海水对海洋平台声发射传播特性影响研究

贾 光，杨国安，沈 江，张 淼

(北京化工大学 机电工程学院，北京 100029)

在全球能源需求不断增长和石油价格居高不下的背景下，各国都将目光转向蕴藏着巨大能源储备的海洋。海洋平台作为开发海洋资源的重要装备正被广泛应用于海洋石油资源的开发。由于海洋环境的随机性及海洋平台的复杂性，海洋平台及其附件发生损坏、甚至倾覆等事件时有发生。其主要原因为常用的无损检测无法及时发现海洋平台潜在的结构危险［1］。声发射检测技术因其自身的特点能对海洋平台实施实时监测，对降低危险、减小经济损失具有重要意义。

幅值和能量是评价钢结构损伤程度的重要声发射参数。Rogers L M［2］在利用声发射技术对海洋平台易疲劳点及存在缺陷的焊缝进行监测的基础上，阐述了一种远距离监测裂纹的方法;李江全［3］等研究了声发射技术检测管道时，管道受不同结构特征和材料本身的影响而产生的衰减。上述研究都是针对空气环境中钢结构的声发射检测，而海水对声发射检测影响的研究还未见报道。针对陆地设备的声发射检测技术比较成熟，而海洋平台水下钢结构的声发射检测技术研究不足的现象，重点研究以空气、淡水及海水为耦合介质时声发射波幅值和能量与传播距离的关系，从而为针对海洋平台的声发射检测提供理论和实验依据。基于渤海湾海水盐度约为2.9% ～3.1%，实验选取淡水和浓度为3%的海水作为液体耦合介质。

1 实验装置

实验装置由钢板、任意波形发生器、前置放大器、数据采集器和压电传感器组成。任意波形发生器产生的单频信号，激励压电传感器，从而在钢板中产生特定频率的声发射波;声发射波在钢板中传播时，被固定在钢板上的接收传感器接收，并通过数据线输入到数据采集器中进行处理。本实验中，任意波形发生器参数设置如下:频率135 kHz，上升时间40 μs，下降时间160 μs，峰值80 dB。数据采集系统参数设置分别为:前置放大器增益40 dB，采样频率2.5 MHz，采样长度8 k，门槛值45 dB。

实验钢板尺寸为800 mm×800 mm×30 mm，钢板材料为低碳钢，传感器在钢板上布置如图1 和图2 所示。实验共用到8 个传感器，其中S0 为模拟声发射源激励传感器，型号为WSA;R1-R7 为1-7 号声发射信号接收传感器，型号为R15-ARPHA。这8 个传感器的间距均为50 mm。

图1 实验方案布置示意Fig.1 Schematic of experimental program

图2 实验装置Fig.2 Experimental device

2 实验结果及分析

2.1 时域波形

限于篇幅，这里未列出全部事件的时域波形图，仅列出以空气和海水作为耦合介质的情况下7 个传感器接收到第一个声发射事件的时域波形图，如图3 和4 所示。

2.2 特性参数

当以空气为耦合介质，声发射源进行一次激励时，接收传感器接收到多次声发射事件，表1 列出了各接收传感器接收到声发射波的相关特性参数及事件数。表2 和表3 分别列出了以淡水和海水作为耦合介质时接收传感器接收到声发射波的相关特性参数及事件数。根据计算结果作出以空气、淡水和海水为耦合介质时声发射波幅值和能量与传播距离的变化趋势图，如图5 和图6 所示。

表1 空气为耦合介质时声发射波的相关特性参数及事件数Tab.1 Characteristic parameters and events of AE wave in air as coupling medium

表2 淡水为耦合介质时声发射波的相关特性参数及事件数Tab.2 Characteristic parameters and events of AE wave in fresh water as coupling medium

图3 空气为耦合介质时声发射波的时域波形Fig.3 Waveform of AE wave in air as coupling medium

图4 海水为耦合介质时声发射波的时域波形Fig.4 Waveform of AE wave in sea water as coupling medium

2.3 实验结果分析

声发射波在钢结构中的传播可简化为平面弹性波在钢结构中的传播［4］。当平面纵波以某一角度入射到钢板中时，在钢板上下表面会发生多次反射、折射和波形转换，使得平面纵波在钢板中沿着多个路径传播，即固体板中存在多径效应［5］。当平面纵波入射到钢板侧面边界时，会产生反射回波。入射纵波经界面反射与折射后不仅含有纵波还有横波。由Snell 定律可以分别求出纵波与横波的反射角和折射角。根据弹性界面反射系数公式可以计算出纵波与横波的反射系数，为研究弹性波在不同弹性介质中的传播提供了理论依据。

图5 幅值与传播距离的变化趋势Fig.5 Trend of amplitude and propagation distance

表3 海水为耦合介质时声发射波的相关特性参数及事件数Tab.3 Characteristic parameters and events of AE wave in seawater as coupling medium

