主动传感技术在耐火材料声学传递机理与方法研究中的应用

王广仁，王志刚，刘昌明

（武汉科技大学冶金装备及控制教育部重点实验室，湖北 武汉 430081）

1 引言

耐火材料是一种多相、多孔的复合材料，广泛应用于各种高温容器的内衬结构中。在受到外界载荷的作用下，材料内部会出现各种形式的微观损伤。为了研究耐火材料内部的微观损伤，目前使用较多的是声发射检测技术[1]。声发射信号的本质是材料在发生变形或者断裂时产生的一种应力波。耐火材料声发射信号包含了材料损伤的损伤源、损伤类型和损伤程度等丰富的损伤信息[2-3]。

传统的耐火材料声发射信号分析方法有：声发射信号特征参数分析方法[4-5]；谱估计方法；常规模式识别方法；人工神经网络模式识别方法；小波分析方法[6]等。以上方法，都是通过分析直接采集到的声波信号，未考虑到声发射信号在材料内部传递过程中发生的扩散和衰减，使得这些传统的声发射信号分析方法的结果无法准确的体现出耐火材料的真实损伤状况。因此，需要首先还原材料中的损伤源信号，然后再对还原后的信号进行分析。王志刚等人使用了盲反卷、RBPF粒子滤波等方法对耐火材料声发射信号进行恢复[7-8]，但都存在恢复方法复杂、可靠性差等问题。为了获得较为可信的损伤源信号，需要对声发射信号在耐火材料中的传播规律进行深入研究。

目前在定量分析声发射信号在复合材料中的传播规律时，普遍采用主动传感技术：使用声发射检测仪作为模拟声发射信号发生器，和以模拟的发射信号和接收信号的相对衰减系数作为判别指标的方法。文献[9-10]研究了微晶石墨/聚乙烯醇（PVA）复合材料中的声发射信号衰减系数与材料中石墨体积分数的关系。文献[11]研究了毛坯中裂纹长度与通过裂纹的声发射信号的衰减系数的关系。

以两种工业用耐火材料为研究对象，借助声发射设备从材料一端主动发射信号，从材料另一端接收信号的实验途径，以幅值相对衰减系数和能量相对衰减系数作为判别指标，研究应力波在不同传递方向和传递路径长度下的传播规律。

2 应力波在耐火材料中的传播

应力波作为一种弹性波，根据弹性动力学理论，在固体材料中的传播方程有[12]：

式中：λM、μM—材料的兰姆常数，可表示为：

式中：EM、v、ρ—材料的杨氏模量，泊松比和密度；t—时间；u—质点位移；Δ0—汉密尔顿算子—拉普拉斯算子。

当使用声发射探头对耐火材料的一端发射固定频率的入射应力波w时，应力波会在颗粒相、基质相的界面发生折射和透射，从而在界面附近产生动应力集中，并且出现应力波的散射，向界面的各个方向发出散射波。基于该界面的两侧可以将总应力波场分为入射波区域和透射波区域。根据声波的传递守恒规律，总入射波等于入射波区域和透射波区域的波的和，即总入射波w可以表示为：w=ws+wk。式中：ws—入射区域波场；wk—透射区域波场。

式中：Tp、Ta—应力波在界面透射时产生的传播和衰减系数；Bn1、

Bn2—弹性模式系数。

理论计算声场在复合材料中散射系数为公式（5）[13]；

式中：αF—复合材料颗粒相引起的应力波衰减系数；k—应力波的数量；n—单位体积复合材料中的颗粒数目；RF—颗粒半径；

gF—常数，与材料特性有关系。

由式（5）可得，应力波的衰减系数与单位复合材料中的颗粒数目成正比。表明应力波传递通过一般的两相均匀分布的复合材料时，应力波的衰减系数与穿透过材料的厚度应当是成比例关系。由于耐火材料在微观尺度上，其颗粒分布是完全随机的，颗粒大小也随机分布，但是耐火材料在宏观尺度上又表现为均质性。所以应力波透射过耐火砖时的衰减系数能否与耐火砖的厚度成比例关系还需要进一步实验验证。

3 实验研究

为了研究声发射信号在工业用耐火材料中的传递规律，选用两种在工业中广泛使用的耐火材料进行声发射信号的传播衰减特性实验，试件的参数如表1所示。

表1 试件参数Tab.1 Specimen Parameter

信号的产生与采集系统选用美国PAC公司的声发射检测仪PCI-Ⅱ系统，传感器选用R15-α（适用于复合材料声发射信号检测）。声发射传感器通过前置放大器（放大倍数40dB）与声发射检测仪连接。信号的采集参数设置，如表2所示。

表2 测试参数设置Tab.2 Test Parameter Setting

由于耐火材料为非金属复合材料，为保证采集到的声发射信号的完整性，又使不同的声发射信号不会发生混叠，将声发射信号的峰值定义时间，撞击定义时间，撞击闭锁时间分别设置为30、150、300μs。试验中模拟发射的声发射信号由PCI-Ⅱ系统中的AST功能产生，为了减小环境噪音等外界误差和由操作引起的测量误差，脉冲参数设置为：个数为100；宽度为5μs；时间间隔为100ms，对100组脉冲数据随机取10组实验数据，求取其平均值作为最终实验数据。

