APP下载

声发射传播特性及传导方式的研究综述

2012-08-29韦花貌

装备制造技术 2012年8期
关键词:波导振幅介质

韦花貌

(广西大学 机械工程学院,广西 南宁530004)

当材料受到外力或内力作用,而产生塑性变形、裂纹及相变时,以弹性波的形式释放出应变能,称为声发射。声发射信号,来自缺陷本身。因此,用声发射检测法,可以判断缺陷的活动性和严重性。声发射检测技术是一种动态无损检测方法[1]。

目前,声发射检测技术已得到了广泛的应用,例如对核电的承压容器焊缝品质、液化石油瓶焊缝品质、滚动接触的疲劳裂纹和柴油发动机裂纹的检测[2~3];对水利水电工程方面中的水升压和保压阶段裂纹的扩展、切削加工过程的刀具异常、激光技术加工的品质和精密制造过程进行实时监控等等[4~5]。

虽然声发射检测技术得到广泛应用,但仍存在噪音干扰大、微小声发射信号波形显示不突出等问题。由于声发射的传播特性和传导方式,对信号的影响较大,为了提高声发射的检测精度,需要对声发射的传播特性和传导方式进行更深入的研究。

1 声发射的传播特性

声发射波在传播过程中,会发生衰减、反射、模式转换等,使检测时接收到的信号,与声发射源的原始信号,存在较大的差异。

1.1 声发射传播过程的衰减特性

衰减,就是信号的振幅或能量,随着传播距离的增加而减小。

影响声发射信号衰减的主要因素有:传播介质、声发射的频率、声发射的传播速度、声发射的传播距离等。

声发射波在不同的介质中传播的衰减特性不一样。

(1)声发射在固-液(气)介质中传播的衰减特性,已获得以下成果:

孙立瑛等对声发射在充液管道传播的衰减特性进行试验研究,分别改变了波速与管道里面的介质,结果发现波速和介质对波振幅衰减率都有影响[6];当管道里面的介质是空气时,声发射波的传播速度越快,则振幅的衰减率越低;管道里面介质是水时,传播速度越快的,波振幅的衰减率也越快;波速相同时,声发射在有水载荷的管道中传播振幅的衰减率,比无载荷的大。

徐春广等研究磨削加工过程中声发射的传播特性,研究了声发射波的振幅与流体喷射速度对声发射信号的影响,结果得出了波幅的衰减随波的振幅的增大而增大[7];当流体喷射速度<0.09mm/s时,没有接受到声发射信号;当流体喷射速度>1.1mm/s时,声发射信号的受到很强的干扰。

(2)声发射在空气介质中传播的衰减特性,已获得以下成果:

王成江等研究绝缘子放电声发射在空气中的传播特性[8],发现了传感器在不同的位置时,接收到的信号差别很大。结果得出了绝缘子放电声发射传播的方向性很强;离声发射源较近(盲区)时,声发射信号的振幅随传播距离的增大而急剧直线下降;远离盲区之后,声发射信号的振幅随传播距离的增大而快速下降的指数规律衰减;除此之外,还存在信号强度衰减,波的信号强度随波的传播距离的增大反而快速减小。

(3)声发射在固体介质中传播的衰减特性,已获得以下成果:

邹银辉等对岩体声发射传播衰减理论分析与试验研究[9],最后得到振动的振幅A 与声发射的频率f、传播速度ν、传播距离x 以及材料的品质因子x 之间的关系为

其中,

A0为震源的振幅,并通过试验得到声发射源的频率在0~5 kHz时信号衰减相对较小。

关卫和等对不同壁厚构件的声发射传播特性进行研究[10],发现了不同壁厚对声发射的衰减特性有影响,得出了声发射的振幅随传播距离的增大呈指数衰减,但壁的厚度越大衰减系数越大的结论;声发射在厚壁传播时,随距离的增加,高频分量衰减较快。声发射在不同的材料中传播时,传播特性也不一样。

周伟等人对声发射在风电叶片玻璃钢复合材料进行研究[11],发现了材料的纵向和横向的材质排列不同,对声发射的衰减规律也不同,最后得出了声发射在材料中的传播速度越大,振幅衰减越小的结论。

