基于声发射技术的结构损伤定位方法综述

汪国华

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

无损检测技术(non-destructive testing,NDT)是指在不造成结构损伤的前提下,通过对某些特定的物理量进行测定,来判断结构性能的一类检测方法[1]。通俗来说,该技术通过采集由结构内部缺陷或异常所导致的对热、光、声、电、磁等反应的变化信息,从而判断结构中异常和缺陷的存在以及对其危害程度进行评估,它与传统的有损取样试验方法相对应,是多门学科交叉运用得到的高技术产物。传统的无损检测方法包括超声检测(UT)、射线检测(RT)、渗透检测、磁粉探伤(MT)以及涡流检测(ET)五大检测方法,然而这些方法缺点十分明显,无法提供完整的检测信息，需要人工干预，检测费时费力成本较高，以及无法进行实时主动连续的在线监测[2]。

声发射技术作为一种被动无损检测技术,在机械工程和土木工程等领域的金属和复合材料结构的裂纹监测中有着广泛的应用和研究,它利用材料自身在产生塑性变形、裂纹扩展、冲击等损伤时释放的高频超声信号(频率范围为20 kHz～1 MHz)进行损伤识别,识别过程中无须超声波激励,受结构复杂几何形状影响小,对微小裂纹敏感度高以及远程探测范围大,并能实时得到病害随载荷、时间、温度等参数变化的长期信息,适合结构工作状态的在线损伤监测,并且通过对监测过程中获得数据进行合理分析,便能对结构萌生的裂纹疲劳进行实时监控以及对裂纹扩展趋势进行判断和评估[3]。

目前国内外常用的声发射损伤定位方法包括时差定位法(time of arrival,TOA)、单传感器模态分析法(single sensor modal analysis location,SSMAL)、波束形成法(beamforming analysis)以及时差图法(delta-T mapping,DTM)。本文从声发射技术的基本原理入手,对上述几种定位方法的原理及特点进行详细的介绍。

1 声发射技术原理

声发射(acoustic emission)是指材料在受到外界荷载或内部应力作用下,因弹塑性变形或裂纹扩展产生瞬态弹性波的现象,该弹性波即为声发射信号[4]。无论是微观和宏观机制都会产生大量声发射现象,并且依据对应的机制类型可将声发射分为初次声发射和二次声发射两类。其中初次声发射通常用于描述来自于材料内部的声发射现象,一般与伴随疲劳裂纹开展的位错运动及夹杂断裂等微观机制有关。而二次声发射通常由材料表面的应力波引起,主要由与摩擦活动相关的宏观机制产生,例如由疲劳引起二次声发射现象通常是裂纹面重新闭合的结果,即裂纹面的微动,碎屑磨削以及重焊脱粘等,而“噪声”往往是指是那些与研究内容无关的其他声发射信号[5]。

生活当中也处处存在声发射现象,例如筷子折断时发出的声音,金属摩擦产生的声音等,但是并非所有的声发射现象都能直接被人耳所感知,借助专业设备对声发射信号进行接收和处理的技术即为所谓的声发射技术。声发射是构件局部区域快速卸载、弹性能释放的结果,而声发射源和构件的特性决定了弹性能释放的速度、方式和时间,从而决定了声发射信号的特性(如频率、波形、振幅等)。因此声发射信号的特性与构件的性质以及缺陷情况存在对应关系,基于这种对应关系,使用仪器检测、记录、分析声发射产生的信号,即可推断出声发射源及缺陷的类型、程度及分布。声发射技术原理如图1所示,即声发射源产生的微振动以应力波的形式传播一段距离后到达材料表面并引起材料表面的位移,随后声发射传感器将材料表面的位移转化为电信号,经前置放大器放大、滤波器滤波、主放大器再放大后,由模/数转换器进行采集,传输给声发射检测仪进行分析处理,判断声发射源特性并将结果进行显示[6]。

图1 声发射技术原理

2 声发射定位方法

2.1 时差定位法

时差定位法是材料性质均匀构件中常用的一种定位方法,依靠各传感器接收信号到达时间差、波速、探头间距等参数及一定的算法来确定损伤源位置[7]。此方法基于两个前提假设,一是波从声发射源传递到传感器的过程中波速保持不变,二是波在传播过程中只沿直线传播。最开始的时差定位法一般用于线性定位,随着研究的不断深入,该方法也逐渐用于解决二维定位甚至是三维定位。

2.1.1 一维时差定位法

一维时差定位又称线性定位,是最简单的时差定位法,一般至少使用两个传感器才能进行定位,多用于检测长度与半径之比非常大的试件,如管道、钢梁、风力涡轮机叶片等[8]。如图2所示,假设损伤源位于A、B两传感器之间,若信号到达两传感器的时间差为Δt=T2-T1,则损伤源与传感器B的距离可用d表示为:

图2 线性时差定位

d=0.5×(D-Δt×V)

