基于聲子晶體的聲發(fā)射波源檢測概率研究

李紅豫, 曾祥興, 張 璐

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004)

聲發(fā)射是材料或結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下,產(chǎn)生變形或斷裂時,以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象;利用專業(yè)儀器可以采集并分析信號來評價材料或結(jié)構(gòu)的損傷程度[1-2],聲發(fā)射技術(shù)的核心優(yōu)勢在于可以通過采集和分析聲發(fā)射信號來實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測[3-4]、損傷評估和精準(zhǔn)定位等。聲發(fā)射技術(shù)是一種動態(tài)量測方法,探測到的聲發(fā)射能量直接來自被測物體的損傷及材料特性改變,可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外部變量變化而變化的連續(xù)實(shí)時信息,因此,聲發(fā)射技術(shù)能直接反映和評價結(jié)構(gòu)或材料中的缺陷狀態(tài)及損傷演化情況。該技術(shù)受構(gòu)件的幾何形狀響應(yīng)小,幾乎可用于任何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。但是聲發(fā)射技術(shù)也有很大的局限性[5],如聲發(fā)射能量衰減,檢測區(qū)域有限,易受環(huán)境噪聲影響和信號源未知而引起的數(shù)據(jù)分析復(fù)雜等,這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約著聲發(fā)射技術(shù)的廣泛應(yīng)用,其中聲發(fā)射信號是直接反映聲發(fā)射源的行為,而這種聲發(fā)射源的不確定性直接影響了聲發(fā)射檢測的可靠性。而在聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用和研究階段,其檢測可靠性往往會被忽視,從而嚴(yán)重影響聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)的有效性。

聲發(fā)射技術(shù)通過接收聲發(fā)射源的信號來研究材料的損傷狀態(tài),相較于其它的檢測方法,聲發(fā)射技術(shù)對缺陷具有更高的靈敏度,能夠檢測到零點(diǎn)幾毫米下的裂縫擴(kuò)展。以往關(guān)于聲發(fā)射源研究主要在聲發(fā)射源的定位上[6-9],對識別聲發(fā)射源的研究較少,這使得聲發(fā)射源嚴(yán)重影響了聲發(fā)射的檢測可靠性。檢測可靠性一般用檢測概率(probability of detection,POD)來評估,傳統(tǒng)定義的檢測概率是根據(jù)直接測量統(tǒng)計(jì)確定的,利用一系列包含缺陷的樣品,在實(shí)際條件下進(jìn)行檢測,通過分析采集數(shù)據(jù)計(jì)算缺陷率的方式以評估檢測概率。由于傳統(tǒng)方法所花費(fèi)的時間和費(fèi)用較高,后來的研究更多開始向著通過建立模型輔助評價檢測概率的研究方向發(fā)展。考慮到檢測概率是評價檢測是否可靠的量化依據(jù),檢測概率成為無損檢測領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。其中,在超聲波領(lǐng)域中普遍出現(xiàn)了關(guān)于模型輔助檢測概率方法的研究,以及使用模型輔助開發(fā)檢測概率曲線的健康監(jiān)測的研究[10-11]。Ogilvy[12]用超聲波檢測研究了一種預(yù)測平面缺陷的理論檢測概率的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)缺陷信號超過指定閾值的可能性,得出檢測能力,該模型還可以研究缺陷參數(shù)的不確定性的影響,如方向、尺寸、粗糙度或在試樣中的位置,然后通過計(jì)算它們的分布就可以確定最低可能的檢測概率。Subair等[13]使用有限元仿真對不銹鋼板中表面斷裂縱向凹口進(jìn)行超聲脈沖回波檢測,預(yù)測出不銹鋼板和焊縫超聲檢測的檢測概率曲線,確定了影響實(shí)際超聲檢測不確定性的主要參數(shù)(頻率、楔角、缺陷尺寸等)并實(shí)現(xiàn)組合。Guan等[14]分別使用統(tǒng)計(jì)參數(shù)識別和模型輔助檢測概率對與疲勞模型參數(shù)和缺陷尺寸相關(guān)的不確定性進(jìn)行了量化,系統(tǒng)地分析了不確定變量的總體影響并通過對不確定變量的管理和減少相結(jié)合,降低評估風(fēng)險。在聲吶技術(shù)領(lǐng)域,夏志軍等[15]建立了主、被動聲吶檢測模型,通過仿真分析了躍變層深度、聲速差對聲吶檢測概率的影響。高飛等[16]建立被動聲吶探測概率模型,利用聲學(xué)實(shí)測數(shù)據(jù),綜合考慮傳播損失、環(huán)境噪聲、水文環(huán)境分布及季節(jié)變化,研究溫躍層垂直分布及季節(jié)變化對聲吶檢測概率的影響。Guo等[17]基于接收機(jī)工作特性曲線、傳播特性曲線和無源聲吶方程,構(gòu)建了探測概率與無源聲吶探測范圍之間的關(guān)系。在雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域,檢測概率模型的建立探索[18-19]和其對應(yīng)的影響參數(shù)的確定[20-21]都是量化檢測概率的重要研究內(nèi)容。