1.2 声发射波传播的反射与模式转换

声发射波在介质中传播,根据质点的振动方向和传播方向的不同,可以分为纵波、横波、表面波(瑞利波)、板波这4种传播模式。

当波传播到两种介质的交界面时,就会发生反射和折射。无论是反射波还是折射波,都可能导致波形模式转换。

图1是声发射波经过不同的方向、不同路程、不同时间传播到传感器,波形经过长时间叠加而成复杂波形,再加上传感器频响特性及传播衰减等的影响,使得声发射波形的上升时间变慢,幅度和能量衰减,信号持续时间变长,频率成分向低频偏移。

图1 波在板中的传播示意图

由于波在传播过程中遇到的界面复杂程度不一样,传播的距离不一样,波的模式转换也不同,但波在传播过程中只要有反射与折射,就会存在模式转换。只有入射波垂直入射时,波才不会发生模型转换。

综上所述,声发射在不同的介质中传播的衰减特性不同。在检测之前,应该对检测对象做出正确的评估,应提前了解检测对象的复杂程度,确定声发射源的频率、功率、振幅以及声发射信号在周围介质中的传播规律。

在检测过程中,也要注意选好合适的传感器。传感器的谐振频率,应与声发射源的频率接近;当检测对象结构较为复杂时,安装传感器的选位非常关键,如对充液管道检测时,一般选择谐振频率在10~40 kHz的声发射传感器,并选弯头和三通作为传感器的安装位置,可以避免错误定位。

当大振幅的突发性声发射源功率很大,容易造成噪音干扰,因此安装传感器应远离声发射源,如对磨削过程中的刀具磨损,进行监控时,声发射传感器离声发射源应>1 m,且冷却液的流动速度应在0.1~1mm/s,可以避免噪音干扰。

当声发射信号在周围介质中传播衰减很快时,安装传感器应离声发射源近一些;如对绝缘子放电声发射检测时,离声发射源在几米内才能接收到信号,因此传感器离绝缘子表面越近越好。

对岩石声发射检测时,选择声发射传感器的谐振频率在0~5 kHz,并安装在离声发射源在20~30m之间。

对不同材料的声发射进行检测时,应先了解材料的内部结构,当材料内部是纤维结构,对传感器的安装无要求;当材料内部是纤维与树脂交替而成时,波容易发生反射,导致波的振幅和能量衰减很快,因此传感器应离声发射源近一些。

2 声发射传导方式

在高温、深冷、易燃、易爆、有毒及核辐射等条件下,对压力容器、复杂构件等设备进行声发射检测时,由于条件限制或仪器设备使用的制约,不能将传感器直接安装在被测物体表面[12],而是通过其他方式间接的连接起来,这一过程称为传导方式。

2.1 声发射传导方式的研究成果

目前已经有研究人员对声发射传导方式的研究,并有以下成果。

李锦秀等的专利是研究地下岩体声发射信号聚焦传感装置[13],这个装置中包含一个导波构件,导波构件是用防锈金属制成的金属棒,如图2所示。

图2 导波构件结构示意图

王海斗等的专利是研究适于连接声发射探头的标准杆部件[14],该标准件包含第一杆体和第二杆体,如图3所示,在检测过程中使用标准件,可以精确地捕捉到声发射的动态。

图3 标准杆结构示意图

蒋俊等的专利是研究了一种用于声发射检测的波导杆[15],包括波导杆主体以及两个连接端,如图4所示。

图4 波导杆结构示意图

王祥岗等研究了3种高低温容器检测时常用的波导杆[16]:

第一种,波导杆为普通圆形的,一端用焊接的方式跟容器焊牢,另一端是圆盘状的,方便传感器的安装;

第二种,把第一种的圆盘换成内螺纹盖帽的形式,其他的没有变化;

