基于Lamb波的風電葉片復合材料聲發射源定位研究

張鵬林 楊超 董拴濤 田寧

摘要：聲發射波在風電葉片薄板結構中傳播時產生的多模態效應及頻散現象使得波速的測定較為困難，導致聲發射源定位誤差過大。針對以上問題，從聲發射波傳播的物理機制出發，利用完備總體經驗模態分解（CEEMD）結合Lamb波理論對風電葉片復合材料在不同應力狀態下產生的聲發射波進行斷鉛實驗研究。研究結果表明：作用于葉片薄板結構的應力方向不同，將會產生不同頻率、不同聲速的應力波。垂直應力主要激發出彎曲波，該波波速較低（約1357m/s），幅值衰減較快，頻率主要集中于50kHz左右;平行應力主要激發出擴展波，該波波速較高（約3634m/s），幅值衰減較慢，頻率主要集中于150kHz左右。擴展波無頻散效應且衰減較慢，更加適合風電葉片薄板結構聲發射源定位。

關鍵詞：風電葉片;CEENID;Lamb波;聲發射源定位

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）07-0140-07

收稿日期：2017-11-12;收到修改稿日期：2018-01-03

作者簡介：張鵬林（1973-），男，甘肅白銀市人，副研究員，博士，主要從事無損檢測、無損評估等方面的研究。

0 引言

風電葉片復合材料具有比強度、比模量高及抗疲勞性能好的特點，近年來被廣泛應用于風電葉片的制造[1]。葉片是風力機組獲取風能的關鍵部件，然而，受制造條件約束，葉片常易出現脫膠、分層、纖維斷裂和基體開裂等缺陷[2]。在使用過程中，具有該類缺陷的葉片在苛刻的自然環境及復雜應力狀態下，常常發生失效，導致整機產生破壞。因此，研究葉片復合材料的損傷對于確保葉片及風力機組的長期可靠運行具有重要意義。

聲發射檢測是一種新型的無損檢測技術，對動態缺陷較為敏感，可有效監測纖維增強復合材料損傷失效過程[3]。一般而言，通過聲發射信號的分析，能夠實現對聲發射源的準確定位和定性。然而，由于風電葉片結構本身的不規則，在傳統定位方法中單純采用縱波或者橫波進行線性和平面定位會產生較大誤差。此外，對于風電葉片薄板結構，當其厚度與聲發射信號波長處于同一數量級時，在薄板中傳播的橫波和縱波也會在板的上下表面相互作用疊加形成一種特殊類型的波—Lamb波[4]。作用于薄板的平行應力主要激發出Lamb波中的擴展波，其波速較高，無頻散效應，適合于葉片薄板結構聲發射源定位。

使用Lamb波進行定位的相關研究如Wang[5]利用Lamb波理論對金屬銅管的聲發射源進行了定位，但使用短時傅里葉變換處理信號也意味著忽視了信號的非平穩，非線性特性;Davoodi[6]利用小波變換和CTFS方法在考慮Lamb波的影響下對金屬薄板上模擬聲發射源進行了準確定位，但目前對于風電葉片及復合材料聲發射源定位的研究則相對較少。相關研究有：周偉[7]在忽略聲發射波的頻散現象和多模態效應前提下對葉片復合材料短距離內聲發射信號衰減進行了研究，但在單向板中定位效果較差;袁洪芳[8]通過小波定位研究了風電葉片的裂紋定位，但沒有考慮Lamb波的影響;于金濤[9]分析了碳纖維材料中產生不同Lamb波的衰減特性，但沒有給出不同模態Lamb波的衰減特性。唐軍君[10]利用小波分析研究了碳纖維復合材料中斷鉛信號的lamb衰減特性，給出了不同類型波的波速和衰減特性，但沒有對材料聲發射源進行定位研究。

基于此，通過斷鉛法中不同激勵獲得了風電葉片復合材料層合板中不同傳播模式的聲波，之后利用CEEMD方法分離出了Lamb波的不同模式，對信號模態進行了衰減研究，并將其結果初步應用于了葉片復合材料聲發射源定位研究。

