碳纖維復(fù)合材料板的聲發(fā)射源定位

劉增華,董拓燦,彭秋玲,何存富,吳　斌

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院， 北京 100124)

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碳纖維復(fù)合材料板的聲發(fā)射源定位

劉增華,董拓燦,彭秋玲,何存富,吳斌

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院， 北京 100124)

與常規(guī)的無損檢測技術(shù)相比，聲發(fā)射技術(shù)對動態(tài)缺陷更為敏感，但在實際應(yīng)用中，聲發(fā)射技術(shù)卻存在板結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射源的定位精度不高、復(fù)合材料的各向異性等特性會對聲發(fā)射信號造成干擾和影響等問題。以聲發(fā)射技術(shù)在實際應(yīng)用中存在的一些問題為出發(fā)點，以各向異性復(fù)合材料板為試驗對象，探究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的聲發(fā)射源定位原理，分析了復(fù)合材料板中聲發(fā)射信號的傳播特性，繪制了復(fù)合材料板中聲發(fā)射信號傳播速度的全向性曲線，最后通過布置傳感器陣列實現(xiàn)了復(fù)合材料板中的聲發(fā)射源定位。

無損檢測；聲發(fā)射；源定位；復(fù)合材料板；全向性

聲發(fā)射是材料或零部件受外力作用產(chǎn)生變形、斷裂或內(nèi)部應(yīng)力超過屈服極限而進(jìn)入不可逆的塑性變形階段，以瞬態(tài)彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[1-2]。為了在結(jié)構(gòu)表面某一范圍測量出缺陷的位置，可以將多個聲發(fā)射傳感器按一定的幾何關(guān)系布置，組成傳感器陣列，然后根據(jù)各個聲發(fā)射傳感器檢測到的聲發(fā)射信號來確定聲發(fā)射源的位置，也稱為聲發(fā)射源的定位。在利用聲發(fā)射技術(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測和損傷評估時，聲發(fā)射源定位是具有工程實用價值的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方式之一。

在實際應(yīng)用中，常用的聲發(fā)射源定位方法主要可分為時差定位和區(qū)域定位[3]。時差定位法主要通過時差、波速以及傳感器間距等參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，從而確定聲發(fā)射源的位置。時差定位法是一種較為準(zhǔn)確但又復(fù)雜的定位方式，廣泛應(yīng)用于大型板狀構(gòu)件或大型容器的檢測中。然而，時差定位易丟失大量的低幅度信號，定位精度易受波速、衰減和波形等多參量的影響。特別是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，由于材料的各向異性，聲發(fā)射信號在不同方向上傳播的速度不盡相同，因此往往較難通過時差定位法對復(fù)合材料板進(jìn)行聲發(fā)射源的準(zhǔn)確定位。而區(qū)域定位法是一種處理速度快、簡便的定位方式，可高效地大致確定缺陷區(qū)域，主要用于復(fù)合材料等由于聲發(fā)射頻率過高、傳播衰減較大和材料各向異性等難以采用時差定位法的場合。除此之外，對于聲發(fā)射源的定位，合適的聲發(fā)射信號分析與處理方法往往能提高聲發(fā)射源定位的精度和可靠性。目前，針對聲發(fā)射源的定位，國內(nèi)外許多學(xué)者已進(jìn)行了較多的研究，提出了許多不同的聲發(fā)射源定位方法，并得到了許多有價值的結(jié)果。李秋鋒等[2]通過將時間反轉(zhuǎn)算法引入到聲發(fā)射信號的分析與處理中，實現(xiàn)了聲發(fā)射信號的時域聚焦，通過精確地獲取聲發(fā)射信號的到達(dá)時間差實現(xiàn)了鋼板中聲發(fā)射源的定位。SEDLAK等[4]通過在多層薄板中進(jìn)行聲發(fā)射研究，采用多種不同的人工模擬聲發(fā)射源，利用首次到達(dá)時間進(jìn)行分析，成功實現(xiàn)了聲發(fā)射源的定位。吳旭景等[5]將管道泄漏聲發(fā)射信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，后對其中高頻分量進(jìn)行小波分解去噪，保留有用的信號特征，最后對有效分量進(jìn)行重構(gòu)得到去噪后的管道泄漏聲發(fā)射信號，并通過相關(guān)分析得到了更精確的泄漏源定位。CIAMPA等[6-7]采用一種新的成像算法，對各向異性材料中聲發(fā)射的群速度進(jìn)行了研究，同時將時間反轉(zhuǎn)法引入到聲發(fā)射信號處理中，得到了最佳的聲發(fā)射集中源，實現(xiàn)了復(fù)雜各向異性結(jié)構(gòu)中的聲發(fā)射源定位。KUNDU等[8-9]研究總結(jié)了不同材料的聲發(fā)射源定位方法，包括各向同性材料和各向異性材料，給出了適用于不同材料的聲發(fā)射源定位算法和定位原理。不同的聲發(fā)射源定位算法和理論有著其各自的適用條件和范圍，但同時也為聲發(fā)射源定位的研究提供了多樣的算法原型和理論支撐。

