基于Lamb波的風(fēng)電葉片復(fù)合材料聲發(fā)射源定位研究

張鵬林 楊超 董拴濤 田寧

摘要：聲發(fā)射波在風(fēng)電葉片薄板結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)產(chǎn)生的多模態(tài)效應(yīng)及頻散現(xiàn)象使得波速的測(cè)定較為困難，導(dǎo)致聲發(fā)射源定位誤差過(guò)大。針對(duì)以上問(wèn)題，從聲發(fā)射波傳播的物理機(jī)制出發(fā)，利用完備總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（CEEMD）結(jié)合Lamb波理論對(duì)風(fēng)電葉片復(fù)合材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的聲發(fā)射波進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：作用于葉片薄板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力方向不同，將會(huì)產(chǎn)生不同頻率、不同聲速的應(yīng)力波。垂直應(yīng)力主要激發(fā)出彎曲波，該波波速較低（約1357m/s），幅值衰減較快，頻率主要集中于50kHz左右;平行應(yīng)力主要激發(fā)出擴(kuò)展波，該波波速較高（約3634m/s），幅值衰減較慢，頻率主要集中于150kHz左右。擴(kuò)展波無(wú)頻散效應(yīng)且衰減較慢，更加適合風(fēng)電葉片薄板結(jié)構(gòu)聲發(fā)射源定位。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片;CEENID;Lamb波;聲發(fā)射源定位

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）07-0140-07

收稿日期：2017-11-12;收到修改稿日期：2018-01-03

作者簡(jiǎn)介：張鵬林（1973-），男，甘肅白銀市人，副研究員，博士，主要從事無(wú)損檢測(cè)、無(wú)損評(píng)估等方面的研究。

0 引言

風(fēng)電葉片復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高及抗疲勞性能好的特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電葉片的制造[1]。葉片是風(fēng)力機(jī)組獲取風(fēng)能的關(guān)鍵部件，然而，受制造條件約束，葉片常易出現(xiàn)脫膠、分層、纖維斷裂和基體開(kāi)裂等缺陷[2]。在使用過(guò)程中，具有該類缺陷的葉片在苛刻的自然環(huán)境及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，常常發(fā)生失效，導(dǎo)致整機(jī)產(chǎn)生破壞。因此，研究葉片復(fù)合材料的損傷對(duì)于確保葉片及風(fēng)力機(jī)組的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行具有重要意義。

聲發(fā)射檢測(cè)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷較為敏感，可有效監(jiān)測(cè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料損傷失效過(guò)程[3]。一般而言，通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)的分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聲發(fā)射源的準(zhǔn)確定位和定性。然而，由于風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)本身的不規(guī)則，在傳統(tǒng)定位方法中單純采用縱波或者橫波進(jìn)行線性和平面定位會(huì)產(chǎn)生較大誤差。此外，對(duì)于風(fēng)電葉片薄板結(jié)構(gòu)，當(dāng)其厚度與聲發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，在薄板中傳播的橫波和縱波也會(huì)在板的上下表面相互作用疊加形成一種特殊類型的波—Lamb波[4]。作用于薄板的平行應(yīng)力主要激發(fā)出Lamb波中的擴(kuò)展波，其波速較高，無(wú)頻散效應(yīng)，適合于葉片薄板結(jié)構(gòu)聲發(fā)射源定位。

使用Lamb波進(jìn)行定位的相關(guān)研究如Wang[5]利用Lamb波理論對(duì)金屬銅管的聲發(fā)射源進(jìn)行了定位，但使用短時(shí)傅里葉變換處理信號(hào)也意味著忽視了信號(hào)的非平穩(wěn)，非線性特性;Davoodi[6]利用小波變換和CTFS方法在考慮Lamb波的影響下對(duì)金屬薄板上模擬聲發(fā)射源進(jìn)行了準(zhǔn)確定位，但目前對(duì)于風(fēng)電葉片及復(fù)合材料聲發(fā)射源定位的研究則相對(duì)較少。相關(guān)研究有：周偉[7]在忽略聲發(fā)射波的頻散現(xiàn)象和多模態(tài)效應(yīng)前提下對(duì)葉片復(fù)合材料短距離內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)衰減進(jìn)行了研究，但在單向板中定位效果較差;袁洪芳[8]通過(guò)小波定位研究了風(fēng)電葉片的裂紋定位，但沒(méi)有考慮Lamb波的影響;于金濤[9]分析了碳纖維材料中產(chǎn)生不同Lamb波的衰減特性，但沒(méi)有給出不同模態(tài)Lamb波的衰減特性。唐軍君[10]利用小波分析研究了碳纖維復(fù)合材料中斷鉛信號(hào)的lamb衰減特性，給出了不同類型波的波速和衰減特性，但沒(méi)有對(duì)材料聲發(fā)射源進(jìn)行定位研究。