1 基本理論

1.1 完備總體經驗模態分解（CEEMD）

完備總體平均經驗模態分解（CEEMD）是一種適合于非平穩、非線性信號的自適應分解方法[11]O相比小波分析，CEEMD方法避免了小波分析中小波基函數選取的困難和海森堡不確定原理的約束，使得CEEMD方法對信號的處理更加真實，并且處理后的信號在時域和頻域能同時達到最佳分辨率。相比EMD分解，CEEMD通過添加高斯白噪聲較好地消除了單純使用EMD分解信號時產生的模態混疊和端點效應[12]。

CEEMD分解的具體步驟如下：

1）對原始信號y（t）添加等幅反向隨機高斯白噪聲，過程如下：

Y₁（t）=y（t）+f_i（t）（1）

y_-1（t）=y（t）-f_i（t）（2）其中y₁（t）和y_-1（t）分別為加入高斯白噪聲后的復合信號，f_i（t）為隨機高斯白噪聲信號。

2）用EMD算法對復合信號進行分解，結果如下：

r₁（t）=y₁（t）-g₁（t）（3）

r_-1（t）=y_-1（t）-g_-1（t）（4）

3）重復步驟1）和2）直到殘余量不能被分解為止。此時將得到的IMF分量求其均值并將該均值作為IMF分量的平均結果如下：

1.2 Lamb波理論

當被檢結構為板狀結構且其厚度和聲發射波的波長處于同一數量級時，此時板中傳播的橫波和縱波會相互作用疊加形成特殊類型的平面應力波-Lamb波[13]，Lamb波具有二維特性，相比三維體波，衰減較小，且由于含有聲發射源的特性，常被用于檢測行業。根據質點振動位移的方向，Lamb波分為擴展波（對稱波）和彎曲波（反對稱波），波速依賴于板厚、頻率、模式的階數以及材料的性能等[14]。一般情況下，噪聲和非聲發射信號不產生Lamb波特征，而對于有用信號，不同的聲發射物理過程產生的信號在Lamb波上的模態一般不同[15]。因此，可通過基于產生的聲發射信號的物理機制進行模態分析，在一定程度上對聲發射源進行定位和類型識別。

2 實驗研究

2.1 實驗方案

實驗儀器采用SAEU2S集中式多通道聲發射儀，傳感器為諧振式通用SR150M型傳感器，諧振頻率150kHz，所用材料為按照[0/90°]纖維布多層鋪設而成的各向異性風電葉片復合材料，尺寸700mm×700mm×4mm，聲發射儀參數設置如表1所示。

實驗中共采用4組聲發射傳感器，傳感器呈直線布置，每個傳感器相隔100mm，分別記為1^#、2^#、3^#、4^#，聲發射激勵源距1^#號傳感器距離200mm。實驗采用斷鉛信號模擬聲發射源，筆芯為直徑0.5mm的田3石墨鉛筆芯，伸長量2.5mm。聲發射傳感器布置示意圖如圖1所示，實驗現場照片如圖2所示。

2.2 Lamb波的識別及其分離

實驗利用斷鉛法分別在葉片材料薄板邊緣進行垂直斷鉛和水平斷鉛以獲得不同方位激勵的聲發射時域信號，圖3為4^#傳感器接收到不同激勵作用時產生聲發射時域波形圖。

從圖3（a）可以看出，水平斷鉛獲得的信號為突發型信號，信號幅值約為0.35mV，呈冪指數衰減，在1.3ms后衰減至0，持續時間相對較長;同理，在圖3（b）中可以看出，垂直斷鉛獲得的信號在采集時間段內近似于突發型信號，最高幅值約為0.7mV，衰減較緩慢，持續時間約2ms。但進一步觀察可以發現：垂直斷鉛信號在時域上可分為兩個波包，在0～0.5ms內首先到達的快波波包波形和水平斷鉛得到的信號的波形基本相似，幅值約為0.6mV，之后，在0.5～2ms內到達的慢波波包波形和先前到達的快波波形明顯不同，波形呈先增大后減小的趨勢，幅值相對較大，約為0.7mV，衰減也相對較快，在衰減過程中且有多種波形混雜現象出現。

為研究不同激勵產生的聲發射信號的特性，對原始信號進行三層小波包分解，小波函數采用正交小波db10。不同激勵方式產生的信號經過三層小波包分解后的小波頻系數能量譜圖如圖4所示。

