高温条件下波导杆的在线损伤检测

(北京强度环境研究所，北京 100076)

声发射(Acoustic Emission,AE)是物体迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发生。声发射的产生与材料内部的破坏密切相关，所以声发射信号的变化可以反映材料的破坏进程，起到检测和预测材料破坏的作用。声发射技术具有连续、实时检测等特点，并且对材料的开裂和裂纹的扩展非常敏感，已成为检测材料破坏的一种重要手段。

要想在高温条件下进行声发射检测，只能采用高温传感器或通过波导杆传导声发射信号。但是，高温声发射传感器不仅价格昂贵，更重要的是其耦合以及传感器的固定在现场检测时十分不便，所以采用连接波导杆的方法进行高温环境下的声发射检测具有重要的应用前景[1-2]。波导杆的一端与试件通过点焊或物理连接，保证试件与波导杆接触良好，另一端通过机械装置以及耦合剂与声发射传感器耦合[3-4]。

波导杆的声学性能以及固定方式都是影响声发射检测的关键因素，显然要实现高温声发射检测，最关键的是寻找合适的波导杆。理想的波导杆应满足以下条件。

(1)有较好的柔韧性，自身不产生振动或应力波，从而不会形成多余的声发射信号。

(2)能快速、低衰减地传递应力波，避免丢失微弱的声发射信号。

(3)尽可能小的波形失真。

(4)有较高的熔点。

影响波导杆应用的一个关键因素就是衰减问题，刘建军等经过研究认为，进行高温检测的过程中，检测是否成功很大程度上取决于波导杆的耦合是否良好。蒋俊等通过试验证明，只要耦合良好，幅值并不会降低很多。从现场测试来看，波导另一端表面的最大衰减不到20 dB，完全可以满足检测所需。

李建功等[5]利用ANSYS软件对AE信号在波导杆中的传播规律进行了数值模拟。数值模拟分析结果表明，AE信号在波导杆中传播时受波导杆的粗细以及长短影响，波导杆直径在110 mm间时，其对AE信号传播的影响较小，且波导杆长度应尽量大于0.5 m，以保证信号的稳定性。

历史是不可能发生的事：企图用不完整的知识，来解释本身就在不完整的知识下发生的行为。因此它教导我们，没有通向“救赎”的捷径，没有制造“新世界”的秘方，只有兢兢业业和耐心的做法才行得通。我教导你们，通过不断努力解释，我们也许可以最终得知——并非某种解释——我们进行解释的能力是极其有限的[2]92。

1 波导杆的设计

在以上研究以及运用声学知识分析的基础上，设计了波导杆，其结构如图1所示，笔者分别设计了不同材料、不同直径、不同长度以及有无拐角的波导杆，研究各影响因素对波导杆传导声波的影响。采用控制变量法设计，即研究某一影响因素时，确保其他因素相同。

图1 波导杆结构示意

图2 波导杆传导声波影响因素分析框图

2 波导杆特性比较研究

研究不同结构的波导杆对AE信号幅值、波形等的影响，确定最适合AE检测的波导杆的结构。

断铅试验是一种稳定、可靠、重复性高的验证方法，常用于模拟损伤源。参数分析法和波形分析法是AE信号处理最常用的方法，主要用于描述AE源特性以及评估材料损伤程度，因此采用断铅试验来比较波导杆特性。

2.1 传感器标定

采用16通道声发射系统采集信号，该系统主要由压电传感器、前置放大器、AE信号记录和分析软件等组成，AE前置放大器的放大倍数为40 dB。传感器靠压电效应，将材料局部损伤以能量形式释放的弹性波转化为电信号。门槛值设定为45 dB，信号采样率设为3 Mb·s-1。采用直径为0.5 mm的铅芯在矩形试件表面进行断铅试验，铅芯伸长量为2.5 mm，每次断铅时保证铅芯与试件表面夹角为30°。传感器1,2和5分别置于距离断铅10 mm处，并采用磁性夹具固定。传感器和试件之间涂有耦合剂，目的是减少AE信号在传感器和试件界面处过度散射和衰减，采用10次断铅取平均值的方法进行对比。通道1,2,5进行10次断铅的AE信号幅值平均值分别为98.4,96.4,98.0 dB。3个传感器采集的每次断铅的AE波形也极为类似，为典型的高衰减突发性AE信号。

