模态声发射检测技术
第22卷第1期2000年1月
无损检测ND T
V o l . 22 N o. 1Jan. 2000
讲 座
模态声发射检测技术
3
刘松平 M ichael Go r m an 陈积懋(北京航空工艺研究所, 北京 100024)
摘 要 、位等。
主题词 M ON EVAL UAT I ON TECHN IQUES
3
L iu Songp i ng M ichael Gor man Chen J i m ao
(Beijing A eronauticalM anufacturing T echno logy R esearch Institute )
Abstract M odal acoustic em issi on evaluati on techniques w ere introduced , including their fundam entals , modal characteristics , source locati on and discri m inati on , etc .
Keywords A coustic em issi on testing T ransducer A coustic source locati on
模态声发射(M odal A E ) 是在传统共振传感器
参数声发射(R SP A E ) 基础上, 得益于板波理论的不断成熟, 近年发展起来的声发射检测新技术。它基于导波原理, 秉承了人们最为熟悉的超声传播中的许多易解释和接受的物理模型方面的优点。对工程应用中占大多数的板材、壳体、棒材和管材结构的检测更是其所长。与R SP 声发射本质的区别就是模态声发射认为被测材料结构中的源或声发射事件在负载作用下, 产生的是频率和模式丰富的导波信号, 而且可以利用导波理论和牛顿力学定律将一直困扰声发射推广应用中面临的问题, 即源定位不准确、信号解释困难和噪声问题等, 从理论上得到了较好的解释和表述, 通过建立简单明确的物理数学模型表征诸如源定位、非源引起的噪声与源产生的信号的有效区别等人们最为关心的问题。当然, 这些至关重要的本质特征还得益于现代电子计算机和传感器技术的飞速发展。因为模态声发射最为重要的标志, 就是采用宽带技术, 包括传感器、滤波、信号采集、信号分析乃至计算机数据传输速度等硬软件都须满足宽带模态声发射检测信号要求。正是由于这些特征, 模态声发射自90年代初期在美国问世以来, 便迅速得到较好的应用。鉴于目前国内还主要基于R SP 声发射在做工作、工程推广应用不尽如意, 本专题旨在从原
3U niversity of D enver , U SA
理、信号处理技术和检测应用等方面作些简要介绍,
以供从事该项检测技术研究和应用的同行参考。
1 模态声发射与传统声发射的区别
传统声发射主要基于谐振传感器参数(R SP ) , 测量信号为阻尼正弦波, 如图1所示。并假设:①声发射信号是一个衰减的正弦波。②声发射信号以不变速度传播
。
图1 R SP A E 测量信号与参数V (t ) =V TH t =t DU R V 0=峰值
超越阈值计数N =f t DU R 能量E =
V d t ∫
2
因此, 基于此原理的仪器、传感器记录和测量分析的是一个窄带信号, 测量的特征参数主要是R S M (接收信号幅值方均根) 和N (超越阈值计数) 。至于其它参数, 如上升沿、周期、能量和幅度等对早期的R S M 和N 的测量并没有增加多少新的信息, 因为对于给定的R SP 传感器, 这些参数不是相互独
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刘松平等:模态声发射检测技术
立的变量, 而仅仅是因变量。
假设:①声发射信号由多模式波组成, 而且每个模式由一宽带频率成分的波组成。②每个模式中的不同频率成分的波以不同速度传播。并根据宽带传感器和导波理论, 模态声发射和传统声发射的主要特点和分析方法如下所述。
(1) 模态声发射 ①源产生超声能量。②能量在薄壁结构中以宽带波模式传播。③将波的模式视为物理量(即位移、速度或加速度) 来检测, 采用高保真宽带速度或位移传感器。④基于牛顿力学, 模式与源特征存在明确的关系, 在这些特征理论上可以建模, 并且不因仪器设置() (2) 。。, 测④基于检测到的信号与已知特征条件下的声发射源之间的经验关系。