但是,以上的檢測概率研究針對的都是主動技術(shù),如超聲波、雷達(dá)和聲吶技術(shù),主動技術(shù)的波源函數(shù)和波源本身位置是已知確定的,大大降低了波傳遞的理論分析難度,因此主動技術(shù)中檢測概率的確定較為簡單。而聲發(fā)射作為一種被動方法,波源函數(shù)和具體位置是未知的,且蘊(yùn)含的大量的損傷信息,是聲發(fā)射檢測中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。以往關(guān)于聲發(fā)射檢測概率的問題并沒有引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,為了解決聲發(fā)射檢測概率計(jì)算問題,韓暉等研究出一定長度下疲勞裂縫的檢測概率及結(jié)構(gòu)起裂時對應(yīng)聲發(fā)射的閾值及其對損傷判斷的影響,為減少金屬疲勞損傷信號誤判,提高檢測效率提供支持[22]。Pollock[23]開發(fā)了一個利用聲發(fā)射檢測缺陷概率的模型,并測試了初始裂縫、衰減、信號源位置等參數(shù)對聲發(fā)射檢測概率的影響,為聲發(fā)射與其他無損檢測方法的更好整合開辟道路。Sause等[24]以衰減的試驗(yàn)測量為基礎(chǔ),用兩種不同的方法演示了在信號傳播距離上可檢測信號的演算,研究了衰減效應(yīng)與聲發(fā)射檢測概率的關(guān)系。上述關(guān)于聲發(fā)射的檢測概率研究中,大部分學(xué)者的研究重點(diǎn)普遍在材料和傳播路徑上,針對聲發(fā)射信號源的檢測概率研究較少,而聲發(fā)射波源特性又直接影響著聲發(fā)射信號特性,對于檢測可靠性有著直接的影響。為了解決聲發(fā)射波源的檢測概率問題,本文基于聲子晶體的濾噪原理,提出一種評估聲發(fā)射波源檢測概率的方法。

超材料濾波的概念是在19世紀(jì)初為了有效控制電磁波而產(chǎn)生,最早應(yīng)用于研發(fā)微波雷達(dá)吸收器(microwave radar absorbers)上;聲子晶體是由彈性固體周期排列在另一種固體或流體介質(zhì)中形成的一種新型功能材料,針對彈性波的傳遞問題,通過改變周期性布置和材料組合而實(shí)現(xiàn)帶隙或者信號放大的作用[25]。其中,為了濾除聲發(fā)射噪聲,可以利用聲子晶體的帶隙進(jìn)行物理降噪,不同于傳統(tǒng)的電子濾波器,物理濾波具有更加高效的濾噪能力,基于聲子晶體具有的帶隙特性,使得它在降噪和聲學(xué)器件等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。

本文針對聲發(fā)射波源的檢測概率,提出了一種基于聲子晶體濾噪的方式,識別裂縫擴(kuò)展引發(fā)的真實(shí)聲發(fā)射信號,從而直接計(jì)算評估聲發(fā)射波源的檢測概率。利用緊湊拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的有效性,通過對比常規(guī)鋁合金試件(plain plate)和植入聲子晶體的植晶鋁合金試件(stubbed plate)的聲發(fā)射活動,利用傳統(tǒng)的檢測概率計(jì)算方式,即真實(shí)信號與總信號數(shù)的比值來評價聲發(fā)射波源檢測概率。文章也開展了參數(shù)研究,分析了裂縫長度、閾值、頻率等變化對檢測概率的影響。