筆者在前人研究工作的基礎(chǔ)上，以碳纖維復(fù)合材料板為研究對象，探究了準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料板中聲發(fā)射信號的傳播規(guī)律，繪制了聲發(fā)射信號在碳纖維復(fù)合材料板中360°范圍內(nèi)沿各個方向傳播的全向性曲線。通過布置多組傳感器陣列，結(jié)合復(fù)合材料板中聲發(fā)射源定位原理研究了聲發(fā)射源與傳感器陣列之間的相對角度關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料板中的聲發(fā)射源定位。

1　碳纖維復(fù)合材料板中聲發(fā)射源定位原理

碳纖維復(fù)合材料板中不同的纖維鋪層方式會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)具有各向異性特性。聲波在復(fù)合材料板中傳播時，沿不同方向傳播具有不同的傳播特性。在對各向異性復(fù)合材料板中的聲發(fā)射源進(jìn)行定位分析時，可以將聲發(fā)射傳感器組成傳感器陣列，通過計算聲發(fā)射源相對于傳感器陣列的角度來對聲發(fā)射源進(jìn)行定位。該定位原理由KUNDU[8]提出，并進(jìn)行了試驗分析。對于不同鋪層方式的復(fù)合材料板，雖然其均為各向異性材料，但在探究其適用范圍時，發(fā)現(xiàn)因復(fù)合材料板各向異性的強(qiáng)弱而使得聲發(fā)射源的定位有著不同的定位效果。圖1為在復(fù)合材料板中聲發(fā)射源的定位原理示意。

圖1　復(fù)合材料板中聲發(fā)射源定位原理示意

如圖1所示，三個聲發(fā)射傳感器布置成等腰直角三角形組成傳感器陣列。圖中有兩組傳感器陣列，分別為1#和2#。設(shè)聲發(fā)射傳感器陣列1#中的三個傳感器坐標(biāo)分別為S1(x1,y1)，S2(x2,y2)和S3(x3,y3)，聲發(fā)射源的坐標(biāo)為(x,y)，傳感器S1與聲發(fā)射源的連線與直線l的夾角為θ。在該定位原理中，要求傳感器陣列的直角邊長d遠(yuǎn)小于傳感器陣列到聲發(fā)射源之間的距離D，即d?D，在此假設(shè)條件成立的基礎(chǔ)上，根據(jù)三角關(guān)系可得：

(1)