3.1 应力波传播方向和传播路径与衰减系数的关系

为了研究声发射信号不同传播方向、不同传播路径时声发射信号衰减的规律，设计并进行了实验1。

图1 实验1现场测试图Fig.1 Scene Diagram of Experiment One

实验1现场测试图，如图1所示。传感器布置，如图2所示。使用的耐火材料为镁碳质耐火材料。

图2 实验1传感器布置图Fig.2 Experimental One Sensor Layout

设定使用较低序号传感器作为发射传感器，较高序号传感器作为接收传感器时，声发射信号在耐火材料中的传递通道方向为正；反之为负方向。使用如图2中所示的传感器布置方式，当变换不同的传感器作为发射传感器，使用其他的传感器作为接收传感器时，即可以得到声发射信号正负传递方向对声发射信号在耐火材料中衰减系数的影响。在耐火材料的不同表面上布置传感器，可以研究声发射信号经过耐火材料中不同路径时对声发射信号衰减的影响。使用实验1中传感器采集到的信号和信号源的源信号的幅值、能量相对衰减系数来研究应力波不同传播方向和传递路径的传递规律，定义信号幅值、能量衰减系数为：

式中：i=1，2，3，4—接收端传感器的编号；Ai、Ei—第 i个传感器采集信号的幅值和能量；A0、E0—源信号的幅值和能量。

当选用1号传感器作为声发射信号激发源时，不同传感器采集到信号幅值和能量衰减系数，如表3所示。

表3 1号传感器为发射传感器时的幅值能量衰减Tab.3 Amplitude Energy Attenuation of First Sensor for Transmitting Sensor

当选用2号传感器作为声发射信号激发源时，不同传感器采集到信号幅值和能量衰减系数，如表4所示。

表4 2号传感器为发射传感器时的幅值能量衰减Tab.4 Amplitude Energy Attenuation of Second Sensor for Transmitting Sensor

当选用4号传感器作为声发射信号激发源时，不同传感器采集到信号幅值和能量衰减系数，如表5所示。

表5 4号传感器为发射传感器时的幅值能量衰减Tab.5 Amplitude Energy Attenuation of Fourth Sensor for Transmitting Sensor

分析表3～表5中的数据，可以得出以下结论：（1）声发射信号在耐火材料的传递过程中，对于所有的传递通道，信号的能量都比幅值对信号相对衰减响应更明显。（2）在耐火材料中，声发射信号经过相同的传递通道传递方向分别为正向和反向时，声发射信号的幅值，能量衰减系数均相差均极小，在2%以下，可以认为属于测量和传感器带来的误差。即有声发射信号在耐火材料中相同的传递通道中传递时，正反向传递衰减相同。

3.2 传递路径长度与衰减系数的关系

实验2中使用了四组不同厚度的耐火材料，分别为23cm、16.5cm、10.5cm、6cm。使用的耐火材料为同一批烧制的黏土质耐火材料，可以确保四块耐火材料中的组成成分及其比例是一致的。使用的材料，如图3所示。

图3 实验2所用耐火材料Fig.3 Refractories Used in Experiment Two

实验2现场测试图，如图4所示。传感器对称布置在耐火材料长度方向的两侧。

图4 实验2现场测试图Fig.4 Scene Diagram of Experiment Two

实验2中使用传感器采集到的信号与信号源的源信号的幅值、能量相对衰减系数来研究声发射信号在不同传递路径长度下的信号衰减规律，即有：

式中：中：i=1，2，3，4 是耐火材料的编号；Ai、Ei—编号 i的耐火材料上传感器采集到的声发射信号的幅值和能量，A0、E0—源信号的幅值和能量。

耐火砖编号对应的耐火砖厚度和信号幅值和能量相对衰减系数，如表6所示。

表6 信号衰减与厚度关系表Tab.6 Signal Attenuation and Thickness

将表6中的数据进行拟合，如图5所示。

图5 相对衰减系数与材料厚度关系Fig.5 Relation between Attenuation Coefficient and Thickness

由表6和图5可以看出，随着耐火材料厚度的增加，信号传递路径的增长，信号的幅值和能量衰减越来越大。这是因为随着耐火材料厚度变得越厚，声发射信号穿透过的耐火材料的颗粒就越多，声发射信号在耐火材料内部的颗粒、基质界面上的反射和折射次数越多，信号散射效果就越明显，信号的幅值和能量衰减就越大。其中，当耐火材料的厚度由6cm增加到23cm时，声发射信号幅值相对衰减系数由（-33.01）dB变为（-56.46）dB；能量相对衰减系数由（-67.75）dB变为（-104.23）dB。这与在实验1中得到的结论，信号的能量都比幅值对信号相对衰减响应更明显，是相符合的。由表5中的数据可以得到幅值和能量相对衰减系数与耐火材料的厚度的拟合曲线，幅值相对衰减系数和耐火材料厚度的线性拟合方程为y=-1.42x-23.72；能量相对衰减系数和耐火材料厚度的线性拟合方程为y=-2.16x-54.85。y表示源信号的幅值、能量相对衰减系数，x为耐火材料的厚度，线性方程拟合系数分别为0.9883和 0.9987。

虽然耐火材料在微观结构上与一般的双相复合材料不一样，不满足颗粒均匀分布，但是实验结果表明：声发射信号在一定厚度范围内的耐火材料中传递时，声发射信号的衰减系数与传递通道的长度成线性关系，且线性度很高。

4 结论

通过对两种不同的工业用耐火材料进行实验，使用了主动传感技术，以幅值相对衰减系数和能量相对衰减系数作为判别指标，研究了声发射信号在耐火材料中的传递规律：

（1）声发射信号在耐火材料的传递过程中，对于所有的传递通道，信号的能量都比幅值对信号相对衰减响应更明显。

（2）声发射信号经过耐火材料中相同的传递通道时，传递方向无论为正向或反向，声发射信号的幅值，能量衰减系数均相同。

（3）声发射信号在耐火材料中传递时，声发射信号的幅值、能量相对衰减系数分别与传递通道的长度成线性关系，且线性度很高。