1 基于聲子晶體的物理帶隙設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)和部署聲子晶體形成“帶隙濾波器”,從而在聲發(fā)射傳感器和可能的噪音源之間形成一個“屏障”,用于阻隔噪音或者其他非裂縫擴(kuò)展所引起的信號,進(jìn)而使聲發(fā)射傳感器僅僅采集真實(shí)的裂縫信號。通過查閱文獻(xiàn)可知,在鋁合金材質(zhì)中,裂縫擴(kuò)展過程中所伴隨產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的頻率范圍一般在100～200 kHz,其峰值頻率通常在150 kHz左右,如果可以通過設(shè)計(jì)聲子晶體形成150 kHz左右的帶隙,即可以阻隔由于試件夾具處摩擦而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,使得傳感器僅接收到由于裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生的絕大多數(shù)真實(shí)聲發(fā)射信號。本文的聲子晶體設(shè)計(jì)是通過調(diào)整部署于試件表面的圓柱體金屬的參數(shù)(突起的直徑、間距和高度)來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)計(jì)算過程在多物理場耦合有限元軟件COMSOL5.5中進(jìn)行,通過參數(shù)分析(金屬圓柱體直徑、高度和間距)來調(diào)整頻散曲線,直至形成150 kHz帶隙為止,最終形成聲子晶體的最終設(shè)計(jì)(晶胞結(jié)構(gòu))。晶胞結(jié)構(gòu)包含圓柱體突起及與之相接觸的底板,如圖1所示,基于布洛赫波理論(Bloch theorem)的晶格周期性邊界條件應(yīng)用于晶胞的四個邊。開展特征頻率分析,即利用掃掠波數(shù)(k)找到在不同波數(shù)k下結(jié)構(gòu)的特征模式的波矢值,其中波數(shù)的掃掠范圍為波矢在x和y方向的最高對稱點(diǎn)數(shù),即晶胞中的Γ、Χ、Μ。為了形成在150 kHz附近的帶隙,圓柱體突起的尺寸將根據(jù)該頻率進(jìn)行調(diào)整,基板厚度hp為常數(shù)3.175 mm,通過不斷調(diào)整a,hs及d的尺寸來分析試算,最終確定構(gòu)成晶胞的金屬圓柱體直徑d為7.2 mm,突起高度hs為9 mm,晶胞尺寸a為9 mm,及圓柱突起的間距(圓柱中心之間的距離)為9 mm。對應(yīng)的頻散曲線及晶胞構(gòu)造如圖2所示,通過頻散曲線明顯可以看出在150 kHz頻率附近形成了約為40 kHz帶寬的帶隙。

a為晶胞尺寸;d為金屬突起直徑;hs為金屬突起高度;hp為基板厚度。圖1 晶胞模型及其對應(yīng)的第一不可約布里淵區(qū)Fig.1 The cell model and its corresponding first irreducible Brillouin zone (IBZ)

圖2 本文設(shè)計(jì)的聲子晶體的頻散曲線及其對應(yīng)的帶隙區(qū)域Fig.2 The dispersion curve of designed phononic crystals and the corresponding band gap

為了進(jìn)一步驗(yàn)證帶隙的有效性,進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)中采用固定頻率150 kHz猝發(fā)音超聲波作為已知波源進(jìn)行激勵,采用透射模式(through transmission mode),試驗(yàn)樣品采用與緊湊拉伸試驗(yàn)同樣材質(zhì)的鋁合金基板,板上部分位置布置設(shè)計(jì)好的聲子晶體,試驗(yàn)設(shè)置如圖3所示。其中,兩次試驗(yàn)保持了激發(fā)和接收傳感器間距的一致,唯一的變量為是否布置聲子晶體。試驗(yàn)結(jié)果表明,在同樣的激勵信號下,未布置聲子晶體的一方所接收到的聲波信號具有較高的振幅,如圖4(a)所示。在布置了聲子晶體的一方,超聲波傳感器所接收到的信號強(qiáng)度明顯降低,如圖4(b)所示。為了進(jìn)一步分析比較,截取圖中的窗口信號,窗口大小的選擇主要是為了盡可能的消除由于試件較小而引起的反射信號所帶來的影響,使所分析的波形信號純粹簡單,且盡可能的只包含首波的信息,對所選取的窗口信號并進(jìn)行快速傅里葉變換,結(jié)果如圖4(c)所示,明顯可以看出兩者在150 kHz處的峰值頻率所對應(yīng)的幅值存在差異,未設(shè)置聲子晶體的信號強(qiáng)度是設(shè)置的17倍左右,更進(jìn)一步證明了聲子晶體帶隙的有效性。

