声发射波在不同复合材料容器表面的衰减特性

冯琰妮，禄芳菊，庞虎平，马云中，任天录

（西安复合材料研究所，西安 710025）

在内力或外力作用下，材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象称为声发射现象［1］。用仪器探测、记录、分析声发射波和利用声发射推断声发射源的技术为声发射技术。声发射技术作为一种动态无损检测方法，能够检测到与声发射源相关的弹性波信号，进而对产品的结构完整性及整体性能做出评价。但在声发射检测过程中，由于受到材料本身及构件形状特征的影响，声发射波从声发射源发出并传播到声发射探头处的整个过程中，声发射波的幅值会随着传播距离的增加产生减小现象，称为衰减。而衰减的大小，关系到每个传感器可以监视的距离范围，在源定位中成为确定传感器间距或工作频率的关键因素。

复合材料由于具有高比强度、高比模量等优点，被广泛应用于各行业的产品制造中。但对于声发射检测来说，复合材料由于其材料、结构、工艺、介质及各项异性等因素，却具有声发射信号丰富、衰减大、各向衰减不同等特点，增加了检测的复杂度［2］。笔者以F－12纤维及碳纤维复合材料为试验对象，分析了声发射波在这两种纤维复合材料容器中的衰减特性，为这两种复合材料进一步的声发射检测研究提供参考依据。

1 声发射检测试验过程

1.1 试样的安装布置

在复合材料容器声发射检测试验过程中，以0.5mm HB自动铅笔铅芯的折断作为声发射模拟源，试验了声发射波在碳纤维及F－12纤维两种复合材料容器上的衰减情况。复合材料容器采用立式放置，如图1（a）所示。在容器筒段选取较为平整光滑的曲面，曲面展开为正方形，尺寸为1 m×1 m。在曲面边缘选取一点作为衰减测试的原点，以该原点为起点在顺纤维方向（0°方向／环向）、垂直纤维方向（90°方向／轴向）、与纤维成45°方向上（45°方向）画出长度1m 的弧线。在弧线上，距原点距离0.1 m 内，每隔0.01m 标注尺寸，在距原点距离大于0.1m 位置，每隔0.05m 标注尺寸，筒段曲面展开，如图1（b）所示。在相应尺寸点上产生模拟源，并记录该点模拟源产生声发射波的幅值，分析幅值在各个方向上随距离变化的衰减情况。

图1 复合材料容器检测示意

1.2 试验设备设置

声发射检测仪器采用美国PAC 公司的DISP声发射检测系统。选用1 个R15型探头接收声发射信号的幅值，探头通过单端前置放大器与仪器通道连接。探头与被测容器之间采用医用凡士林作为耦合剂，探头布置于原点位置，探头中心与原点重合，如图1（b）所示。声发射试验时设置的检测门槛为40dB，前放增益为40dB，探头中心频率为150 Hz，无前置滤波。闭锁时间是材料相关参数通过试验来选定，选取原则是在确保区分信号的基础上，减少回波的影响。

1.3 试验内容

通过声发射技术分析材料类型、材料组织方向、受载历史及容器中介质对声发射衰减的影响。包括：

（1）对比分析碳纤维材料及F－12纤维材料顺纤维方向（0°方向／环向）、垂直纤维方向（90°方向／轴向）、与纤维成45°方向上（45°方向）声发射波幅值随距离的变化情况。

（2）对比分析容器内部介质为空气及水时声发射波幅值随距离的变化情况。

（3）对比分析容器受一次内压载荷试验前、后声发射波幅值随距离的变化情况。

根据上述不同因素影响，在碳纤维容器及F－12纤维容器的三个方向上的尺寸点上，分别使用铅笔芯折断方式产生声发射模拟源。使用声发射采集系统采集模拟源产生的信号，直到产生的声发射波因衰减而无法被系统接收为止。记录距离及对应距离的声发射信号幅值。

2 结果分析

2.1 复合材料容器不同方向上的幅值衰减对比分析

碳纤维复合材料容器不同方向上的声发射波幅值衰减对比如图2（a）所示，F－12纤维容器不同方向上的幅值衰减对比如图2（b）所示。

图2 不同纤维复合材料容器不同方向上声发射波的幅值衰减对比

从图2可以看出，在复合材料容器上采集到的信号幅值随距离增加呈现类似指数衰减特征，顺纤维方向采集的信号幅值衰减最小，45°纤维方向和垂直纤维方向衰减较大。距离原点0.1m 以内的衰减明显大于0.1m 之后的衰减。在门槛为40dB的检测条件下，从图2（a）可以看出，碳纤维复合材料顺纤维方向、垂直纤维方向和45°纤维方向能检测到声发射波的距离分别为0.9，0.9，0.65m。顺纤维和垂直纤维方向的衰减距离相同，大于45°纤维方向。从图2（b）可以看出，F－12纤维复合材料顺纤维方向、垂直纤维方向、和45°纤维方向能检测到声发射波的距离分别为0.5m，0.2，0.2cm。垂直纤维方向和45°纤维方向衰减距离相同，明显短于顺纤维方向。

