复合材料层合板损伤声发射信号特征提取方法

沈书乾,李 伟,龙飞飞,曹书铭,段志宏,程丽华

(1.东北石油大学，黑龙江大庆 163000;2.大连民族大学,辽宁大连 116000 3.广东石油化工学院,广东茂名 525000 )

0 引言

碳纤维复合材料(CFRP)气瓶是通过在金属或非金属内胆上缠绕高强度碳纤维制造而成的，因具有质量轻、强度高和抗疲劳性好等优点，近年来在航天、石化和汽车工业领域应用逐渐广泛[1]。但是其抗冲击性能差，在使用过程中，当气瓶瓶身受到冲击作用下极易造成损伤。冲击损伤会使气瓶的结构发生改变，从而导致其承载能力大幅削减，造成严重的安全隐患。

碳纤维复合的冲击损伤有多种形式，大致分为基体开裂、分层损伤和纤维断裂等[2]。每一种冲击损伤的形成对应其产生的声发射信号都有明显的特征，声发射技术是一种动态无损检测技术，适用于金属和复合材料，与常规的无损检测相比，具有动态检验、灵敏度高等优点[3]，因此复合气瓶损伤评价可采用声发射技术[4-6]。本文针对复合材料气瓶的不同损伤模式，制作缠绕方式和厚度尺寸与气瓶一致的层合板，开展不同冲击能量下的声发射检测试验，期望找出信号特征与损伤类型之间的对应关系，以解决气瓶声发射监测中的信号特征识别问题。

1 试验方法

本次试验CFRP层合板为三层结构，底层为铝板，中间为平铺碳纤维，上层采用-15°～+15°碳纤维铺层，试件的长宽尺寸均为120 mm，厚度为7 mm(其中碳纤维中间层3.0 mm，上层1.5 mm，铝板2.5 mm)，试样个数为5块。试件如图1所示。

图1 CFRP层合板

试验采用CLC-A落锤式冲击试验机，有效冲击高度为1.5 m。层合板上布置2个宽带WD型传感器，位置见图2。采集系统使用PCIE高速声发射采集卡，带通范围为10～1 MHz，采样频率2M，采样长度2 k，前置放大器增益设置为40 dB。

图2 试验层合板传感器布置

按ASTM D6264/D6264M-12确定试验冲击能量为10,20,30,45,60 J。试验前，先将试件固定在冲击夹具上，传感器通过耦合剂固定于层合板上侧，并将冲头位置对准试件的冲击点位置，如图3所示。检查周围环境，确保没有影响声发射检测的噪声，按设定能量启动冲击试验机，完成相应的落锤冲击试验,并采集声发射数据。

图3 试验现场

2 CFRP层合板冲击损伤形态分析

选取20，30，45 J冲击能量下层合板为例，损伤层合板C扫描图如图4所示。

图4 不同冲击能量下损伤层合板超声C扫描图像

检查冲击后的层合板，目视可以看出：在20 J冲击能量下,层合板无明显损伤;30 J冲击能量下层合板出现明显凹坑损伤;45 J冲击能量下,层合板凹坑损伤更加明显且凹坑深度加大。即随着冲击能量的增加，层合板损伤越严重。对比图4中3种冲击能量的层合板C扫描损伤形貌可以看出：在20 J冲击能量下，层合板面内出现小面积的损伤区域；30 J冲击能量下，层合板面内较20 J损伤区域面积有所增加；直至45 J冲击能量下，层合板出现大面积损伤区域，并且可以明显地看到纤维断裂损伤与分层损伤出现。

3 CFRP层合板损伤声发射信号特征提取

3.1 CFRP层合板冲击损伤声发射信号频谱分析

为获取不同冲击能量时，层合板损伤过程声发射信号分布规律，需对不同损伤类型的特征进行提取。经处理和分析，发现层合板损伤的声发射信号波形主要为单峰值突发型和多峰值突发型，其中多峰值突发性信号极为复杂，并且不同损伤类型的声发射信号发生次序和频率等都是无规律且随机的，需从单峰值信号分析获得的结论去解释多峰值信号，因此本次研究将分析重点放在单峰值信号。单峰值信号主要包括3种类型，如图5所示。

