基于聲發射技術的結構損傷定位方法綜述

汪國華

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

無損檢測技術(non-destructive testing,NDT)是指在不造成結構損傷的前提下,通過對某些特定的物理量進行測定,來判斷結構性能的一類檢測方法[1]。通俗來說,該技術通過采集由結構內部缺陷或異常所導致的對熱、光、聲、電、磁等反應的變化信息,從而判斷結構中異常和缺陷的存在以及對其危害程度進行評估,它與傳統的有損取樣試驗方法相對應,是多門學科交叉運用得到的高技術產物。傳統的無損檢測方法包括超聲檢測(UT)、射線檢測(RT)、滲透檢測、磁粉探傷(MT)以及渦流檢測(ET)五大檢測方法,然而這些方法缺點十分明顯,無法提供完整的檢測信息，需要人工干預，檢測費時費力成本較高，以及無法進行實時主動連續的在線監測[2]。

聲發射技術作為一種被動無損檢測技術,在機械工程和土木工程等領域的金屬和復合材料結構的裂紋監測中有著廣泛的應用和研究,它利用材料自身在產生塑性變形、裂紋擴展、沖擊等損傷時釋放的高頻超聲信號(頻率范圍為20 kHz～1 MHz)進行損傷識別,識別過程中無須超聲波激勵,受結構復雜幾何形狀影響小,對微小裂紋敏感度高以及遠程探測范圍大,并能實時得到病害隨載荷、時間、溫度等參數變化的長期信息,適合結構工作狀態的在線損傷監測,并且通過對監測過程中獲得數據進行合理分析,便能對結構萌生的裂紋疲勞進行實時監控以及對裂紋擴展趨勢進行判斷和評估[3]。

目前國內外常用的聲發射損傷定位方法包括時差定位法(time of arrival,TOA)、單傳感器模態分析法(single sensor modal analysis location,SSMAL)、波束形成法(beamforming analysis)以及時差圖法(delta-T mapping,DTM)。本文從聲發射技術的基本原理入手,對上述幾種定位方法的原理及特點進行詳細的介紹。

1 聲發射技術原理

聲發射(acoustic emission)是指材料在受到外界荷載或內部應力作用下,因彈塑性變形或裂紋擴展產生瞬態彈性波的現象,該彈性波即為聲發射信號[4]。無論是微觀和宏觀機制都會產生大量聲發射現象,并且依據對應的機制類型可將聲發射分為初次聲發射和二次聲發射兩類。其中初次聲發射通常用于描述來自于材料內部的聲發射現象,一般與伴隨疲勞裂紋開展的位錯運動及夾雜斷裂等微觀機制有關。而二次聲發射通常由材料表面的應力波引起,主要由與摩擦活動相關的宏觀機制產生,例如由疲勞引起二次聲發射現象通常是裂紋面重新閉合的結果,即裂紋面的微動,碎屑磨削以及重焊脫粘等,而“噪聲”往往是指是那些與研究內容無關的其他聲發射信號[5]。

生活當中也處處存在聲發射現象,例如筷子折斷時發出的聲音,金屬摩擦產生的聲音等,但是并非所有的聲發射現象都能直接被人耳所感知,借助專業設備對聲發射信號進行接收和處理的技術即為所謂的聲發射技術。聲發射是構件局部區域快速卸載、彈性能釋放的結果,而聲發射源和構件的特性決定了彈性能釋放的速度、方式和時間,從而決定了聲發射信號的特性(如頻率、波形、振幅等)。因此聲發射信號的特性與構件的性質以及缺陷情況存在對應關系,基于這種對應關系,使用儀器檢測、記錄、分析聲發射產生的信號,即可推斷出聲發射源及缺陷的類型、程度及分布。聲發射技術原理如圖1所示,即聲發射源產生的微振動以應力波的形式傳播一段距離后到達材料表面并引起材料表面的位移,隨后聲發射傳感器將材料表面的位移轉化為電信號,經前置放大器放大、濾波器濾波、主放大器再放大后,由模/數轉換器進行采集,傳輸給聲發射檢測儀進行分析處理,判斷聲發射源特性并將結果進行顯示[6]。