(a) 具有帶隙PC

(b) 無帶隙PC圖3 聲子晶體帶隙驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.3 Test setup for evaluating the performance of phononic crystal band gap

(a) 原始回波信號

(b) 帶隙濾波后的信號

(c) 頻域中的幅值圖圖4 聲子晶體帶隙效果圖Fig.4 The performance of the band gap formed up by the phononic crystals

2 緊湊拉伸試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)概況

對本文所設(shè)計(jì)的聲子晶體結(jié)合緊湊拉伸試驗(yàn)來量化聲發(fā)射檢測中的檢測概率。首先進(jìn)行緊湊拉伸試驗(yàn)的試件設(shè)計(jì)和制作,參考ASTM E647—2000規(guī)范[26],試件具體的尺寸細(xì)節(jié)如圖5(a)所示,材料采用鋁合金7075-T6,厚度為3.175 mm,另外在缺口兩端距離19.3 mm處設(shè)有直徑為8 mm的圓形缺口作為夾具錨固點(diǎn)。同樣的試件制作2塊,其中一塊設(shè)置聲子晶體,構(gòu)成聲子晶體鋁合金板試件(stubbed plate, SP),而另外一塊為常規(guī)鋁合金板試件(plain plate, PP),試驗(yàn)試件如圖6所示。

(a) 試件尺寸詳圖

(b) 傳感器及加載方式

(a) 試件PP

(b) 試件SP圖6 試驗(yàn)試件和噪音信號傳播圖Fig.6 Test specimen and noise signal propagation diagram

緊湊拉伸試驗(yàn)在Instron 8500加載機(jī)上進(jìn)行。其中,加載夾具固定于鋁板缺口兩端的圓形缺口處,考慮到布置聲子晶體及對照試驗(yàn)的一致性,將傳感器布置于板中靠左端距離試件切口尖端40 mm處,如圖5(b)所示。緊湊拉伸試驗(yàn)利用加載夾具對鋁合金板特定位置進(jìn)行固定,應(yīng)用拉力-拉力(tension-tension)的加載模式(最大和最小拉力分別為1 500 N和200 N)施加循環(huán)速率為2 Hz的正弦應(yīng)力負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)加載制度如圖5(c)所示。聲發(fā)射數(shù)據(jù)采用美國物理聲學(xué)公司的Sensor Highway III信號采集器配合R15傳感器(諧振頻率150 kHz)進(jìn)行采集,傳感器采用強(qiáng)力膠作為耦合劑。此外其他的聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)置為采集閾值40 dB,將低通濾波器和高通濾波器所有通道的頻率分別設(shè)置為5 kHz和400 kHz。加載過程中采用40倍光學(xué)顯微鏡全程監(jiān)測并錄像記錄裂縫,錄像幀率采用60 FPS,試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)裝置Fig.7 Test setup

2.2 基于聲子晶體的聲發(fā)射檢測概率試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)通過分別對兩塊試件施加循環(huán)加載形成疲勞裂縫,而采用緊湊拉伸試驗(yàn)正是可以控制裂縫沿著預(yù)設(shè)切口方向擴(kuò)展,從而更容易識別由于裂縫擴(kuò)展而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。本試驗(yàn)在加載過程中將產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號,其原因?yàn)閮深?一類是裂縫引起的真實(shí)聲發(fā)射信號;另外一類是加載時,夾具處由于摩擦等原因產(chǎn)生的噪音信號。文中所提出的評價檢測概率的方法正是通過兩塊試件的對比試驗(yàn),計(jì)算出聲發(fā)射波源的檢測概率:第一塊試驗(yàn)樣品為常規(guī)鋁合金試件(PP),由于沒有設(shè)置聲子晶體進(jìn)行阻隔,該試件能收集到鋁合金板在循環(huán)荷載下產(chǎn)生的所有的聲發(fā)射信號(包括有鋁合金真實(shí)裂縫引起的信號和循環(huán)荷載作用在約束點(diǎn)的摩擦噪音或者其他非裂縫擴(kuò)展所引起的信號),試件PP及其噪音信號傳播如圖6(a)所示;第二塊則是在常規(guī)鋁合金試件的基礎(chǔ)上,在傳感器與摩擦噪音之間設(shè)置聲子晶體的鋁合金試件(SP),該試樣上布置的聲子晶體能有效地隔絕由于加載時夾具摩擦產(chǎn)生的噪音信號,僅接收來自金屬裂縫擴(kuò)展的真實(shí)損傷信號,試件SP及其噪音信號傳播如圖6(b)所示。為了確保以上所提聲發(fā)射檢測概率的計(jì)算方法有效,有以下假設(shè):

