聲發(fā)射波在不同復合材料容器表面的衰減特性

馮琰妮，祿芳菊，龐虎平，馬云中，任天錄

（西安復合材料研究所，西安 710025）

在內(nèi)力或外力作用下，材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射現(xiàn)象［1］。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射波和利用聲發(fā)射推斷聲發(fā)射源的技術(shù)為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)作為一種動態(tài)無損檢測方法，能夠檢測到與聲發(fā)射源相關(guān)的彈性波信號，進而對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性及整體性能做出評價。但在聲發(fā)射檢測過程中，由于受到材料本身及構(gòu)件形狀特征的影響，聲發(fā)射波從聲發(fā)射源發(fā)出并傳播到聲發(fā)射探頭處的整個過程中，聲發(fā)射波的幅值會隨著傳播距離的增加產(chǎn)生減小現(xiàn)象，稱為衰減。而衰減的大小，關(guān)系到每個傳感器可以監(jiān)視的距離范圍，在源定位中成為確定傳感器間距或工作頻率的關(guān)鍵因素。

復合材料由于具有高比強度、高比模量等優(yōu)點，被廣泛應用于各行業(yè)的產(chǎn)品制造中。但對于聲發(fā)射檢測來說，復合材料由于其材料、結(jié)構(gòu)、工藝、介質(zhì)及各項異性等因素，卻具有聲發(fā)射信號豐富、衰減大、各向衰減不同等特點，增加了檢測的復雜度［2］。筆者以F－12纖維及碳纖維復合材料為試驗對象，分析了聲發(fā)射波在這兩種纖維復合材料容器中的衰減特性，為這兩種復合材料進一步的聲發(fā)射檢測研究提供參考依據(jù)。

1 聲發(fā)射檢測試驗過程

1.1 試樣的安裝布置

在復合材料容器聲發(fā)射檢測試驗過程中，以0.5mm HB自動鉛筆鉛芯的折斷作為聲發(fā)射模擬源，試驗了聲發(fā)射波在碳纖維及F－12纖維兩種復合材料容器上的衰減情況。復合材料容器采用立式放置，如圖1（a）所示。在容器筒段選取較為平整光滑的曲面，曲面展開為正方形，尺寸為1 m×1 m。在曲面邊緣選取一點作為衰減測試的原點，以該原點為起點在順纖維方向（0°方向／環(huán)向）、垂直纖維方向（90°方向／軸向）、與纖維成45°方向上（45°方向）畫出長度1m 的弧線。在弧線上，距原點距離0.1 m 內(nèi)，每隔0.01m 標注尺寸，在距原點距離大于0.1m 位置，每隔0.05m 標注尺寸，筒段曲面展開，如圖1（b）所示。在相應尺寸點上產(chǎn)生模擬源，并記錄該點模擬源產(chǎn)生聲發(fā)射波的幅值，分析幅值在各個方向上隨距離變化的衰減情況。

圖1 復合材料容器檢測示意

1.2 試驗設備設置

聲發(fā)射檢測儀器采用美國PAC 公司的DISP聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。選用1 個R15型探頭接收聲發(fā)射信號的幅值，探頭通過單端前置放大器與儀器通道連接。探頭與被測容器之間采用醫(yī)用凡士林作為耦合劑，探頭布置于原點位置，探頭中心與原點重合，如圖1（b）所示。聲發(fā)射試驗時設置的檢測門檻為40dB，前放增益為40dB，探頭中心頻率為150 Hz，無前置濾波。閉鎖時間是材料相關(guān)參數(shù)通過試驗來選定，選取原則是在確保區(qū)分信號的基礎(chǔ)上，減少回波的影響。

1.3 試驗內(nèi)容

通過聲發(fā)射技術(shù)分析材料類型、材料組織方向、受載歷史及容器中介質(zhì)對聲發(fā)射衰減的影響。包括：

（1）對比分析碳纖維材料及F－12纖維材料順纖維方向（0°方向／環(huán)向）、垂直纖維方向（90°方向／軸向）、與纖維成45°方向上（45°方向）聲發(fā)射波幅值隨距離的變化情況。

（2）對比分析容器內(nèi)部介質(zhì)為空氣及水時聲發(fā)射波幅值隨距離的變化情況。

（3）對比分析容器受一次內(nèi)壓載荷試驗前、后聲發(fā)射波幅值隨距離的變化情況。

根據(jù)上述不同因素影響，在碳纖維容器及F－12纖維容器的三個方向上的尺寸點上，分別使用鉛筆芯折斷方式產(chǎn)生聲發(fā)射模擬源。使用聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集模擬源產(chǎn)生的信號，直到產(chǎn)生的聲發(fā)射波因衰減而無法被系統(tǒng)接收為止。記錄距離及對應距離的聲發(fā)射信號幅值。

2 結(jié)果分析

2.1 復合材料容器不同方向上的幅值衰減對比分析

碳纖維復合材料容器不同方向上的聲發(fā)射波幅值衰減對比如圖2（a）所示，F(xiàn)－12纖維容器不同方向上的幅值衰減對比如圖2（b）所示。

圖2 不同纖維復合材料容器不同方向上聲發(fā)射波的幅值衰減對比

從圖2可以看出，在復合材料容器上采集到的信號幅值隨距離增加呈現(xiàn)類似指數(shù)衰減特征，順纖維方向采集的信號幅值衰減最小，45°纖維方向和垂直纖維方向衰減較大。距離原點0.1m 以內(nèi)的衰減明顯大于0.1m 之后的衰減。在門檻為40dB的檢測條件下，從圖2（a）可以看出，碳纖維復合材料順纖維方向、垂直纖維方向和45°纖維方向能檢測到聲發(fā)射波的距離分別為0.9，0.9，0.65m。順纖維和垂直纖維方向的衰減距離相同，大于45°纖維方向。從圖2（b）可以看出，F(xiàn)－12纖維復合材料順纖維方向、垂直纖維方向、和45°纖維方向能檢測到聲發(fā)射波的距離分別為0.5m，0.2，0.2cm。垂直纖維方向和45°纖維方向衰減距離相同，明顯短于順纖維方向。