快速傅里叶变换(FFT)作为时域和频域转换的分析工具，广泛应用在数字通信、图像处理、雷达信号处理、航空航天等领域，利用FFT对AE信号的频谱进行了计算，以观察波形在频域内的变化。

图3为采集的第6次断铅时的AE波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号覆盖，3个传感器采集到的波形几乎一致。由FFT得出的频谱结果可以看出，3个AE信号的频谱主频所在的频率段相同，在020 kHz间以及110 kHz120 kHz间。

图3 矩形试件的AE波形和频谱

2.2 波导杆材料影响分析

对材料为高温合金GH4169、A3钢的波导杆AE信号传播特性作了比较，通道1为GH4169合金波导杆+传感器，通道2为A3钢波导杆+传感器，通道5为传感器。采用断铅试验模拟损伤源，断铅位置与高温合金GH4169波导杆端头、A3钢波导杆端头以及不带波导杆的传感器距离相同，为10 mm。两根波导杆尺寸相同，直径为5 mm，长为1 m。

通道1，2，5进行10次断铅的AE信号平均幅值分别为86.6，93.6，98.5 dB。比较幅值，发现A3钢波导杆对AE信号的衰减明显小于高温合金GH4169波导杆的。

图4为采集的第6次断铅的AE波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的信号幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号掩埋，通道2采集到的波形更加接近于通道5采集到的波形；相对于无波导杆的通道5，通道1,2接收到的AE信号略有延迟，延迟时间小于1 ms。

图4 第6次断铅AE波形和频谱(材料影响试验)

频谱图表明3个AE信号的频谱主频所在的频率段各有两处，较低频率段大致相同，在030 kHz之间；较高频率段通道5主频在120 kHz左右，通道1,2主频在90 kHz100 kHz之间，说明波形有微小失真，对比3个频谱，通道2更加接近于通道5。

通过以上分析，A3钢波导杆接收到的AE信号衰减要小于GH4169合金波导杆接收到的，且波形更加接近于无波导杆时采集的完全真实信号，因此认为相同尺寸的A3钢波导杆更有利于AE信号的传播。

2.3 波导杆直径影响分析

对不同直径A3钢波导杆AE信号传播特性作了比较，通道1为直径5 mm波导杆+传感器，通道2为直径1 mm波导杆+传感器；采用断铅试验模拟损伤源，断铅位置与波导杆端头的距离相同，为10 mm。两根波导杆长度相同，为1 m。

通道1，2进行10次断铅的AE信号平均幅值分别为87.5，81.7 dB。比较幅值，发现5 mm直径波导杆对AE信号的衰减明显小于1 mm直径波导杆的；这说明波导杆的直径越大，越有利于AE信号的传播。

图5为采集的第6次断铅AE信号波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号覆盖，通道1采集到的波形更加接近于断铅试验产生的脉冲波。

图5 A3钢波导杆AE信号波形和频谱

频谱图表明，两个AE信号的频谱主频所在的频率段相同，在040 kHz间以及160 kHz170 kHz间。

通过以上分析可知，5 mm直径波导杆接收到的AE信号衰减要小，这说明波导杆的直径越大，越有利于AE信号的传播。

2.4 波导杆长度影响分析

对不同长度A3钢波导杆的AE信号传播特性作了比较，通道1为1 m长波导杆+传感器，通道2为0.8 m长波导杆+传感器；采用断铅试验模拟损伤源，断铅位置与波导杆端头距离相同，两根波导杆直径相同，均为5 mm。

通道1，2进行10次断铅的AE信号平均幅值分别为89.9，91.2 dB。比较幅值，发现两者之差在1 dB左右；这说明波导杆越短，越有利于AE信号的传播，但是影响较小。

图6为采集的第6次断铅AE信号波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号覆盖，传感器采集到的波形几乎一致。