(1) 由于本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的試件尺寸小,故假定波的幅值不會受到傳播路徑的影響,即沒有衰減的影響;

(2) 試驗(yàn)過程中,假設(shè)試件SP中所記錄的全部聲發(fā)射信號均為裂縫擴(kuò)展所產(chǎn)生的真實(shí)聲發(fā)射信號;

(3) 試驗(yàn)過程中,假定試件PP和試件SP的試驗(yàn)條件完全一致,忽略兩次試驗(yàn)由于試件安裝、傳感器布設(shè)等引起的差異;

(4) 聲發(fā)射的絕對能量與裂縫長度成正比。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 裂縫擴(kuò)展行為分析

通過在顯微鏡下對兩塊試件上的裂縫擴(kuò)展進(jìn)行觀測,得到兩者在整個加載過程中的裂縫擴(kuò)展歷程,如圖8(a)所示。兩塊試件在往復(fù)荷載下,開裂時間及裂縫擴(kuò)展的過程均有所偏差,為便于對比兩塊試驗(yàn)金屬板在裂縫擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,將兩塊試件的裂縫擴(kuò)展歷程進(jìn)行歸一化處理,通過調(diào)整兩塊試件的裂縫初始擴(kuò)展時間以及最大裂縫擴(kuò)展長度,具體來說就是分別利用真實(shí)擴(kuò)展的最大裂縫長度進(jìn)行歸一化處理,使得兩塊試件的裂縫擴(kuò)展同步化,結(jié)果如圖8(b)所示。通過對比兩個試件的真實(shí)裂縫擴(kuò)展趨勢,將裂縫擴(kuò)展分為三個階段:(i) 裂縫萌發(fā)階段,為初始裂縫擴(kuò)展時起至裂縫寬度為0.68 mm時;(ii) 裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段,為試件PP的裂縫寬度為0.68 mm～1.9 mm的范圍內(nèi);(iii) 裂縫快速擴(kuò)展-破壞階段,為試件PP的裂縫寬度為1.9 mm～5.43 mm的范圍內(nèi),如圖8(c)所示,對于試件SP,最終裂縫長度為4.19 mm。除階段(ii)外,兩塊試樣的裂縫擴(kuò)展為近乎均速的直線擴(kuò)展,說明聲子晶體并沒有明顯影響鋁合金板的裂縫擴(kuò)展行為。總體而言,整個裂縫擴(kuò)展時間約為5 000 s,兩塊試件裂縫擴(kuò)展過程總體差異不大,僅在階段(ii)出現(xiàn)短暫差異。

圖8 裂縫擴(kuò)展歷程圖Fig.8 The progress of crack growth

3.2 基于聲發(fā)射能量的檢測概率

通過對兩塊試件進(jìn)行緊湊拉伸試驗(yàn),在兩塊試件整個裂縫擴(kuò)展過程中,分別讀取并記錄兩塊試件的聲發(fā)射的絕對能量值,如圖9所示。結(jié)果表明,在裂縫擴(kuò)展行為基本一致的條件下,試驗(yàn)過程中試件SP上的傳感器采集到的真實(shí)裂縫所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號較少,釋放的聲發(fā)射能量較低,這是由于大量噪音和假信號(fault signal)被布設(shè)的聲子晶體所屏蔽,相比于試件PP而言,盡管兩者間的裂縫擴(kuò)展過程相似,但試件PP收集的聲發(fā)射信號所釋放的聲發(fā)射能量達(dá)到試件SP的三倍之多,而當(dāng)裂縫擴(kuò)展時間為4 000～5 000 s時,兩者所釋放的聲發(fā)射能量相差10倍左右,證實(shí)了試件PP上的傳感器接收到的聲發(fā)射信號除真實(shí)裂縫信號外,還有約束點(diǎn)摩擦噪音或者其他非裂縫擴(kuò)展所引起的大量聲發(fā)射信號。

(a) 在試件PP中

(b) 在試件SP中圖9 聲發(fā)射能量歷程圖Fig.9 The history diagram of AE energy

通過統(tǒng)計(jì)兩塊試驗(yàn)板的聲發(fā)射能量,得到了試件SP和試件PP的累計(jì)聲發(fā)射能量歷程,如圖10所示,此時聲發(fā)射的檢測概率方程如下