由圖4可以看出，水平斷鉛激勵產生的聲發射信號，各頻段所含能量在整個頻段內分布不均勻，根據奈奎斯特采樣定理及格雷碼順序，可知其信號能量主要集中于（3，0）、（3，1）及（3，3）頻帶內，所占能量比例分別為16.75%、26.45%及31.05%，對應頻率范圍分別為0～62.5kHz、62.5～125kHz及125～187.5kHz。而垂直斷鉛產生的聲發射信號各頻段能量則主要集中于（3，0）和（3，3）頻帶中，所占能量分別為57.87%和21.69%。頻率分布范圍為0～62.5kHz和125～187.5kHz。對比上述結果可以發現，隨著激勵方位的改變，不同信號能量分布發生變化，當激勵從平行向垂直轉變時，其能量也向低頻段發生轉移，頻率也向低頻段發生轉移。根據Lamb波理論，該現象的發生主要是不同方向激勵產生不同類型的波所導致。

為進一步得到不同激勵的信號頻率的具體分布狀況，對上述不同激勵產生的信號（降噪處理后）進行希爾伯特變換，其對應的功率譜如圖5所示。

由圖5（a）可看出，當葉片復合材料薄板主要承受水平激勵作用時，信號中存在兩種頻率成分，頻率分布集中于50kHz和150kHz附近，其中頻率為150kHz部分信號能量占主要部分;同樣，在圖5（b）中可以看出，當葉片復合材料薄板主要承受垂直激勵作用時，信號中頻率也分布在50kHz和150kHz附近，但主要信號能量集中于50kHz附近。對比圖5（a）和圖5（b）可以發現：對于風電葉片復合材料薄板，當承受不同方位激勵作用時，聲發射波頻率成分基本類似，功率譜基本無邊帶族現象產生，但不同激勵作用產生的功率譜頻帶分布有所不同，主要集中頻段存在較大差異。

為確定在不同激勵條件下，葉片復合材料薄板中聲發射波的時頻特性，對聲發射波進行CEEMD分解。實驗中添加白噪聲的標準差取原聲發射信號標準差的0.2倍，迭代次數取100。通常，CEEMD分解的各個IMF分量分別對應原始信號的各實際組分。然而，受環境因素所限，實驗中總會引入干擾信號成分。依據統計學理論，CEEMD分解的各實際IMF分量和原始信號之間存在較大關聯性，而干擾信號和原始信號之間關聯性則相對較小。為消除干擾信號對信號重構的影響，本實驗通過比較IMF分量與原信號的互相關系數，從而對IMF分量進行有效篩選。

IMF分量和原始信號之間關系定義如下：式中：g_a（t）——IMF分量和原始信號的互相關系數;

N——信號長度;

n——分量個數;

τ——時間間隔。

之后定義其互相關系數，計算不同激勵聲發射信號經過CEEMD分解后的IMF分量與原信號的互相關系數如圖6所示。

從圖6（a）中可以看出，水平激勵產生的信號經過CEEMD分解后得到11個IMF分量和一個殘余分量，采用互相關系數法發現，相關系數較大IMF分量主要集中在前6個IMF分量;同理，在圖6（b）中也可以看出，垂直激勵產生的信號經過CEEMD分解后也得到11個IMF分量和一個殘余分量，而其真實信號IMF分量則主要集中在前8個IMF分量，之后分別對經過IMF篩選的主要nVIF分量進行希爾伯特變換，得到不同三維田IT如圖7所示。

從圖7（a）可以看出，在水平激勵瞬間，首先產生150kHz的高頻信號.，經過約40μs后，產生50kHz的低頻信號，根據Lamb波理論，高頻信號為擴展波的最低階（S₀）模式，低頻信號為彎曲波的最低階（A₀）模式，依據波的時間和距離求得擴展波波速約為3634m/s，彎曲波波速約為1357m/s;由圖7（b）可看出在垂直激勵瞬間，首先產生150kHz高頻信號，其為擴展波最低階（S₀）模式，經過約55μs產生50kHz的低頻信號為彎曲波的最低階（A₀）模式。結合原始波形圖可推知兩種波形均含有50kHz的A₀模式和150kHz的S₀模式，不同模態存在主要是由于應力作用時并非完全水平和垂直造成。

