fā))。在疲勞試驗中也觀察到同樣的結(jié)果。

圖8 斷鉛試驗中4個傳感器的幅值特征曲線

4個傳感器斷鉛試驗和疲勞試驗聲發(fā)射能量的比較如圖9所示。從圖9可以看出，疲勞試驗接收到的聲發(fā)射能量高于斷鉛試驗的。4號傳感器與2號或3號傳感器相比，離聲源點較遠，接收的能量相對更少，AE源的位置靠近傳感器2或3，從震源位置來看，和上面所討論的情況特征也高度吻合。

圖9 4個傳感器斷鉛試驗與疲勞試驗聲發(fā)射能量的比較

4 結(jié)語

比較了斷鉛試驗和疲勞試驗，表明聲發(fā)射線性震源定位算法可以清晰有效地定位識別出結(jié)構(gòu)損傷源,且傳感器離裂紋越近，接收到的能量就越強。通過分析可知，為了避免聲發(fā)射源定位技術(shù)中的噪聲過大，需要進一步改進疲勞加載機的試樣附著力，減少試驗噪聲，在實際應(yīng)用中，要盡可能地降噪,得到的信號才更接近損傷發(fā)展的真實狀況。