圖1 聲發射技術原理

2 聲發射定位方法

2.1 時差定位法

時差定位法是材料性質均勻構件中常用的一種定位方法,依靠各傳感器接收信號到達時間差、波速、探頭間距等參數及一定的算法來確定損傷源位置[7]。此方法基于兩個前提假設,一是波從聲發射源傳遞到傳感器的過程中波速保持不變,二是波在傳播過程中只沿直線傳播。最開始的時差定位法一般用于線性定位,隨著研究的不斷深入,該方法也逐漸用于解決二維定位甚至是三維定位。

2.1.1 一維時差定位法

一維時差定位又稱線性定位,是最簡單的時差定位法,一般至少使用兩個傳感器才能進行定位,多用于檢測長度與半徑之比非常大的試件,如管道、鋼梁、風力渦輪機葉片等[8]。如圖2所示,假設損傷源位于A、B兩傳感器之間,若信號到達兩傳感器的時間差為Δt=T2-T1,則損傷源與傳感器B的距離可用d表示為:

圖2 線性時差定位

d=0.5×(D-Δt×V)

(1)

式中:D為兩傳感器間的距離;V為波速。

所以當Δt=0時,意味著信號同時到達兩個傳感器,帶入式(1)中計算可以得到損傷源位于兩個傳感器的中點位置。但是,當損傷源位于A、B傳感器陣列之外(例如位于B、C之間),此時無論損傷源與傳感器B間的距離有多遠,帶入式(1)計算得到的定位結果始終位于傳感器B上,因此在這種情況下兩傳感器陣列便不足以完成定位,需要通過布置額外傳感器來預先判斷聲發射源位于哪兩個傳感器陣列之間,之后才能運用式(1)進行線性損傷定位。

2.1.2 二維時差定位法

二維時差定位又稱平面定位,在實際檢測中運用得較為廣泛,如圖3所示的為利用兩傳感器陣列在材料性質均勻的無限平板上定位聲發射源的一個示例。若假設聲發射源產生的應力波以恒定波速沿直線傳播,則根據雙曲線的定義,不難求得出聲發射源(Xs,Ys)位于式(2)所示的且以兩傳感器為焦點的一支雙曲線上。

圖3 兩傳感器平面定位

(2)

式中:Δt為信號到達時間差值;D為兩傳感器間距;V為波速。

然而,僅得到發射源(Xs,Ys)位于如式(2)所示的一條雙曲線上,無法確定準確的源位置坐標,如圖4所示,通過添加第3個傳感器,便可得到三對傳感器組合(1-2,2-3和1-3),利用另外一對傳感器測的時差信息,也可獲得一條關于源位置的雙曲線,因此兩條雙曲線的交點便為準確的聲發射源位置[9]。

圖4 三傳感器平面定位

2.1.3 無須波速的二維時差定位法

從式(2)中可以發現,對于傳統的時差定位法首先需要求得波速V才可確定聲發射源的位置坐標,如果波速難以獲得則無法運用該方法進行損傷定位,為此[10]對傳統時差定位法進行改進,通過定義如式(5)所示源誤差函數E(x0,y0),使平面時差定位法在無須知曉波速V的情況下便能實現損傷定位(在最優化文獻中,該誤差函數也被稱為目標函數)。該方法能夠便捷地運用多個傳感器同時參與定位以提高定位精度。

tij=ti-tj

(3)

(4)

(5)