(1)

式中:D为两传感器间的距离;V为波速。

所以当Δt=0时,意味着信号同时到达两个传感器,带入式(1)中计算可以得到损伤源位于两个传感器的中点位置。但是,当损伤源位于A、B传感器阵列之外(例如位于B、C之间),此时无论损伤源与传感器B间的距离有多远,带入式(1)计算得到的定位结果始终位于传感器B上,因此在这种情况下两传感器阵列便不足以完成定位,需要通过布置额外传感器来预先判断声发射源位于哪两个传感器阵列之间,之后才能运用式(1)进行线性损伤定位。

2.1.2 二维时差定位法

二维时差定位又称平面定位,在实际检测中运用得较为广泛,如图3所示的为利用两传感器阵列在材料性质均匀的无限平板上定位声发射源的一个示例。若假设声发射源产生的应力波以恒定波速沿直线传播,则根据双曲线的定义,不难求得出声发射源(Xs,Ys)位于式(2)所示的且以两传感器为焦点的一支双曲线上。

图3 两传感器平面定位

(2)

式中:Δt为信号到达时间差值;D为两传感器间距;V为波速。

然而,仅得到发射源(Xs,Ys)位于如式(2)所示的一条双曲线上,无法确定准确的源位置坐标,如图4所示,通过添加第3个传感器,便可得到三对传感器组合(1-2,2-3和1-3),利用另外一对传感器测的时差信息,也可获得一条关于源位置的双曲线,因此两条双曲线的交点便为准确的声发射源位置[9]。

图4 三传感器平面定位

2.1.3 无须波速的二维时差定位法

从式(2)中可以发现,对于传统的时差定位法首先需要求得波速V才可确定声发射源的位置坐标,如果波速难以获得则无法运用该方法进行损伤定位,为此[10]对传统时差定位法进行改进,通过定义如式(5)所示源误差函数E(x0,y0),使平面时差定位法在无须知晓波速V的情况下便能实现损伤定位(在最优化文献中,该误差函数也被称为目标函数)。该方法能够便捷地运用多个传感器同时参与定位以提高定位精度。

tij=ti-tj

(3)

(4)

(5)

式中:t0为信号发生时间,ti为信号到达传感器的时间;(x0,y0)为估计源坐标,(xi,yi)为第i号传感器坐标;di为待估计声发射源与i号传感器的直线距离;n为传感器总个数。在该方法中,只有估计源坐标(x0,y0)是唯一的变量,因此只需将待估计源坐标(x0,y0)及相关参数带入到式(5)中,便可计算该点对应误差函数E(x0,y0)的值。当估计坐标与实际位置不同时,E(x0,y0)>0,且仅当估计坐标与实际坐标一致时,E(x0,y0)=0。因此使E(x0,y0)有最小解的坐标(x0,y0)为合理估计声发射源位置坐标。

时差定位法已被证实能够有效地对简单金属构件进行实时损伤定位,特别是改进的时差定位法,在无须测量波速的情况下便能完成定位工作,同时还能便捷地使用多个传感器阵列来进一步减小误差。但是由于受到波速必须保持恒定以及波在传播过程中只沿直线传播这两个前提假设的限制,该方法在材料各向异性或几何复杂的结构上的定位精度较差。

2.2 单传感器模态分析法

单传感器模态分析法利用兰姆波在传播过程中会发生频散这一特性,提取阵列中单个传感器接采集的兰姆波中不同模态波的到达时间差值来确定损伤位置。如图5所示,在特定频率下材料的S0模态和A0模态会以不同的波速进行传播,采用合适宽带传感器来接收波信号,然后通过带通滤波器便可将两种模态进行分离,并测量得到各自的到达时间[11]。以线性定位为例,假设S0模态和A0模态的波速分别为CS、CA,不同模态信号到达传感器的时间差值为Δt,那么声发射源位置与传感器的距离D可用公式(6)表示。

图5 单传感器模态分析法

(6)

实际运用中,Dungan[12]使用单传感器模态法对700 mm×600 mm的铝板进行了损伤定位实验,其中最大误差控制在3.2 mm以内,具有良好的定位表现,而Maji等[13]也使用该方法成功地对钢梁和钢板的损伤进行评估。但是该方法同样要求待测试件必须是完全连续且材料均匀,同时还要求声发射源与传感器必须有足够远的距离以确保能过形成完整的兰姆波,因此一般适用于简单结构。

2.3 波束形成法

与上述方法中采用分散式传感器阵列不同,波束形成法利用紧密排列的传感器阵列,使所有传感器能够检测到传播路径类似且受衰减、频散特性影响程度相近的声发射信号,并结合延迟-叠加算法来完成定位[14,15]。如图6所示,以坐标原点处的传感器S1为参考传感器,则实验区域中任意位置(焦点)的声发射信号与到达i号传感器的时间延迟可表示为:

图6 波束形成法

Δti=(d-di)/c

(7)

式中:d为焦点与参考传感器S1的距离;di为焦点与i号传感器的距离;c为波速。

根据各传感器相对于参考传感器的时间延迟对各传感器采集到的声发射信号进行时差补偿,并将补偿后的波形信号进行叠加后求平均值可得:

(8)

式中:n为传感器个数;wi为传感器Si的权重系数,通常取1;xi(t)表示传感器Si采集的声发射信号。

通常不同焦点位置对应的时间延迟Δti的值也各不相同,仅当焦点位置与声发射源位置一致时,根据式(8)的延迟-叠加算法对各传感器的声发射信号进行调整,才会使调整后的信号在相同的相位发生叠加而使X(t)取得最大值。

波束形成法本质上是一种时间和空间滤波的方法,该方法必须假设入射到阵列上的声发射信号特征相对恒定,只有在该前提下阵列中某一传感器采集的声发射信号才可认为是阵列中相邻传感器声发射信号的延时复制,而声发射源通常被认为是点源,因此“延迟复制”这一假设仅在声发射源与传感器之间的距离远大于相邻传感器间距时才具有实用意义。

2.4 时差图法

在实际运用中,由于信号并不会总是简单地沿直线传播,传播路径会受到结构几何特征的影响而发生改变,因此导致上方声发射方法在复杂结构上的适用性较差,虽然这些问题可以通过对信号的传播路径进行专业评估或调整传感器位置等方法来提供解决思路,但这些方法仍旧是以估算为前提,从而无法提供准确的定位结果。为了探寻一种能够用于复杂结构的声发射定位方法,卡迪夫大学工程学院的Rhys Pullin、Baxte等[16]首次提出了时差图法的概念,并成功运用于复合材料以及复杂飞机组件的损伤定位[17]。

时差图法通过对结构划分网格,并在网格节点上进行断铅实验(pencil lead break,PLB或H-N源[18]),预先模拟各位置损伤时信号到达各个传感器的时间,然后利用为每对传感器构建的关于结构的时差分布图来实现损伤定位。如图7所示,时差图法主要由以下五个步骤组成,如图7所示。

图7 时差图法的流程图

(1) 确定待测区域。理论上时差图法可完全覆盖整个结构,但是这样会在制图过程上花费过多时间和精力,因此通过区域定位的方法预先排除部分无损伤区域,将测试区域缩小为结构中病害多发的疲劳热点区域或传统方法难以运用的复杂区域。

(2)划分网格。在确定待测区域后,需再对区域划分网格。可通过控制最大网格尺寸来提高定位精度,网格的分辨率越高则定位精度越高,但是选用精细的网格尺寸也会使工作量变大,因此需要结合实际情况来确定合理的网格尺寸。

(3)网格节点断铅获取到达时间数据。实验中借助常用的断铅信号来模拟裂纹声发射源，因此在各个网格节点上进行断铅实验,可模拟获得信号到达各传感器的时间。在每个网格节点需进行多次重复断铅试验，以减少实验误差。

(4)计算时差分布图。对于每一对传感器来说,计算各网格节点声发射源信号到达两个传感器的时差Δt,便能获得该传感器对于所有网格节点的时差矩阵,进而计算该传感器对于所有位置的时差分布图,以4通道传感器阵列为例可得到6组传感器对,对应6张时差分布图。另外在制图时,可以对网格节点的数据进行整体插值,以获得更大数据矩阵来进一步提高定位精度。

(5)损伤定位。当发生真实损伤时,根据损伤信号到达各传感器的时间,计算其每组传感器对的时差,在每张时差分布图中都能找到一条估计位置线。然后,将各传感器对的估计位置线进行叠加,其交点即为声发射源(损伤)位置。

时差图法能够考虑声发射波在传播过程中的波速改变、反射和频散现象,在正交异性钢桥面板等几何结构复杂或材料属性不均匀的大型复杂构件上展现出巨大优势和潜力。

3 结 论

本文对多种声发射损伤定位方法进行综述,其中时差定位法利用信号到达不同传感器对的时间差来确定损伤源位置;单传感器模态分析法则利用阵列中单个传感器采集损伤信号中不同模态波的到达时间差异来确定损伤;而波束形成法通过将传感器紧密排列,并结合延迟-叠加算法实现损伤定位。这三种方法均需假设声发射波仅沿直线传播且波速恒定,所以一般只适用于简单结构的损伤定位。而时差图法通过断铅模拟声发射源预先获得的多点实测数据以构建结构的时差分布图,然后采用加权算法实现损伤定位,能够考虑声发射波在传播过程中的波速改变、反射和频散现象,对大型复杂结构进行损伤定位时具有较高的定位精度。

在实际运用中,结合各声发射损伤定位方法的特点,可对工程结构的实际病害位置实现高效检测以及实时监测。