基于此，通過(guò)斷鉛法中不同激勵(lì)獲得了風(fēng)電葉片復(fù)合材料層合板中不同傳播模式的聲波，之后利用CEEMD方法分離出了Lamb波的不同模式，對(duì)信號(hào)模態(tài)進(jìn)行了衰減研究，并將其結(jié)果初步應(yīng)用于了葉片復(fù)合材料聲發(fā)射源定位研究。

1 基本理論

1.1 完備總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（CEEMD）

完備總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（CEEMD）是一種適合于非平穩(wěn)、非線性信號(hào)的自適應(yīng)分解方法[11]O相比小波分析，CEEMD方法避免了小波分析中小波基函數(shù)選取的困難和海森堡不確定原理的約束，使得CEEMD方法對(duì)信號(hào)的處理更加真實(shí)，并且處理后的信號(hào)在時(shí)域和頻域能同時(shí)達(dá)到最佳分辨率。相比EMD分解，CEEMD通過(guò)添加高斯白噪聲較好地消除了單純使用EMD分解信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的模態(tài)混疊和端點(diǎn)效應(yīng)[12]。

CEEMD分解的具體步驟如下：

1）對(duì)原始信號(hào)y（t）添加等幅反向隨機(jī)高斯白噪聲，過(guò)程如下：

Y₁（t）=y（t）+f_i（t）（1）

y_-1（t）=y（t）-f_i（t）（2）其中y₁（t）和y_-1（t）分別為加入高斯白噪聲后的復(fù)合信號(hào)，f_i（t）為隨機(jī)高斯白噪聲信號(hào)。

2）用EMD算法對(duì)復(fù)合信號(hào)進(jìn)行分解，結(jié)果如下：

r₁（t）=y₁（t）-g₁（t）（3）

r_-1（t）=y_-1（t）-g_-1（t）（4）

3）重復(fù)步驟1）和2）直到殘余量不能被分解為止。此時(shí)將得到的IMF分量求其均值并將該均值作為IMF分量的平均結(jié)果如下：

1.2 Lamb波理論

當(dāng)被檢結(jié)構(gòu)為板狀結(jié)構(gòu)且其厚度和聲發(fā)射波的波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，此時(shí)板中傳播的橫波和縱波會(huì)相互作用疊加形成特殊類型的平面應(yīng)力波-Lamb波[13]，Lamb波具有二維特性，相比三維體波，衰減較小，且由于含有聲發(fā)射源的特性，常被用于檢測(cè)行業(yè)。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移的方向，Lamb波分為擴(kuò)展波（對(duì)稱波）和彎曲波（反對(duì)稱波），波速依賴于板厚、頻率、模式的階數(shù)以及材料的性能等[14]。一般情況下，噪聲和非聲發(fā)射信號(hào)不產(chǎn)生Lamb波特征，而對(duì)于有用信號(hào)，不同的聲發(fā)射物理過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)在Lamb波上的模態(tài)一般不同[15]。因此，可通過(guò)基于產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的物理機(jī)制進(jìn)行模態(tài)分析，在一定程度上對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位和類型識(shí)別。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)儀器采用SAEU2S集中式多通道聲發(fā)射儀，傳感器為諧振式通用SR150M型傳感器，諧振頻率150kHz，所用材料為按照[0/90°]纖維布多層鋪設(shè)而成的各向異性風(fēng)電葉片復(fù)合材料，尺寸700mm×700mm×4mm，聲發(fā)射儀參數(shù)設(shè)置如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中共采用4組聲發(fā)射傳感器，傳感器呈直線布置，每個(gè)傳感器相隔100mm，分別記為1^#、2^#、3^#、4^#，聲發(fā)射激勵(lì)源距1^#號(hào)傳感器距離200mm。實(shí)驗(yàn)采用斷鉛信號(hào)模擬聲發(fā)射源，筆芯為直徑0.5mm的田3石墨鉛筆芯，伸長(zhǎng)量2.5mm。聲發(fā)射傳感器布置示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

2.2 Lamb波的識(shí)別及其分離

實(shí)驗(yàn)利用斷鉛法分別在葉片材料薄板邊緣進(jìn)行垂直斷鉛和水平斷鉛以獲得不同方位激勵(lì)的聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)，圖3為4^#傳感器接收到不同激勵(lì)作用時(shí)產(chǎn)生聲發(fā)射時(shí)域波形圖。

從圖3（a）可以看出，水平斷鉛獲得的信號(hào)為突發(fā)型信號(hào)，信號(hào)幅值約為0.35mV，呈冪指數(shù)衰減，在1.3ms后衰減至0，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng);同理，在圖3（b）中可以看出，垂直斷鉛獲得的信號(hào)在采集時(shí)間段內(nèi)近似于突發(fā)型信號(hào)，最高幅值約為0.7mV，衰減較緩慢，持續(xù)時(shí)間約2ms。但進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)：垂直斷鉛信號(hào)在時(shí)域上可分為兩個(gè)波包，在0～0.5ms內(nèi)首先到達(dá)的快波波包波形和水平斷鉛得到的信號(hào)的波形基本相似，幅值約為0.6mV，之后，在0.5～2ms內(nèi)到達(dá)的慢波波包波形和先前到達(dá)的快波波形明顯不同，波形呈先增大后減小的趨勢(shì)，幅值相對(duì)較大，約為0.7mV，衰減也相對(duì)較快，在衰減過(guò)程中且有多種波形混雜現(xiàn)象出現(xiàn)。