第三种为挠性波导杆,这样便于在狭小的空间安装。

这三种波导杆在实际应用效果良好。

在检测过程中,关于波导杆对声发射信号的影响,目前已有诸多科研人员对此作出了研究并获得以下成果。

邹银辉等运用一维黏弹性波理论,推导出了声发射简谐波在波导杆传播过程中的位移、速度及加速度幅值绝对值与传播距离成指数衰减关系[17]。

邹银辉等对于同一类型的波导杆进行研究[18],在试验中通过改变波导杆的长度,并发现波导杆长度不同,对信号的振幅的变化率和事件计数都有影响。试验的结果显示,波导杆的长度小于1m时,声发射信号振幅的变化率和事件数,都随波导杆长度增大而衰减,但衰减不明显;波导杆的长度大于1m后,声发射信号振幅的变化率随波导杆长度增大而迅速衰减,但事件数随波导杆长度的增大反而迅速增大。

李建功等对长度相同,直径不同的波导杆进行研究[19],最终得出了波导杆的直径越小,固定端加速度幅值的绝对值越大,从固定端点到自由端点加速度幅值的绝对值衰减率也越大的结论。

孙国豪等人通过对圆形波导杆进行研究[20],最终得到了对于同一直径的波导杆,声信号的幅值随着波导杆长度的增长而降低;对长度相同的波导杆,声信号的幅值随着波导杆直径的增大而幅值降低。

郭福平等检测承压管道气体泄漏产生的声发射波使用Ф12mm×1 000mm的波导杆[21],经过对比发现,位于管道同一位置时,传感器接收到的信号,与波导杆上传感器接收到的信号波形相似,振幅衰减不大,且频率分布基本相同,得出了波导杆对信号的衰减不大的结论。

2.2 波导杆对信号衰减的影响

综合前人的研究成果,可以看出,理论推导与实验研究,都能证明有波导杆的存在,对信号有一定的衰减,但对结果的影响不大。

检测之前要确定好重点考查的对象,若重点研究加速度,则波导杆的长度应大于1m,直径应在5~40mm范围内;

若重点研究声发射信号的振幅或其他参数,波导杆的长度在1m以内,直径可以大一些,这样采集到的信号就接近原始信号。

由上所述可知,只要选择合适的波导杆检测,就对声发射信号的影响不大。

2.3 波导杆传导方式的缺点

就目前所存在的传导方式而言,波导杆是最为常用的一种传导方式。但这一种传导方式还存在一些缺点:

声发射信号经过波导杆后,都会有一些衰减,特别是声发射特征参数中的幅值参数值变小。声发射信号经过波导杆传递到达某一截面时,振幅、波的强度与波导杆的长度、直径有关。波导杆的直径一定时,波导杆的长度越长,声发射的能量被吸收就越多,声发射到达某一截面时的振幅,波强就越小;当波导杆的长度一定时,直径的增大造成横惯性效应,波在传播过程中受到弥散效应的影响,声发射到达某一截面时的振幅、波强也越小。

而大多数材料的声发射信号强度非常微小,例如振动频率在20 kHz时,声发射的振幅只有几微米,而在高超强声中声发射的振幅只有几十微米到几百微米。

声发射信号在传播过程中,就有衰减现象,而当检测危险或结构复杂的构件时,需用波导杆来导波,此时声发射信号再一次衰减,则检测到的信号与原来的差别较大,甚至无法采集到有效的信号。

因此,需要研究波导杆直径、长度与声发射波频率间的匹配关系,使声发射信号经过波导杆后,信号的振幅放大同时滤掉周围的噪音信号,而声发射的其他参数又没有发生变化。

3 结束语

由前面的分析可以得出:

(1)选择声发射传感器的谐振频率,应与声发射源的频率接近。

(2)对声发射在各种材料中的传播规律,已有一定的研究,已有的研究成果可以借鉴。对于没有研究的,在检测之前,应通过试验来了解声发射在此种材料的传播规律,方便检测精度的提高。

(3)声发射在传播过程中,遇两种介质的交界面时,发生反射以及模式转换,也会导致波在传播过程中有衰减现象。

(4)在检测中使用到波导杆时,应选择合适的波导杆,若重点研究加速度,则波导杆的长度应大于1m,直径应在5~40mm范围内;若重点研究声发射信号的振幅或其他参数,波导杆的长度在1m以内,直径可以大一些。

[1]毛汉颖,毛汉领,周 洁,黄振峰.基于BP神经网络的混流式水轮机裂纹声发射源定位方法[J].无损检测,2008,30(7):426-429.