圖10 累計(jì)聲發(fā)射能量歷程圖Fig.10 History diagram of cumulative AE energy

(1)

式中:Ereal1為試件SP的真實(shí)裂縫產(chǎn)生的累計(jì)聲發(fā)射能量;Etotal1為試件PP的全部累計(jì)聲發(fā)射能量。

根據(jù)檢測概率的計(jì)算結(jié)果,結(jié)合裂縫擴(kuò)展歷程圖分析,得到檢測概率-裂縫擴(kuò)展的關(guān)系圖,如圖11所示。結(jié)果表明,在(i)階段(裂縫萌發(fā)階段),檢測概率變化趨勢不明顯且數(shù)值較低,約為20%。在(ii)階段(裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段),檢測概率開始迅速提高,在該階段末,檢測概率達(dá)到最大,檢測概率值達(dá)到80%左右。在(iii)階段(裂縫快速擴(kuò)展-破壞階段),檢測概率隨著裂縫擴(kuò)展開始緩慢降低,最終下降至20%左右開始趨于平穩(wěn)。

圖11 基于聲發(fā)射能量的檢測概率歷程圖Fig.11 POD process based on AE energy

3.3 基于聲發(fā)射撞擊的檢測概率

本節(jié)基于聲發(fā)射撞擊的條件下研究裂縫擴(kuò)展-檢測概率的關(guān)系,以及閾值和頻率對檢測概率的影響。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),在使用低于45 dB的閾值時,試件PP的撞擊數(shù)量為10萬以上,而試件SP上的撞擊數(shù)量在700左右,其檢測概率較低,說明低于45 dB的閾值不合理,故在基于聲發(fā)射撞擊的檢測概率研究中,將閾值下限設(shè)置為45 dB。原試驗(yàn)使用的聲發(fā)射系統(tǒng)的采集閾值設(shè)置為40 dB,低通濾波器和高通濾波器所有通道的頻率分別設(shè)置為5 kHz和400 kHz,通過緊湊拉伸試驗(yàn)得到兩塊試件在裂紋擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)。盡管試驗(yàn)的設(shè)置盡可能地一致,但裂縫發(fā)展為不可控因素,為降低試驗(yàn)誤差,故后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過對原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理得出。

現(xiàn)通過MATLAB對原始的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,將振幅低于45 dB的聲發(fā)射信號移除,得到閾值設(shè)置為45 dB的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù),其累計(jì)的聲發(fā)射撞擊歷程,如圖12所示。結(jié)果表明,在相似的裂縫擴(kuò)展下,試件SP在裂縫擴(kuò)展時間為5 000 s時的累計(jì)聲發(fā)射撞擊有661次,而試件PP的累計(jì)聲發(fā)射撞擊有60 115次,結(jié)果再次證實(shí)了在緊湊拉伸試驗(yàn)下,試件PP上產(chǎn)生除真實(shí)裂縫的聲發(fā)射信號外,還有其他非裂縫發(fā)生引起的聲發(fā)射信號。

(a) 在試件PP中

(b) 在試件SP中圖12 累計(jì)聲發(fā)射撞擊歷程圖Fig.12 History diagram of cumulative AE hits

為了對比不同設(shè)置閾值和頻率下的聲發(fā)射檢測概率,同樣的,通過MATLAB對所采集的聲發(fā)射信號進(jìn)行后處理,得到不同的閾值和頻率范圍下的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù),將各條件下的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,統(tǒng)計(jì)得到對應(yīng)的累計(jì)聲發(fā)射撞擊歷程,匯總各條件下的累計(jì)聲發(fā)射撞擊總數(shù),結(jié)果如表1所示。此時,對應(yīng)的基于聲發(fā)射撞擊的檢測概率方程如下

表1 基于閾值和帶通濾波器頻率控制的累計(jì)聲發(fā)射撞擊統(tǒng)計(jì)Tab.1 The statistics of cumulative AE hits depending on the threshold and bandpass filter in the AE system

(2)