因此, 为了捕获到真实的声发射波形, 必须采用高保真宽带传感器, 针对模态声发射特点进行仪器设计和记录分析。
变形等缺陷的相关关系的确切物理数学模型, 达到准确的源定位。由于在加载过程中产生的诸如环境噪声、电磁干扰、振动噪声等与缺陷引起的声发射模式波存在明显特征上的差别, 从而排除和明显减少了噪声对缺陷识别和源定位的影响。
3 模态声发射中的两个重要模式
在模态声发射检测中, 检测和分析的两个最为模式(又称压缩波) (2所示, 是铅笔心在E 波和F 波波, E 波; 面外铅心F 波; E 波传播速度比F 波快; E 波和F 波均存在频散现象。
根据经典板波理论, E 波的声速C e 可表示为
2) Θ(1-Μ
式中 Θ——被测材料密度
——泊松比Μ
E ——杨氏模量
F 波的声速C f 可表示为
C e =
(1)
2 模态声发射检测原理
根据导波理论, 当声波波长大于被测材料结构的特征尺寸(如板厚) 时, 将产生和传播导波, 这类结构也即通常所称的声学上的薄壁结构, 更适合于采用导波检测。在工程材料应用中, 最为普遍的各种板、壳、棒和压力容器等结构形式都可隶属这种薄壁结构。因为大量的试验结果表明, 被测结构中的源(如裂纹) 在加载过程中产生的声波信号是一个模式丰富的宽带声波信号, 不同模式波以不同速度传播, 只是由于传统声发射采用的是谐振式参数(R SP ) 传感器及其测量分析技术, 因而忽略和滤掉了许多现在看来十分重要和有用的频率成分[1, 2]。同时又由于模式复杂, 而人们通常有意回避。实际上宽带声发射信号是包含许多不同频率成分和波型的声波信号。因此, 总存在某一合适的声发射波型, 其波长大于被测结构的特征尺寸(如厚度) , 从而产生和传播导波, 只要通过高保真宽带传感器实时真实地获取被测材料结构中产生的宽带声发射信号, 通过分析研究源产生的超声波模式, 找出对应模式波的内在特征, 即可进行缺陷识别和源定位。
模态声发射基于上述原理, 设计采用全新的宽带声发射传感器及电路, 高保真地提取被测材料结构内部缺陷在负载作用下产生的宽带声波信号, 通过专用的宽带仪器和计算机及软件, 分析相应的特征模式波及其传播规律, 建立与被测结构中断裂和
C f =
1 4
Ξ(2)
图2 板中铅笔心断裂源产生的E 波和F 波
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式中 Ξ=2Πf
f ——超声波频率
32
) 12(1-ΜD =E h
h ——板厚
由式(2) 可见, F 波传播速度与频率有关, 即F 波存在频散现象, 而且F 波模式中最大位移成分与板平面垂直[3]。因此, 随着声发射脉冲传播, 其波形将会发生剧烈变化。尽管式(1) 中没有频率成分, 但根据高阶板波理论, E 波也存在频散现象, 只是当频率较低时, 这种频散现象不太明显。随着源与传感器之间的距离增加, 频散现象对声发射信号脉冲形状的影响加大, 因此, 位, 足, 射源定位。
信号增益或电压阈值选择等无关, 详见文献[4]。
5 模态声发射信号特征与噪声识别
目前模态声发射分析方法包括从基于传感器接收到的声发射信号波形模式的目视识别到先进的波形分析、信号处理技术和源定位技术。通常试样表面铅心断裂产生较大的F 模式波, 而要检测的裂纹则会产生较大的E 模式波, 被测材料结构中裂纹等缺。因此。图4是7075(刻槽) , 图4a 和b 是用宽带传感器检测到的波形, 从图中两波前部可以看到E 模式波, 并且图4b 中的E 模式波明显比图4a 中E 模式波滞后, 这是由于第二个传感器比第一个传感器距离源较远所致。从图4b 中还可以看出, E 波和F 波之间有较大的分离。图中波形的变形是由于试样边缘反射引起的。图4c 是谐振式声发射传感器检测到的信号, 很难辨别出有关波模式的细节信息, 试验中该传感器离裂纹最近。
理论上, 检测中存在的各种噪声通过比较接收信号的波形传播规律, 都可以区分开。图
5a 和b 所示的是采用宽带传感器测量夹紧装置产生的噪声波形, 图5c 中的波形是采用谐振式传感器检测到的信号, 其中采用模态声发射传感器检测到的波形与图4中采用同样模式的传感器接收到的裂纹波形明显不同, 而两图中采用谐振式传感器检测到的信号则无明显区别。