設(shè)聲發(fā)射信號在θ方向上的傳播速度為c(θ)，由于d?D，因此，可認(rèn)為聲發(fā)射信號到達(dá)陣列1#中的三個傳感器的方向為同一方向，且聲發(fā)射信號在該方向具有相同的速度。設(shè)聲發(fā)射信號首先到達(dá)傳感器S1，到達(dá)時間為t1，隨后到達(dá)傳感器S2和傳感器S3，到達(dá)時間分別為t2和t3，則聲發(fā)射信號到達(dá)三個傳感器的時間差分別為t12=t2-t1，t13=t3-t1。另一方面，根據(jù)圖1所示，聲發(fā)射信號到達(dá)三個傳感器的時間差可用下式表示：

(2)

(3)

聯(lián)立式(2)和式(3)可得：

(4)

(5)

由式(4)，(5)可看出，如果已知聲發(fā)射源到陣列中三個傳感器的到達(dá)時間差，便可以計算出聲發(fā)射源相對于傳感器陣列的角度θ以及聲發(fā)射信號在該方向上的傳播速度。為了確定聲發(fā)射源的位置，在試驗中還需要設(shè)置多個傳感器陣列，確定聲發(fā)射源相對于其他傳感器陣列的角度，如圖1中的角度α。當(dāng)多個傳感器陣列確定的聲發(fā)射源角度連線相交于一點或一片區(qū)域時，該交點或區(qū)域理論上便是聲發(fā)射源所在的位置，據(jù)此便可對復(fù)合材料板中的聲發(fā)射源進(jìn)行定位。

2　碳纖維復(fù)合材料板中聲發(fā)射信號傳播的全向性試驗

碳纖維復(fù)合材料板中，聲發(fā)射源定位原理的假設(shè)條件為聲發(fā)射信號從聲發(fā)射源到傳感器陣列傳播時，到達(dá)同一陣列中三個傳感器所經(jīng)歷的路徑為同一路徑，并假設(shè)了該路徑上聲發(fā)射信號具有同一速度。但是，對于具有各向異性的碳纖維復(fù)合材料板，聲發(fā)射信號傳播的方向如發(fā)生很小的變化，便會導(dǎo)致速度出現(xiàn)較為劇烈的變動，從而為聲發(fā)射源定位引入誤差。因此，針對各向異性碳纖維復(fù)合材料板試樣，首先進(jìn)行聲發(fā)射信號傳播的全向性研究，分析材料板中聲發(fā)射信號在不同方向上的變化對于定位原理中假設(shè)條件的滿足程度。

2.1試驗對象

試驗對象選擇各向異性碳纖維復(fù)合材料板，其長×寬為1 000 mm×1 000 mm。板的鋪層共16層，鋪層方式為[(0/45/-45/90)2]S。每層鋪層厚度0.14 mm，總板厚2.24 mm。

圖2　碳纖維復(fù)合材料板中聲發(fā)射信號全向性試驗的掃描方式與傳感器位置示意

2.2聲發(fā)射全向性分析為了分析聲發(fā)射信號沿碳纖維復(fù)合材料板不同方向傳播時表現(xiàn)出來的特性，設(shè)置兩個聲發(fā)射傳感器接收聲發(fā)射信號，且傳感器布置與聲發(fā)射源在同一直線方向。圖2為碳纖維復(fù)合材料板中聲發(fā)射信號全向性試驗示意。在該試驗設(shè)置中，兩個聲發(fā)射傳感器線性布置在復(fù)合材料板上，組成線陣列傳感器組，聲發(fā)射源位于復(fù)合材料板中心，兩個聲發(fā)射傳感器與聲發(fā)射源位于同一直線上。聲發(fā)射源采用0.5 mm的2H鉛筆進(jìn)行斷鉛試驗，每次斷鉛保持鉛筆具有相同的傾斜角度。通過前后兩個傳感器接收到的聲發(fā)射信號的到達(dá)時間差進(jìn)行分析和處理，計算該方向的聲發(fā)射波的傳播速度，在此基礎(chǔ)上，移動聲發(fā)射傳感器對復(fù)合材料板360°進(jìn)行掃描，得出不同方向的聲波傳播特性。