图6 能量与传播距离的变化趋势Fig.6 Trend of energy and propagation distance

图7 为耦合介质为空气和水时，声发射波在固体中的传播模型［6］。从图7 中可以看出，随着传播距离的增加，声发射波在钢板上下表面不断发生反射、折射和波形转换［7］，在钢板侧面产生反射回波。随着传播距离的增加，声发射波在侧面和上下表面反射次数不断增加，使得声发射波不断被展宽。由图4 和图5 中的时域波形可以看出，从4 号传感器开始波形因分离变得尤为杂乱。对时域波形中每个分散的波包进行频率分析［8］，可以得到时域波形中各个分散的波包所对应的频率成分相同，从而进一步证明时域波形发生离散是由反射引起的。

图7 声发射波传播模型Fig.7 Propagation model of AE wave

当声发射波入射到不同介质的交界面时，界面对波的传播具有重要的影响。一般情况下，在固体介质的表面会发生波形转换、传播方向的改变和能量的再分配。比较图7 中(a)、(b)情况可知声发射波在固体—液体界面传播时除发生反射外还有折射现象。在固体—液体界面因折射纵波的产生而加大了钢板中声发射波能量的衰减。文献［9］采用作图法给出了一些反射系数的曲线实例。由反射系数曲线可以得到反射系数随着两种介质波阻抗差的减小而减小。例如当纵波入射角为10°时，由反射系数曲线可以查得固体—液体界面纵波反射系数约为0.7，而根据固体—空气界面纵波反射系数公式［9］计算纵波反射系数为0.959 5。上述两种不同界面所得到的纵波反射系数可以说明声发射波在固体—液体界面因折射损失了较大能量。因此，比较以空气、淡水和海水为耦合介质时纵波在钢板中的反射系数，对提高海洋平台水下钢结构声发射检测中声发射源的定位精度和故障特征分析具有一定参考价值。

通过比较表1、表2 和表3 可以发现在以空气为耦合介质，声发射源进行一次激励的情况下，1 号、2 号、4 号及5 号传感器接收到多次声发射事件;而以水为耦合介质时，各个传感器均只接收到一次声发射事件。这是因为以水为耦合介质时，声发射波能量因折射而损失较大，经多次反射后声发射波幅值低于系统设置的门槛值而未被接收;而以空气为耦合介质时声发射波能量较以水为耦合介质时损失小，声发射波经多次反射后其幅值仍高于系统设置的门槛值而被接收。由表1、表2 和表3 还可以得到，以水为耦合介质时传感器接收到的声发射波能量明显低于以空气为耦合介质时传感器接收到的声发射波能量。

通过比较表2 和表3 可以发现海水盐度对声发射波幅值和能量影响很小。水的盐度会对声发射波在水中的传播速度产生一定的影响，但对钢结构中声发射波幅值和能量影响较小。由图5 和图6 中的(b)、(c)也可以看出，淡水和海水为耦合介质时声发射波幅值及能量具有完全一致的变化趋势。因此，在海洋平台声发射检测中可以忽略海水盐度的影响。

比较图5 和图6 可知，幅值和能量这两个特征参数在以空气和水为耦合介质的情况下都随声发射波传播距离的增加呈衰减趋势［10］，并且传播到一定距离后幅值和能量都逐渐趋于稳定。由于频散衰减、吸收衰减、散射衰减和扩散衰减等原因，声发射波幅度和能量随传播距离的增加呈下降趋势［11］。因此，以空气为耦合介质时，声发射波幅值和能量随传播距离的增加也发生较大衰减。声发射波传播到钢板上下表面时因反射与折射也会导致声发射波幅值与能量随传播距离的增加呈衰减趋势。水为耦合介质时，因反射与折射造成的损失表现得更明显。当声发射波在钢板上下表面来回反射时，产生的纵波与横波因耦合而形成Lamb波，而Lamb 波在本质上是二维的，其衰减不如三维体波快［12-13］，因而可以传播相当长的距离，从而形成当声发射波传播到一定距离后其幅值与能量趋于稳定的现象。

在声发射检测中，首先依据有限元分析或使用情况确定出易损部位，将声发射传感器安装在这些易损部位处。在损伤源附近声发射波成分复杂，幅值和能量变化明显，这些都将影响到对损伤性质和程度的准确识别。对海洋平台声发射检测的研究可近似简化为以水为耦合介质时对钢板中声发射波传播特性及其幅值和能量变化的研究。因此，比较空气、淡水和海水为耦合介质时声发射波幅值及能量的变化，对海洋平台声发射检测中声发射波幅值、能量参数的修正具有一定参考价值，为有效利用成熟的陆地设备声发射检测技术提供参考。

3 结 语

通过精确控制声发射源特性参数，研究了以空气、淡水和海水为耦合介质的情况下，声发射波在钢结构传播过程中信号的幅值和能量的变化，分析了在这两种情况下声发射波在钢结构中的传播机制以及幅值和能量变化的原因。淡水和海水为耦合介质时声发射波幅值和能量较以空气为耦合介质时发生了明显衰减，但海水盐度对声发射波幅值和能量几乎没有影响。上述实验结果对海洋平台水下钢结构声发射检测中损伤程度的评判，以及声发射信号阈值的设定和幅值、能量参数的修正具有重要参考价值，为海洋平台水下钢结构在声发射检测过程中损伤源的精确定位以及损伤源特征的识别提供了理论和实验依据。

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