式中:Ereal2為試件SP上采集到的真實(shí)裂縫累計(jì)聲發(fā)射撞擊;Etotal2為試件PP上采集到的全部累計(jì)聲發(fā)射撞擊。

結(jié)果表明,在相同的頻率下,隨著閾值的提高,兩塊試件上的累計(jì)聲發(fā)射撞擊總數(shù)下降,說明設(shè)置閾值能有效地過濾掉部分非裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射撞擊,當(dāng)閾值設(shè)置為50 dB,聲發(fā)射檢測概率的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)錯誤,此時試件SP接收的裂紋信號撞擊比試件PP接收到的總信號撞擊多,說明此時出現(xiàn)部分真實(shí)裂紋信號被移除的情況。另外的,隨著頻率范圍的調(diào)整也能

有效地過濾部分非裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射撞擊,且不同頻率范圍的過濾效果也有所不同,故通過使用適當(dāng)?shù)臑V波器能使得到的聲發(fā)射檢測概率更加可靠。

基于兩塊試件在各條件下的累計(jì)聲發(fā)射撞擊歷程,運(yùn)用式(2)對每一個時刻的裂縫長度和與之對應(yīng)的累積撞擊數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,分別統(tǒng)計(jì)出在各個條件下基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊的檢測概率與裂縫擴(kuò)展的關(guān)系圖,以頻率為變量進(jìn)行匯總,結(jié)果如圖13所示。

(a) 僅基于撞擊

(b) 撞擊+帶通濾波器(120～167 kHz)

結(jié)果表明,基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊的檢測概率變化曲線與基于聲發(fā)射能量的檢測概率變化曲線相似。另外,隨著閾值設(shè)置的提高,能有效阻隔大部分非裂縫的聲發(fā)射信號,減少非裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射撞擊,使得檢測概率得到有效的提高,當(dāng)閾值設(shè)置為49 dB時,聲發(fā)射檢測概率在整個裂縫擴(kuò)展中均有較大提高,并在裂縫擴(kuò)展的(iii)階段末仍然保持有較高的檢測概率值。對比同一閾值設(shè)置下的不同接收頻率的檢測概率曲線,由于限制接收的頻率范圍,同樣也能阻隔部分非裂縫信號,使得最終獲得的檢測概率更為可靠。

4 結(jié) 論

聲子晶體是彈性常數(shù)在空間呈周期性排列的人工晶體,該材料具有彈性波帶隙的周期性結(jié)構(gòu)功能,能在一定頻率范圍(帶隙)內(nèi)阻礙彈性波傳播。本文基于聲子晶體的帶隙特性,提出一種聲發(fā)射波源的檢測概率研究,利用緊湊拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證所提出的聲發(fā)射波源檢測概率的有效性。為此分別設(shè)計(jì)了一個常規(guī)鋁合金緊湊拉伸試件(采集總的聲發(fā)射信號)和一塊部署了聲子晶體的鋁合金緊湊拉伸試件(采集真實(shí)裂縫活動的聲發(fā)射信號)作為對照試件進(jìn)行試驗(yàn)。兩塊試件的全部試驗(yàn)工況相同,試驗(yàn)通過觀察裂紋擴(kuò)展并采集沿預(yù)設(shè)切口方向的裂縫擴(kuò)展引起的大量聲發(fā)射信號,以此來分析得到真實(shí)波源的檢測概率并確定裂縫擴(kuò)展-檢測概率的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過設(shè)置閾值和帶通濾波器來分析閾值和頻率對檢測概率的影響,結(jié)論如下:

(1) 聲發(fā)射波源檢測概率會隨著裂縫擴(kuò)展而提高,當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定值時,檢測概率開始緩慢降低到一定值后趨于穩(wěn)定。

(2) 可以通過設(shè)置合理閾值從而提高波源檢測概率,盡管隨著閾值的增大,檢測概率也會提高,但是當(dāng)閾值調(diào)高到一定值時則可能會大量移出真實(shí)信號,從而導(dǎo)致檢測概率結(jié)果無法計(jì)算。

(3) 使用適當(dāng)?shù)臑V波器能有效阻隔非裂縫擴(kuò)展信號的影響,從而使得到的檢測概率更加的可靠。

本文試驗(yàn)僅基于加載時產(chǎn)生的摩擦噪音影響下的聲發(fā)射檢測概率研究,另外仍然可能存在眾多影響結(jié)果的其它波源,未來仍需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)樣品來證實(shí)本文試驗(yàn)的結(jié)果。此后還可以將基于噪音源響應(yīng)的聲發(fā)射檢測概率試驗(yàn)與基于衰減影響的檢測概率試驗(yàn)結(jié)合,得到更加可靠的聲發(fā)射檢測概率。