傳感器S1與傳感器S2之間的距離為dL=300 mm，靠近聲發(fā)射源的傳感器S1距聲發(fā)射源為50 mm。設(shè)到達(dá)兩個傳感器的聲發(fā)射波的到達(dá)時間差為dt，則聲發(fā)射波沿該方向傳播的速度可通過下式計算：

(6)

為了研究聲發(fā)射信號在復(fù)合材料板中傳播時的全向性，將傳感器陣列按逆時針方向每隔15°對復(fù)合材料板進(jìn)行掃描，共得到24個采集點。為了保證試驗具有較好的重復(fù)性，對每個角度處的聲發(fā)射數(shù)據(jù)均采集3次以上，剔除掉誤差較大的數(shù)據(jù)后取平均值進(jìn)行計算。表1為在該復(fù)合材料板上采集到的不同角度上聲發(fā)射信號到達(dá)時間差的平均值。

采用式(6)及表1中的數(shù)據(jù)計算各個方向上聲波的速度，繪制復(fù)合材料板中聲發(fā)射信號的速度與傳播方向的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示。可以看出，在鋪層方式為[(0/45/-45/90)2]S的復(fù)合材料板中聲發(fā)射波傳播的速度較為均勻，最大速度為5 925 m·s-1，最小速度為5 634 m·s-1，具有準(zhǔn)各向同性的特性。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是該板結(jié)構(gòu)有4種鋪層方式，每種鋪層方式重復(fù)4次，且交替進(jìn)行，因此該鋪層方式弱化了聲波沿纖維方向傳播的各向異性。

表1　碳纖維復(fù)合材料板上聲發(fā)射波到達(dá)時間差的均值

圖3　碳纖維復(fù)合材料板中聲發(fā)射速度與傳播方向的關(guān)系曲線

3　碳纖維復(fù)合材料板中聲發(fā)射源定位試驗

圖4為碳纖維復(fù)合材料板聲發(fā)射源定位試驗設(shè)置示意。設(shè)材料板左下角為坐標(biāo)原點，傳感器陣列1#中三個傳感器所在坐標(biāo)分別為S1(880,880)、S2(900,880)和S3(880,900)，傳感器陣列2#中三個傳感器所在坐標(biāo)分別為S4(180,880)、S5(200,880)和S6(180,900)，傳感器陣列3#中三個傳感器所在坐標(biāo)分別為S7(480,880)、S8(500,880)和S9(480,900)，兩個模擬聲發(fā)射源位置坐標(biāo)分別為P1(300,300)和P2(600,300)。為了保證試驗的重復(fù)性，每個斷鉛位置點均多次采集數(shù)據(jù)，剔除掉誤差較大的數(shù)據(jù)后，取平均值進(jìn)行計算。在該試驗中，根據(jù)式(6)以及得到的聲發(fā)射信號到達(dá)時間計算出聲發(fā)射源相對于傳感器陣列的角度。表2給出了聲發(fā)射源相對于傳感器陣列的試驗角度和理論角度。

