基于线性震源定位算法的声发射损伤定位技术

张程杰,郭 涛，梁 颖,畅彦祥

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

飞机结构或石油储罐罐底等特殊设备损伤位置的精准定位对无损检测十分重要。如何获取完整的损伤萌生、扩展和疲劳损伤定位信息是当前面临的难题。通过声发射技术(AE)识别这3个阶段，AE技术在寻找这些结构损伤位置或损伤源方面发挥着重要作用[1-4]，其中AE的主要目标往往是损伤萌生的震源位置。

AE是指在外力或内力的作用下，材料发生机械变形，微裂纹的萌生和扩展、位错运动或类似的不可逆变化，导致弹性能的突然释放而引起瞬态应力波传播。声发射传感器用于检测材料表面声发射事件产生的声波。AE信号的输出具有表征属性的特点，其在无损检测中起着重要作用。

震源定位是声发射工程应用中的强大工具。在实验室和工业测试中，声发射源定位算法使用广泛。声发射震源线性定位是一种较为准确但又复杂的定位方式，其定位精度易受波速、衰减和波形等多参量的影响[5]。在实验室进行震源定位试验，以确定震源特征，同时结合声发射特征值，确定损伤的来源。

文章的目的是阐明08AL铝制小板疲劳损伤的声发射技术的线性震源定位特性。在弹性波的理论探讨中一般会基于弹性波能够在线性弹性介质中发生无畸变传播的假设，但实际上声发射波在传播过程中总是发生散射和衰减，这在研究声发射信号时必须考虑[6]。由于08AL铝制小板属于优质碳素结构钢，声发射波在该材料内部传播过程中存在散射和异常现象，为了更接近实际情况，采用两个试验来验证声发射源定位算法。

1 线性源定位算法

声发射结构健康监测系统的一个重要优点是能够定位损伤源。基于声发射的结构健康监测技术可以实时定位损伤源，而基于振动或超声等结构的健康监测技术则是在损伤发生后才进行检测的，所以声发射技术在健康监测系统中发挥着重要作用。

线性震源定位有多种方法，该研究过程应用了时差法(TD)。线性震源定位技术的建模如图1所示，其中声发射源由S0表示。同理，S1,S2分别为AE传感器1，传感器2；t1,t2分别为声发射源传播到传感器1和传感器2的时间。

图1 线性震源定位技术的建模

l,l1,l0分别为两个传感器S1和S2之间的距离，声发射源到传感器1的轴向距离和声发射源到两个传感器中点的轴向距离。TD算法的数学关系式为

(1)

(2)

式中：Δt为声波到达传感器1和传感器2的时间差;v为测得的声发射波速，可用式(3)表示。

v=d/t

(3)

式中:d,t分别为声发射波的传播距离和传播时间。

2 试验方法

为了对08AL铝制小板声发射源定位技术进行表征，进行了两种主要类型的试验。一种是铅芯断裂试验，另一种是疲劳载荷下的实验室试验，确定了声发射开裂源。在进行声源定位计算之前，还通过试验确定了声发射波在08AL铝制小板中的传播速度。

2.1 声发射波速测量

采用与断铅试验/疲劳试验相同厚度的08AL铝制小板进行声发射波速试验。传感器的位置和断铅的位置如图2所示，传感器S1,S2和前置放大器的参数如表1 所示，AE源是直径为0.5 mm的HB铅芯，铅芯伸长量为2.5 mm，断铅时保证铅芯与试件表面夹角为30°，断铅试验操作示意如图3所示。通过声发射波速试验计算出传感器1到传感器2的声发射波传播时间t。断铅试验示意如图3所示。通过声发射波速试验计算出传感器1到传感器2的声发射波传播时间t，测速试验装置结构框图如图4所示。