式中:t0為信號發生時間,ti為信號到達傳感器的時間;(x0,y0)為估計源坐標,(xi,yi)為第i號傳感器坐標;di為待估計聲發射源與i號傳感器的直線距離;n為傳感器總個數。在該方法中,只有估計源坐標(x0,y0)是唯一的變量,因此只需將待估計源坐標(x0,y0)及相關參數帶入到式(5)中,便可計算該點對應誤差函數E(x0,y0)的值。當估計坐標與實際位置不同時,E(x0,y0)>0,且僅當估計坐標與實際坐標一致時,E(x0,y0)=0。因此使E(x0,y0)有最小解的坐標(x0,y0)為合理估計聲發射源位置坐標。

時差定位法已被證實能夠有效地對簡單金屬構件進行實時損傷定位,特別是改進的時差定位法,在無須測量波速的情況下便能完成定位工作,同時還能便捷地使用多個傳感器陣列來進一步減小誤差。但是由于受到波速必須保持恒定以及波在傳播過程中只沿直線傳播這兩個前提假設的限制,該方法在材料各向異性或幾何復雜的結構上的定位精度較差。

2.2 單傳感器模態分析法

單傳感器模態分析法利用蘭姆波在傳播過程中會發生頻散這一特性,提取陣列中單個傳感器接采集的蘭姆波中不同模態波的到達時間差值來確定損傷位置。如圖5所示,在特定頻率下材料的S0模態和A0模態會以不同的波速進行傳播,采用合適寬帶傳感器來接收波信號,然后通過帶通濾波器便可將兩種模態進行分離,并測量得到各自的到達時間[11]。以線性定位為例,假設S0模態和A0模態的波速分別為CS、CA,不同模態信號到達傳感器的時間差值為Δt,那么聲發射源位置與傳感器的距離D可用公式(6)表示。

圖5 單傳感器模態分析法

(6)

實際運用中,Dungan[12]使用單傳感器模態法對700 mm×600 mm的鋁板進行了損傷定位實驗,其中最大誤差控制在3.2 mm以內,具有良好的定位表現,而Maji等[13]也使用該方法成功地對鋼梁和鋼板的損傷進行評估。但是該方法同樣要求待測試件必須是完全連續且材料均勻,同時還要求聲發射源與傳感器必須有足夠遠的距離以確保能過形成完整的蘭姆波,因此一般適用于簡單結構。

2.3 波束形成法

與上述方法中采用分散式傳感器陣列不同,波束形成法利用緊密排列的傳感器陣列,使所有傳感器能夠檢測到傳播路徑類似且受衰減、頻散特性影響程度相近的聲發射信號,并結合延遲-疊加算法來完成定位[14,15]。如圖6所示,以坐標原點處的傳感器S1為參考傳感器,則實驗區域中任意位置(焦點)的聲發射信號與到達i號傳感器的時間延遲可表示為:

圖6 波束形成法

Δti=(d-di)/c

(7)

式中:d為焦點與參考傳感器S1的距離;di為焦點與i號傳感器的距離;c為波速。

根據各傳感器相對于參考傳感器的時間延遲對各傳感器采集到的聲發射信號進行時差補償,并將補償后的波形信號進行疊加后求平均值可得:

(8)

式中:n為傳感器個數;wi為傳感器Si的權重系數,通常取1;xi(t)表示傳感器Si采集的聲發射信號。

通常不同焦點位置對應的時間延遲Δti的值也各不相同,僅當焦點位置與聲發射源位置一致時,根據式(8)的延遲-疊加算法對各傳感器的聲發射信號進行調整,才會使調整后的信號在相同的相位發生疊加而使X(t)取得最大值。

波束形成法本質上是一種時間和空間濾波的方法,該方法必須假設入射到陣列上的聲發射信號特征相對恒定,只有在該前提下陣列中某一傳感器采集的聲發射信號才可認為是陣列中相鄰傳感器聲發射信號的延時復制,而聲發射源通常被認為是點源,因此“延遲復制”這一假設僅在聲發射源與傳感器之間的距離遠大于相鄰傳感器間距時才具有實用意義。