图6 第6次断铅AE信号波形和频谱(长度影响试验)

频谱图表明，两个AE信号的频谱主频所在的频率段各有两处，较低频率段大致相同，在030 kHz之间；较高频率段通道1主频在60 kHz70 kHz，通道2主频在80 kHz90 kHz之间，这可能与端头焊接工艺有关。

通过以上分析，0.8 m长波导杆接收到的AE信号衰减小，这说明波导杆的长度越短，接收到的AE信号衰减越小，越有利于AE信号的传播,所以建议选择适合检测条件下长度较短的波导杆，检测中选择0.8 m长的波导杆。

2.5 波导杆拐角影响分析

为分析拐角对AE信号的影响，进行了试验，即采用断铅试验模拟损伤源，断铅位置距波导杆端头距离相同。两根波导杆直径相同(为5 mm)，长度相同(为1 m)。波导杆结构示意如图7所示。

图7 拐角试验时的波导杆结构示意

通道1,2进行第10次断铅的AE信号平均幅值分别为88.5，92.7 dB。比较幅值，发现两者之间差值为4 dB左右，这说明波导杆拐角会造成AE信号的衰减。

图8为采集的第6次断铅AE波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号覆盖，传感器采集到的波形几乎一致。

图8 第10次断铅AE信号波形和频谱(拐角影响试验)

频谱图表明，两个AE信号的频谱主频较明显，主频范围在030 kHz之间，但是通道1主频所在频率较窄且略高。

通过以上分析，不带拐角波导杆接收到的AE信号衰减要小，这说明波导杆拐角对AE信号有衰减作用，不利于AE信号的传播，设计时应尽量避免波导杆带拐角。

3 波导杆高温条件下的应用

选择合适的波导杆应用于高温试验是研究的重点，因此在某热试验过程中，采用波导杆进行高温条件下的AE损伤检测。波导杆一端与轴承通过黏接的方式连接，保证试件与波导杆的良好接触，另一端通过机械装置以及密封剂和AE传感器耦合。采用波导杆连接试件和传感器，避免了传感器与高温试件直接接触，接入通道6；作为对比，另一不带波导杆的高温传感器安装于轴承的对称另一端，接入通道1。试验加热温度为700 ℃，图9为载荷控制曲线(图中W为横向位移载荷，F为纵向力)。

图9 高温试验时的试验件载荷控制曲线

图10为AE全程采集波形，由图10可以看出，从外观看两者采集波形大体相似，与载荷谱相对应分为4个阶段，取一阶段信号进行进一步分析。

图10 AE全程采集波形(高温试验)

在此阶段可以明显看出，波形呈周期性变化，变化周期约为2.5 s，正好与轴承偏转周期的一半相同，说明此阶段产生的AE信号主要来源于轴承偏转，但是从波形看出波导杆采集到的波形弱于直接用高温传感器采集到的波形。部分AE采集波形如图11所示。

图11 部分AE采集波形(高温试验)

取一部分时间内的波形，统计其平均幅值，通道1,6平均幅值分别为98.1,86.3 dB。通过比较幅值，发现两者之差值为12 dB左右，信号衰减明显。

频谱13为从第一阶段中挑取的有代表性的3种频谱(见图12)，通过比较发现，主频出现在030 kHz之间，两者主频频率几乎相同。

图12 有代表性的3种图谱(高温试验)

4 结论

A3钢波导杆优于GH4169波导杆。波导杆传播AE信号受直径的影响，在一定范围内，直径越大越有利于AE信号的传播；波导杆传播AE信号特性受长度影响，在一定范围内，长度越短越有利于AE信号传播；波导杆拐角对AE信号有衰减作用，使用时应尽量避免波导杆带拐角。

通过高温条件下的应用分析得出：① 波导杆可以用于高温条件下材料的损伤检测；② 波导杆对于AE信号传播有明显的衰减作用，对于AE信号较弱的损伤可能检测不到；③ 波导杆会微调AE信号的频带分布;④ 波导杆应用于高温AE检测时，波导杆的选材很关键。