聲發(fā)射波衰減的機制主要為：波的幾何擴展、材料吸收、散射及頻散等。分析可知，順纖維方向由于材料吸收小于其他兩個方向，主要由于幾何擴展造成能量的損失，從而導致較小的衰減［3］。45°纖維方向及垂直纖維方向上，信號在傳播過程中由于在不同纖維束之間、纖維與基體界面間、基體與基體間產(chǎn)生多次反射及材料吸收影響，導致較大的能量損失，出現(xiàn)比順纖維方向嚴重的聲發(fā)射波幅值衰減現(xiàn)象。

2.2 不同材料相同方向上的幅值衰減對比分析

F－12和碳纖維容器在順纖維，垂直纖維及45°纖維三個方向上的聲發(fā)射波幅值隨距離變化的衰減對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 碳纖維及F－12纖維材料不同方向上波幅衰減特征對比圖

從圖3可以看出，碳纖維材料三個方向上的波衰減均小于F－12纖維復合材料。以40dB為門檻，碳纖維復合材料可以檢測到信號的檢測距離顯著長于F－12纖維復合材料，約為F－12纖維復合材料檢測距離的兩倍。碳纖維復合材料由于材料本身粘彈性及熱傳導特點優(yōu)于F－12纖維，同時碳纖維材料表面光潔度等優(yōu)于F－12纖維的特點，導致質(zhì)點能量損耗明顯小于F－12，進而導致波幅值衰減小于F－12纖維復合材料的。

2.3 不同受載歷史對幅值衰減特征的影響

聲發(fā)射檢測不僅受被測材質(zhì)影響，還與產(chǎn)品的受載歷史相關(guān)［4］。產(chǎn)品受載過程中，由于材料的變形、裂紋擴展、應力釋放等現(xiàn)象具有不可逆性，因此這些現(xiàn)象對應的聲發(fā)射現(xiàn)象也具有不可逆性，檢測信號不可復現(xiàn)。以F－12纖維容器一次內(nèi)壓試驗前后，45°纖維方向為例，分析受載前后的聲發(fā)射波幅值衰減特征，結(jié)果如圖4所示。內(nèi)壓試驗加載級別為：0壓力單位→0.3 壓力單位→0.6 壓力單位→0.9壓力單位→1壓力單位。從圖4中可以看出，一次內(nèi)壓試驗后，聲發(fā)射信號的衰減明顯大于容器未受載荷時的衰減。一次內(nèi)壓試驗后，容器的檢測距離小于未受載荷狀態(tài)，信號衰減程度大于未受載荷狀態(tài)。一次內(nèi)壓試驗后，由于應力釋放，復合材料完成基體開裂，微觀纖維斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生，導致基體與纖維，纖維束與纖維束間出現(xiàn)微觀分離，信號在傳播過程中因這些分離及材料特性的改變而導致更大的能量損失，相比于試驗前，引起信號幅值更大的下降。

圖4 復合材料容器受載前、后的幅值衰減特征對比

2.4 容器中不同介質(zhì)對聲發(fā)射信號衰減特征的影響

聲發(fā)射波產(chǎn)生后，在傳播過程中會向相鄰介質(zhì)“泄露”而造成波的幅值下降，產(chǎn)生衰減。容器中水介質(zhì)和空氣介質(zhì)對聲發(fā)射波的衰減特征影響如圖5所示。從圖5 中可以看出，水介質(zhì)時信號的衰減程度小于空氣介質(zhì)狀態(tài)，但差別不大，以本次試驗為例，兩種狀態(tài)相同距離條件下，最大信號幅值差別約為8dB，且兩種狀態(tài)下檢測不到信號的距離相同。

圖5 復合材料容器不同介質(zhì)的幅值衰減特征對比

3 結(jié)論

復合材料由于各項異性特征，導致材料表面三個典型方向上的聲發(fā)射衰減信號特征存在差異，順纖維方向衰減最少、垂直纖維方向次之、45°纖維方向衰減最大。

碳纖維復合材料三個方向上的衰減均小于F－12纖維，也就是說碳纖維產(chǎn)品的檢測距離大于F－12纖維產(chǎn)品，約為F－12產(chǎn)品檢測距離的2倍。F12纖維復合材料容器比碳纖維復合材料容器衰減大，可能基于材料特性和結(jié)構(gòu)因素。

產(chǎn)品受載歷史影響幅值衰減特性，進而影響檢測距離及探頭間距的選取。聲發(fā)射檢測前需要明確產(chǎn)品的受載歷史，以便于對檢測到的信號進行全面分析。

容器中介質(zhì)對信號幅值衰減存在影響，但從試驗結(jié)果可以看出，這種影響并不顯著，因而有待進一步研究。

［1］楊明緯.聲發(fā)射檢測［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］張虹，靳世久，孫立瑛.不同管道特征對聲發(fā)射信號幅值的衰減特征影響［J］.管道技術(shù)與設備，2005（3）：13－14.

［3］周偉，田曉，張婷.風電葉片玻璃鋼復合材料聲發(fā)射衰減與源定位［J］.河北大學學報，2012，32（1）：100－104.

［4］王瑞恩，張萬嶺，沈功田，等.壓力容器用工業(yè)純鈦板材聲發(fā)射衰減特性［J］.無損檢測，2012（2）：17－19.