(a)信号A

从图5可以看出，信号A主要频率集中在频带范围为90～120 kHz,峰值频率为95 kHz；信号B主要频率集中在频带范围为175～200 kHz，峰值频率为180 kHz；信号C主要频率集中在频带范围为90～120 kHz与190～230 kHz。根据碳纤维复合材料损伤信号基本特征[1-4]可知，纤维断裂信号频率应高于分层损伤信号频率，并结合不同冲击能量下A,B,C类信号的分布规律(B，C类信号在低冲击能量下出现概率低)，同时辅以超声B扫描结果(见图6)，可以判断出，信号A为分层损伤信号；信号B为纤维断裂信号；信号C为分层损伤与纤维断裂融合信号。

图6 不同冲击能量下损伤层合板超声B扫描图像

3.2 CFRP层合板冲击损伤声发射信号小波包能量提取

复合材料不同损伤模式对应信号频谱存在一一对应的关系，材料出现损伤时，会对各频带内的信号产生较大影响。由于不同损伤信号频率分布不同，往往会对某些频率成分起到抑制作用，而对另外一些频率成分起到增强作用。因此对不同类型的损伤，在相同频带内信号的能量分布有着较大的差别。

3.2.1 小波基函数的选择

db小波族具有紧支性，正交性并且正则性随着序号N的增加为增加，消失矩为2N，非常适合处理突变型号[7]。对比发现，当N取8时，该小波与层合板损伤的声发射信号相似，具有良好的相关性，如图7所示，因此选择db8小波作为小波基，能够较好地保留信号中的有效成分，剔除了冗杂信息的干扰。

图7 信号部分域波形与db波形

3.2.2 小波包分解层数的确定

根据第3.1节频谱分析所得结论，当分解层数为5层时，可有效提取信号特征且计算量小。得到了(5,0)，(5,1)，…，(5,31)共32个小波包重构信号分量。信号采样率为2 MHz，可检测信号频带0～1 MHz，根据小波包分解树节点与信号子空间频带的对应关系，得到重构信号小波包的频率范围[8-12]，由于所得分解树节点与信号子空间频带并不是由小到大顺序排列的，因此对其进行有序排列，排序后见表1所示。

表1 小波包分量重构信号的频谱范围

3.2.3 小波包信号能量特征提取

由频谱分析可知，信号主要频率最高分布小于512 kHz，因此在绘制小波包能量谱时，只取信号的前16个频段进行分析，经过小波包变换后各频带上的能量分布如图8所示。

(a)分层损伤小波包能谱图

由图中特征提取能量系数直方图可知，分层损伤信号小波包能量主要分布在(5,2)和(5,3)，其对应的信号频率范围分别为64～96 kHz和96～128 kHz，纤维断裂信号小波包能量主要分布在(5,5)频段，其对应信号频率范围为160～192 kHz，因此利用小波包局部频段能量占比值的范围，可对信号类型进行划分。

对不同冲击能量下获得声发射信号进行小波包能量谱分析，发现相同类型的声发射信号其小波包局部频带能量占比呈现一定的规律性。当信号(5,2)和(5,3)对应频带64～128 kHz的小波包能量占比值大于75%，此时该信号为分层信号；当信号(5,5)，(5,6)和(5.7)对应频带160～256 kHz的小波包能量占比值大于70%，此时该信号为纤维断裂信号。分析结果表明，利用小波包能量谱分析法能够直观地表现出各频带能量的变化情况，可以有效地提取CFRP层合板损伤声发射信号的特征。

4 结语

通过CFRP层合板落锤冲击损伤试验，并在对试验所得信号进行频谱分析基础上，获得典型声发射信号小波包能量谱分布。通过分析不同频段能量的分布情况，实现对不同损伤程度的声发射信号进行区分，并得到对损伤程度进行区分的典型特征。