表1 声发射传感器和前置放大器参数

图2 传感器位置(S1, S2)和断铅点(S0)位置示意

图3 断铅试验操作示意

图4 声发射波速测量试验装置结构框图

2.2 断铅试验

断铅试验是在无噪声环境下对同一试样进行的疲劳试验。断铅试验的结果也被用于校准疲劳试验中使用的源定位技术。

断铅试验和实验室疲劳试验所用的08AL铝块试样尺寸如图5所示。试样材料化学成分的质量分数如表2所示。08AL铝制小板的力学性能如表3所示。08AL铝制小板尺寸按国家标准GB/T 228.1-2010 《金属材料 金属拉伸》加工并进行热处理，使硬铁碳化物组织转变为可锻基体，基体中含有一定量的复合碳，热处理后具有更高的强度和硬度。在试件中间切割一个中心孔，以使裂纹通过该孔并向表面扩展。左右两端其他孔用于连接疲劳加载机器。对试件进行镜面抛光，以观察裂纹扩展情况，且通过电子显微镜进行微观结构分析。在疲劳载荷下，裂纹的扩展一般从中心圆孔的周边开始。所有传感器与前置放大器、主放大器、数据采集装置连接，最后将结果保存到计算机上。

图5 08AL铝块试样尺寸示意

表2 试样材料的化学成分质量分数 %

表3 08AL铝制小板的力学性能

2.3 疲劳试验

通过疲劳加载机对试样施加疲劳载荷，使其产生足够的裂纹，并持续到裂纹断裂。4个AE传感器(S1,S2,S3和S4)连接到试样上。在传感器和试样之间涂抹耦合剂，以避免信号泄漏和减少信号反射。每个传感器均连接前置放大器，再连接到4通道主AE放大器上，经高通滤波以及低通滤波后，进一步分析声发射信号。试验装置原理如图6所示。在图6中，疲劳加载部位用虚线表示。疲劳加载机的控制器连接在系统上，用于控制疲劳载荷、加载周期和机器的电源开关。疲劳试验中声发射传感系统的连接方式与断铅试验的相同。

图6 疲劳试验装置原理示意

声发射试验中，前置放大器的增益设置为40 dB，主放大器增益设为0。采样频率选择为1 MHz，为了避免噪声，断铅试验中的试样安装在吸声材料上。在疲劳试验中，为了避免噪声，将软件中的触发声发射门槛值设置为45 dB，信号采样率为1 Mbit·s-1。

3 试验结果与讨论

利用线性震源定位技术对08AL铝制小板的结构损伤定位进行了研究,并试验验证了该算法的有效性。

3.1 断铅试验结果

根据上述试验，断铅试验的线性震源定位参数如表4所示。声发射波信息的精确提取是实现声发射源定位的前提条件[7]。

表4 断铅试验的线性震源定位参数

3.2 疲劳试验结果

疲劳试验的线性震源定位参数如表5所示。传感器、放大器的设置及试验的其他准备工作是基于断铅试验开展的。

表5 疲劳试验的线性震源定位参数

断铅试验和疲劳试验中声发射震源定位结果的比较如图7所示(图中CH1CH4通道分别对应连接14号传感器)。2号传感器的数据有一些异常，分析认为这是因为其靠近损伤部位接收到了较高的声发射能量反射造成的。与疲劳试验相比，断铅试验中2号传感器的反射波相对较少。在这种情况下，由于在断铅试验中破坏强度也较小，因此2号传感器中获得较多声发射能量的原因可以不考虑。此外，在断铅试验中，铅芯断裂的方向也会影响检测结果。

图7 断铅试验和疲劳试验中声发射震源定位结果的比较

3.3 声发射参数结果比较

断铅试验中4个传感器的幅值特征曲线如图8所示。结果表明，传感器2和传感器3的峰值振幅高于传感器1和4的，这是因为传感器2和3比传感器1和4(远场激发)更靠近裂纹，能接收到更多的声发射能量(近场激发)。在疲劳试验中也观察到同样的结果。

图8 断铅试验中4个传感器的幅值特征曲线

4个传感器断铅试验和疲劳试验声发射能量的比较如图9所示。从图9可以看出，疲劳试验接收到的声发射能量高于断铅试验的。4号传感器与2号或3号传感器相比，离声源点较远，接收的能量相对更少，AE源的位置靠近传感器2或3，从震源位置来看，和上面所讨论的情况特征也高度吻合。

图9 4个传感器断铅试验与疲劳试验声发射能量的比较

4 结语

比较了断铅试验和疲劳试验，表明声发射线性震源定位算法可以清晰有效地定位识别出结构损伤源,且传感器离裂纹越近，接收到的能量就越强。通过分析可知，为了避免声发射源定位技术中的噪声过大，需要进一步改进疲劳加载机的试样附着力，减少试验噪声，在实际应用中，要尽可能地降噪,得到的信号才更接近损伤发展的真实状况。