2.3 不同模態信號衰減特性研究

由于幅度相比能量更能直觀反映信號衰減特性且不受門限的影響，因此常被用于聲發射源的類型鑒別及信號衰減測量。通過對幅值進行不同模態聲發射波的衰減研究，為聲發射源精確定位選擇合適的統一模態波。

實驗以1^#傳感器作為參考，分別進行絕對衰減和相對衰減性能測定。定義聲發射信號相對衰減率為

Z_i=201g（A_i/A₁）（7）其中A_i為第i個傳感器的幅值。

由于葉片復合材料薄板在承受不同方向激勵時主要產生兩種不同模態的波，且其頻率相差較大，因此采用帶通濾波方式為主（設定上下截止參數）結合Matlab中數字濾波方法剔除電子噪聲及鉛芯摩擦噪聲，得到單一形態的模態波。不同模態信號衰減特性實驗結果如圖8所示。

由圖8（a）可以看出，在衰減過程中，相比低頻彎曲波，高頻的擴展波信號衰減趨勢相對較小，但由于幅值差異，為排除外在因素干擾，研究其相對衰減特性。圖8（b）為不同信號相對衰減過程，從圖中可以看出，衰減過程中高頻的擴展波信號近似呈指數線性衰減特性，相比低頻彎曲波，衰減曲線斜率絕對值較小，曲線平均斜率絕對值為0.49，低頻彎曲波衰減曲線平均斜率絕對值為1.02，相比之下，在單位距離內高頻的S。信號衰減更為緩慢，且相對彎曲波衰減線性較好。長距離葉片衰減研究中，就信號有效接收而言，適合衰減定位研究應用。

2.4 聲發射源定位研究

聲發射源定位實驗示意圖如圖9所示。

分別采用擴展波和彎曲波進行定位。常見聲發射源中既含有水平分量又含有垂直分量，在圖9所示位置進行30°斷鉛實驗。每組實驗進行3次。采用時差定位法，以1^#傳感器為參考，以2^#，3^#，4^#傳感器距離斷鉛位置300，400，500mm為標準值，通過測得的波速以及聲發射信號分別到達2^#，3^#，4^#傳感器的時間差和距離分別計算聲發射源的位置。由于噪聲的影響，需要對原始信號進行閾值去噪后進行信號重構。實驗所測數據如表2和表3所示。

從表2和表3可以看出，當采用彎曲波進行定位時，在有效信號范圍內，隨著距離增大，產生較大誤差且誤差呈增加趨勢，這是由于隨著距離增加彎曲波的頻散效應增加所致。同時考慮到葉片本身的結構較大，外形不規則，葉片聲發射檢測中采用這一方法不能準確地確定聲發射源的有效位置;而采用擴展波進行定位時，在一定范圍內誤差較小，定位準確，而隨著距離在有效范圍內的增加，其誤差呈現減小趨勢，這是由于隨著距離的增加，模態在時域上的分離較為容易，且不存在頻散現象，使得時差測量更加精確。因此，在風電葉片聲發射檢測中可通過時差定位結合Lamb波理論綜合分析，從而對葉片聲發射源進行有效定位。

3 結束語

通過對風電葉片復合材料進行不同方向激勵獲得不同類型的Lamb波信號，結合CEEIVID方法對信號進行分解，通過研究Lamb波中不同類型模態波衰減特性，將其應用于聲發射源定位研究，得到結論如下：

1）當風電葉片薄板承受水平激勵時，波形中以擴展波為主，波速較大，約為3634m/s，且其頻率較高，集中于150kHz左右，幅值衰減較慢。

2）當風電葉片薄板承受垂直激勵時，波形中以彎曲波為主，波速較小，約為1357m/s，其頻率較低，主要集中于50kHz左右，幅值衰減較快。

3）在單位距離內，擴展波衰減曲線平均斜率絕對值為0.49，彎曲波衰減曲線平均斜率絕對值為1.02，擴展波衰減較為緩慢。該研究不但為Lamb波的應用提供了思路，也為風電葉片缺陷的現場監測提供了一定的參考依據。

4）在葉片聲發射檢測中，采用低衰減，無頻散的擴展波進行葉片聲發射源定位更加準確。

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（編輯：劉楊）