声发射波衰减的机制主要为：波的几何扩展、材料吸收、散射及频散等。分析可知，顺纤维方向由于材料吸收小于其他两个方向，主要由于几何扩展造成能量的损失，从而导致较小的衰减［3］。45°纤维方向及垂直纤维方向上，信号在传播过程中由于在不同纤维束之间、纤维与基体界面间、基体与基体间产生多次反射及材料吸收影响，导致较大的能量损失，出现比顺纤维方向严重的声发射波幅值衰减现象。

2.2 不同材料相同方向上的幅值衰减对比分析

F－12和碳纤维容器在顺纤维，垂直纤维及45°纤维三个方向上的声发射波幅值随距离变化的衰减对比结果如图3所示。

图3 碳纤维及F－12纤维材料不同方向上波幅衰减特征对比图

从图3可以看出，碳纤维材料三个方向上的波衰减均小于F－12纤维复合材料。以40dB为门槛，碳纤维复合材料可以检测到信号的检测距离显著长于F－12纤维复合材料，约为F－12纤维复合材料检测距离的两倍。碳纤维复合材料由于材料本身粘弹性及热传导特点优于F－12纤维，同时碳纤维材料表面光洁度等优于F－12纤维的特点，导致质点能量损耗明显小于F－12，进而导致波幅值衰减小于F－12纤维复合材料的。

2.3 不同受载历史对幅值衰减特征的影响

声发射检测不仅受被测材质影响，还与产品的受载历史相关［4］。产品受载过程中，由于材料的变形、裂纹扩展、应力释放等现象具有不可逆性，因此这些现象对应的声发射现象也具有不可逆性，检测信号不可复现。以F－12纤维容器一次内压试验前后，45°纤维方向为例，分析受载前后的声发射波幅值衰减特征，结果如图4所示。内压试验加载级别为：0压力单位→0.3 压力单位→0.6 压力单位→0.9压力单位→1压力单位。从图4中可以看出，一次内压试验后，声发射信号的衰减明显大于容器未受载荷时的衰减。一次内压试验后，容器的检测距离小于未受载荷状态，信号衰减程度大于未受载荷状态。一次内压试验后，由于应力释放，复合材料完成基体开裂，微观纤维断裂等现象的发生，导致基体与纤维，纤维束与纤维束间出现微观分离，信号在传播过程中因这些分离及材料特性的改变而导致更大的能量损失，相比于试验前，引起信号幅值更大的下降。

图4 复合材料容器受载前、后的幅值衰减特征对比

2.4 容器中不同介质对声发射信号衰减特征的影响

声发射波产生后，在传播过程中会向相邻介质“泄露”而造成波的幅值下降，产生衰减。容器中水介质和空气介质对声发射波的衰减特征影响如图5所示。从图5 中可以看出，水介质时信号的衰减程度小于空气介质状态，但差别不大，以本次试验为例，两种状态相同距离条件下，最大信号幅值差别约为8dB，且两种状态下检测不到信号的距离相同。

图5 复合材料容器不同介质的幅值衰减特征对比

3 结论

复合材料由于各项异性特征，导致材料表面三个典型方向上的声发射衰减信号特征存在差异，顺纤维方向衰减最少、垂直纤维方向次之、45°纤维方向衰减最大。

碳纤维复合材料三个方向上的衰减均小于F－12纤维，也就是说碳纤维产品的检测距离大于F－12纤维产品，约为F－12产品检测距离的2倍。F12纤维复合材料容器比碳纤维复合材料容器衰减大，可能基于材料特性和结构因素。

产品受载历史影响幅值衰减特性，进而影响检测距离及探头间距的选取。声发射检测前需要明确产品的受载历史，以便于对检测到的信号进行全面分析。

容器中介质对信号幅值衰减存在影响，但从试验结果可以看出，这种影响并不显著，因而有待进一步研究。

［1］杨明纬.声发射检测［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］张虹，靳世久，孙立瑛.不同管道特征对声发射信号幅值的衰减特征影响［J］.管道技术与设备，2005（3）：13－14.

［3］周伟，田晓，张婷.风电叶片玻璃钢复合材料声发射衰减与源定位［J］.河北大学学报，2012，32（1）：100－104.

［4］王瑞恩，张万岭，沈功田，等.压力容器用工业纯钛板材声发射衰减特性［J］.无损检测，2012（2）：17－19.