圖4　碳纖維復(fù)合材料板聲發(fā)射源定位試驗設(shè)置示意

對比表2中的試驗角度和理論角度可以發(fā)現(xiàn)，試驗確定出的聲發(fā)射源相對于傳感器陣列的角度與理論角度具有較好的一致性。綜合3個陣列中2個斷鉛位置點的角度數(shù)據(jù)，最大誤差為采用陣列2對位置點2進(jìn)行監(jiān)測時所出現(xiàn)的誤差，為3.9°；最小誤差為采用陣列1對位置點1進(jìn)行監(jiān)測時所出現(xiàn)的誤差，為1.15°。雖然試驗角度與理論角度能夠較好地匹配，但是兩者之間仍然存在一定的誤差；通過分析定位原理可發(fā)現(xiàn)，誤差的主要來源為定位原理中假設(shè)了條件d?D，其作用是將聲發(fā)射源到三個傳感器的路徑視為同一路徑，且聲發(fā)射信號在此三條路徑上傳播時具有相同的速度。但是在實際操作中，三個路徑不可能視為同一路徑，也不可能具有同一速度，這一點，根據(jù)復(fù)合材料各向異性的強(qiáng)弱關(guān)系可清晰地看出來，在[(0/45/-45/90)2]S鋪層的復(fù)合材料板中，雖然其速度變化較小，但仍然會在計算過程中引入誤差。在確定了聲發(fā)射源相對于傳感器陣列的角度之后，根據(jù)定位原理，繪制聲發(fā)射源相對于傳感器陣列方向的示意圖。圖5為采用三個傳感器陣列確定的聲發(fā)射源定位結(jié)果。從圖中可以看出，三個傳感器陣列確定的聲發(fā)射源位置大致位于實際聲發(fā)射源附近。在P1位置斷鉛，聲發(fā)射源到陣列1#與陣列2#,陣列2#與陣列3#，陣列1#與陣列3#上兩兩路徑相交于坐標(biāo)點1，2，3；P2處同理，相交坐標(biāo)點為4，5，6。表3給出了聲發(fā)射源的實際位置與試驗位置。對比表3結(jié)果，可知采用該方法對[(0/45/-45/90)2]S鋪層方式的準(zhǔn)各向同性碳纖維復(fù)合材料板中的聲發(fā)射源定位是可行和有效的。

表2　聲發(fā)射源相對于傳感器陣列的角度　(°)

圖5　采用三個傳感器陣列確定的聲發(fā)射源位置

實際位置試驗位置P1(300，300)坐標(biāo)點1(304．1，280．5)坐標(biāo)點2(315．8，223．5)坐標(biāo)點3(339．2，317．1)P2(600，300)坐標(biāo)點4(643．8，323．5)坐標(biāo)點5(557．9，426．6)坐標(biāo)點6(595．3，209．2)

4　結(jié)論

采用聲發(fā)射技術(shù)對碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行了試驗分析。首先針對兩種不同鋪層方式的碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行了全向性特性的分析，發(fā)現(xiàn)對于[(0/45/-45/90)2]S鋪層方式的復(fù)合材料板，由于其鋪層方式更為多樣，因此各向異性被多種的纖維走向所弱化，聲發(fā)射信號具有準(zhǔn)各向同性。隨后針對碳纖維復(fù)合材料板中的聲發(fā)射源進(jìn)行了定位研究，結(jié)果表明，利用傳感器陣列對聲發(fā)射源進(jìn)行定位時,具有較好的定位效果。

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Acoustic Emission Source Localization of Carbon Fiber Composite Plate

LIU Zeng-hua, DONG Tuo-can, PENG Qiu-ling, HE Cun-fu, WU Bin

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology,Beijing 100124, China)

Compared with the conventional nondestructive testing techniques, AE technique is more sensitive to dynamic defects. However, there are still a lot of challenges when using AE technique in practical applications, for example, the poor localization accuracy of AE sources and the interruption and influence caused by anisotropic problem of composite plate. Based on the above challenges, with the research targets of composite plate, this paper focuses on investigations of AE source localization algorithm and the propagation characteristics of AE signal in composite plate. Meanwhile, the traveling velocity omni-directional curves of AE signal in composite plate are also drawn. Eventually, AE source localization is realized by arranging AE sensor array in composite plate.

Nondestructive testing; Acoustic emission; Source localization; Composite plate; Omni-direction

2016-07-14

國家自然科學(xué)基金資助項目(51475012, 11272021)；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計劃資助項目(CIT&TCD201304048)

劉增華(1973-)，男，教授，博士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域為超聲和電磁無損檢測技術(shù)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及傳感器測試技術(shù)等。

劉增華, E-mail: liuzenghua@bjut.edu.cn。

10.11973/wsjc201610012

TP319;TB553;TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0048-05