[2]S Prokhorenko,V Prokhorenko.Effects of Outside Energetic-TreatmentofMetalMelts on the Process of Crystallization,Analyzed by AE-method and Melting Plateau Stabilization[J].JournalofMaterials Processing Technology,2006,(175):344–351.

[3]PNivesrangsan,JA Steel,R L Reuben.Source Location of Acoustic Emission in Diesel Engines[J].Ultrasonics Sonochemistry(E1025-1029),2009,(44):431–438.

[4]Tomaz Kek,Janez Grum.Monitoring Laser Cut Quality Using Acoustic Emission[J].International Journal ofMachine Tools&Manufacture,2009,(49):8–12.

[5]DE Lee,I Hwang.Precision Manufacturing ProcessMonitoring with Acoustic Emission[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2006,(46):176–188.

[6]孙立瑛,李一博.充液管道中声发射波的传播及衰减特性研究[J].压电与声光,2008,30(4):401-402.

[7]徐春广,王信义.磨削过程声发射信号传播特性研究[J].北京理工大学学报,1998,18(4):415-419.

[8]王成江,等.绝缘子放电声发射的传播特性研究[J].高压电器,2007,43(1):52-55.

[9]邹银辉,等.岩体声发射传播衰减理论分析与试验研究[J].煤炭学报,2004,29(6):663-667.

[10]关卫和,陶元宏.厚壁和薄壁构件的声波传播与衰减[J].压力容器,1991,8(1):48-53.

[11]周 伟,田 晓,张 亭,冯艳娜,孙诗茹.风电叶片玻璃钢复合材料声发射衰减与源定位[J].河北大学学报,2012,(1):100-104.

[12]李善春,戴 光.波导杆中声发射信号传播特性实验[J].大庆石油学院学报,2006,30(5):65-68.

[13]李锦秀,刘志刚,谭云亮,邹德蕴,李本月,顾士坦,王瑞芳,万 晓.一种地下岩体声发射信号聚焦传感装置[P].中华人民共和国:201120152206.8,2011.11.30.

[14]王海斗,杨大祥,张玉波,徐滨士,马国政,李恩重.适于连接声发射探头的标准杆部件[P].中华人民共和国:201120184125.6,2011.12.07.

[15]蒋 俊,梁 华,易 容,张耀丰.一种用于声发射检测的波导杆[P].中华人民共和国:200910234666.2,2010.06.09.

[16]王祥岗,王晓巍,等.高低温容器声发射检测中几种声波传导方法[J].故障诊断,2011,14(5):46-48.

[17]邹银辉,董国伟,等.声发射系统中的一维黏弹性波导器理论模型[J].煤炭学报,2007,32(8):799-803.

[18]邹银辉,董国伟,张庆华,吕贵春.波导器中声发射信号传播规律研究[J].矿业安全与环保,2007,34(6):13-17.

[19]李建功,邹银辉.AE声发射在波导器中传播规律的数值模拟[J].地下空间与工程学报,2008,4(6):1148-1151.

[20]孙国豪,柏明清,张春江,李 明,韩 愈,潘家祯.圆形波导杆中两种情况下声信号的传播特性[J].华东理工大学学报,2010,36(6):851-858.

[21]郭福平,李 伟.波导杆辅助声发射检测承压管道泄漏实验研究[J].化工机械,2009,36(4):287-290.

猜你喜欢

波导振幅介质
重介质旋流器选煤技术在我国的创新发展与应用
信息交流介质的演化与选择偏好
一种新型波导圆极化天线
十大涨跌幅、换手、振幅、资金流向
十大涨跌幅、换手、振幅、资金流向
十大涨跌幅、换手、振幅、资金流向
沪市十大振幅
一种带宽展宽的毫米波波导缝隙阵列单脉冲天线
一种L波段宽带圆波导密封窗的仿真设计
基于基片集成波导的Ku波段波导微带转换结构