因此, 裂纹产生的声发射信号与噪声信号的波形存在明显差别。模态声发射分析的主要特征是模式波形和相应的频率成分, 根据这些特征可以确定
4 模态声发射中的源定位
由式(1) , (2) 可知, 选定模式的传播速度完全由被测材料结构决定, 从而将源定位模型简化为人们熟悉和易接受的超声波传播规律。例如, 对于平面源定位只要三个传感器就可以进行源定位, 如图3所示, P 1, P 2和P 3为位于三个不同位置的声发射传感器; L 12, L 13和L 23分别为相邻两传感器之间的距离, 若在三个传感器之间存在源S , 假设其与三个传感器的距离分别为x 1, x 2和x 3。从三个传感器接收到的检测信号选择某一频率模式波, 则相邻两传感器接收到该模式信号的时间差分别为∃t 12, ∃t 13和∃t 23, P 1与源S 之间的距离为x , 有
x 1=x
(3
) x 2=x +∃t 12C
x 3=x +∃t 13C
这里∃t 12, ∃t 13和∃t 23是实际测量值, 声发射信
号峰值到达三个传感器的时域位置中计算出来。
由于三个传感器之间的夹角和相互位置是已知的, 因此可求出声发射事件的准确位置。与传统的R SP 声发射不同的是, 在模态声发射中, 源定位与
图3 平面源定位原理
图4 典型的声发射信号
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(4) 在源附近, E 波和F 波叠加在一起, 难以区
分, 但当远离声源, 例如达到20倍板厚时, 则可以明显区别开。
(5) 随着F 波的传播其波形会剧烈变化, 这主要是由不同频率成分(如高频成分) 在边沿反射后相互干扰引起的。
(6) 应基于测量模式选择传感器的分布, 通常低频模式传播距离较远。
(7) 、材料随频、源和被测材料结。
, 尽量在靠近实, 以取得先验知识。
起的噪声信号。
8 结论
模态声发射是近年来发展起来的声发射检测新技术, 它克服了传统基于体波传播的共振传感器参数声发射检测的诸多不足。目前在传感器、仪器和信号处理等诸方面都比以往更加完善和先进, 而且已经在复合材料和金属中裂纹的检测和监测等方面得到较好应用[5～7]。检测结果表明, 在陶瓷基复合材料和金属基复合材料中也会产生E 波和F 波。我们曾对某型号机翼大梁进行了实际检测, 取得了较好的效果。限于篇幅, 将在后续文章中作详细介绍。
参
考
文
献
6 模态声发射检测中应考虑的几个问题
首先要考虑所希望测量的源, 或者最重要的是什么源, 这涉及到包括被测材料及材料状态、加载方式等。其次, 考虑被测试样和源的几何尺寸, 然后基于这些考虑希望测量的模式。被测材料结构是单个源还是存在多个源, 如果存在多个源, 产生的模式是否有不同, 如果产生模式相同, 频率是否相同。
其次是考虑噪声, 现场是否有噪声源及噪声源传入试样的传播模式, 其特征与源产生的模式特征是否能区分开。
然后是传感器的合理布局, 例如, 当采用两个传感器时, 最理想的方法是让一个传感器靠近源, 另一个传感器远离源, 以便模式在声发射信号上能分离开。但实际检测中往往事先不一定能知道源的位置, 最好选择两个以上的传感器。传感器的布置除了要考虑源的位置外, 还应考虑噪声源。
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T ransient
theo ry and experi m ent
7 模态声发射检测的几点经验
(1) 根据被测材料结构几何尺寸, 分析确定会
产生和传播什么模式波, 对于板波, 试件厚度必须小
于测量分析模式的波长。
(2) 根据Κ=C f 进行波长计算, 这里Κ为波长。由于最短波长必须大于板厚, 介质中的体剪切波速度除以最高频率就可以提供合理的近似波长。
(3) 铝合金中E 波传播速度约为5. 4mm Λs , 约为常见的F 波的最高速度的2倍。树E 波在石墨 脂复合材料中的传播速度可达9. 2mm Λs , 甚至更高, 与具体材料有关。
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收稿日期:1999203212
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