2.4 時差圖法

在實際運用中,由于信號并不會總是簡單地沿直線傳播,傳播路徑會受到結構幾何特征的影響而發生改變,因此導致上方聲發射方法在復雜結構上的適用性較差,雖然這些問題可以通過對信號的傳播路徑進行專業評估或調整傳感器位置等方法來提供解決思路,但這些方法仍舊是以估算為前提,從而無法提供準確的定位結果。為了探尋一種能夠用于復雜結構的聲發射定位方法,卡迪夫大學工程學院的Rhys Pullin、Baxte等[16]首次提出了時差圖法的概念,并成功運用于復合材料以及復雜飛機組件的損傷定位[17]。

時差圖法通過對結構劃分網格,并在網格節點上進行斷鉛實驗(pencil lead break,PLB或H-N源[18]),預先模擬各位置損傷時信號到達各個傳感器的時間,然后利用為每對傳感器構建的關于結構的時差分布圖來實現損傷定位。如圖7所示,時差圖法主要由以下五個步驟組成,如圖7所示。

圖7 時差圖法的流程圖

(1) 確定待測區域。理論上時差圖法可完全覆蓋整個結構,但是這樣會在制圖過程上花費過多時間和精力,因此通過區域定位的方法預先排除部分無損傷區域,將測試區域縮小為結構中病害多發的疲勞熱點區域或傳統方法難以運用的復雜區域。

(2)劃分網格。在確定待測區域后,需再對區域劃分網格。可通過控制最大網格尺寸來提高定位精度,網格的分辨率越高則定位精度越高,但是選用精細的網格尺寸也會使工作量變大,因此需要結合實際情況來確定合理的網格尺寸。

(3)網格節點斷鉛獲取到達時間數據。實驗中借助常用的斷鉛信號來模擬裂紋聲發射源，因此在各個網格節點上進行斷鉛實驗,可模擬獲得信號到達各傳感器的時間。在每個網格節點需進行多次重復斷鉛試驗，以減少實驗誤差。

(4)計算時差分布圖。對于每一對傳感器來說,計算各網格節點聲發射源信號到達兩個傳感器的時差Δt,便能獲得該傳感器對于所有網格節點的時差矩陣,進而計算該傳感器對于所有位置的時差分布圖,以4通道傳感器陣列為例可得到6組傳感器對,對應6張時差分布圖。另外在制圖時,可以對網格節點的數據進行整體插值,以獲得更大數據矩陣來進一步提高定位精度。

(5)損傷定位。當發生真實損傷時,根據損傷信號到達各傳感器的時間,計算其每組傳感器對的時差,在每張時差分布圖中都能找到一條估計位置線。然后,將各傳感器對的估計位置線進行疊加,其交點即為聲發射源(損傷)位置。

時差圖法能夠考慮聲發射波在傳播過程中的波速改變、反射和頻散現象,在正交異性鋼橋面板等幾何結構復雜或材料屬性不均勻的大型復雜構件上展現出巨大優勢和潛力。

3 結 論

本文對多種聲發射損傷定位方法進行綜述,其中時差定位法利用信號到達不同傳感器對的時間差來確定損傷源位置;單傳感器模態分析法則利用陣列中單個傳感器采集損傷信號中不同模態波的到達時間差異來確定損傷;而波束形成法通過將傳感器緊密排列,并結合延遲-疊加算法實現損傷定位。這三種方法均需假設聲發射波僅沿直線傳播且波速恒定,所以一般只適用于簡單結構的損傷定位。而時差圖法通過斷鉛模擬聲發射源預先獲得的多點實測數據以構建結構的時差分布圖,然后采用加權算法實現損傷定位,能夠考慮聲發射波在傳播過程中的波速改變、反射和頻散現象,對大型復雜結構進行損傷定位時具有較高的定位精度。

在實際運用中,結合各聲發射損傷定位方法的特點,可對工程結構的實際病害位置實現高效檢測以及實時監測。