為研究不同激勵(lì)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的特性，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行三層小波包分解，小波函數(shù)采用正交小波db10。不同激勵(lì)方式產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)三層小波包分解后的小波頻系數(shù)能量譜圖如圖4所示。

由圖4可以看出，水平斷鉛激勵(lì)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，各頻段所含能量在整個(gè)頻段內(nèi)分布不均勻，根據(jù)奈奎斯特采樣定理及格雷碼順序，可知其信號(hào)能量主要集中于（3，0）、（3，1）及（3，3）頻帶內(nèi)，所占能量比例分別為16.75%、26.45%及31.05%，對(duì)應(yīng)頻率范圍分別為0～62.5kHz、62.5～125kHz及125～187.5kHz。而垂直斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)各頻段能量則主要集中于（3，0）和（3，3）頻帶中，所占能量分別為57.87%和21.69%。頻率分布范圍為0～62.5kHz和125～187.5kHz。對(duì)比上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著激勵(lì)方位的改變，不同信號(hào)能量分布發(fā)生變化，當(dāng)激勵(lì)從平行向垂直轉(zhuǎn)變時(shí)，其能量也向低頻段發(fā)生轉(zhuǎn)移，頻率也向低頻段發(fā)生轉(zhuǎn)移。根據(jù)Lamb波理論，該現(xiàn)象的發(fā)生主要是不同方向激勵(lì)產(chǎn)生不同類型的波所導(dǎo)致。

為進(jìn)一步得到不同激勵(lì)的信號(hào)頻率的具體分布狀況，對(duì)上述不同激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)（降噪處理后）進(jìn)行希爾伯特變換，其對(duì)應(yīng)的功率譜如圖5所示。

由圖5（a）可看出，當(dāng)葉片復(fù)合材料薄板主要承受水平激勵(lì)作用時(shí)，信號(hào)中存在兩種頻率成分，頻率分布集中于50kHz和150kHz附近，其中頻率為150kHz部分信號(hào)能量占主要部分;同樣，在圖5（b）中可以看出，當(dāng)葉片復(fù)合材料薄板主要承受垂直激勵(lì)作用時(shí)，信號(hào)中頻率也分布在50kHz和150kHz附近，但主要信號(hào)能量集中于50kHz附近。對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于風(fēng)電葉片復(fù)合材料薄板，當(dāng)承受不同方位激勵(lì)作用時(shí)，聲發(fā)射波頻率成分基本類似，功率譜基本無(wú)邊帶族現(xiàn)象產(chǎn)生，但不同激勵(lì)作用產(chǎn)生的功率譜頻帶分布有所不同，主要集中頻段存在較大差異。

為確定在不同激勵(lì)條件下，葉片復(fù)合材料薄板中聲發(fā)射波的時(shí)頻特性，對(duì)聲發(fā)射波進(jìn)行CEEMD分解。實(shí)驗(yàn)中添加白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差取原聲發(fā)射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的0.2倍，迭代次數(shù)取100。通常，CEEMD分解的各個(gè)IMF分量分別對(duì)應(yīng)原始信號(hào)的各實(shí)際組分。然而，受環(huán)境因素所限，實(shí)驗(yàn)中總會(huì)引入干擾信號(hào)成分。依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，CEEMD分解的各實(shí)際IMF分量和原始信號(hào)之間存在較大關(guān)聯(lián)性，而干擾信號(hào)和原始信號(hào)之間關(guān)聯(lián)性則相對(duì)較小。為消除干擾信號(hào)對(duì)信號(hào)重構(gòu)的影響，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較IMF分量與原信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)，從而對(duì)IMF分量進(jìn)行有效篩選。

IMF分量和原始信號(hào)之間關(guān)系定義如下：式中：g_a（t）——IMF分量和原始信號(hào)的互相關(guān)系數(shù);

N——信號(hào)長(zhǎng)度;

n——分量個(gè)數(shù);

τ——時(shí)間間隔。

之后定義其互相關(guān)系數(shù)，計(jì)算不同激勵(lì)聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)CEEMD分解后的IMF分量與原信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)如圖6所示。

從圖6（a）中可以看出，水平激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)CEEMD分解后得到11個(gè)IMF分量和一個(gè)殘余分量，采用互相關(guān)系數(shù)法發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)較大IMF分量主要集中在前6個(gè)IMF分量;同理，在圖6（b）中也可以看出，垂直激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)CEEMD分解后也得到11個(gè)IMF分量和一個(gè)殘余分量，而其真實(shí)信號(hào)IMF分量則主要集中在前8個(gè)IMF分量，之后分別對(duì)經(jīng)過(guò)IMF篩選的主要nVIF分量進(jìn)行希爾伯特變換，得到不同三維田IT如圖7所示。

從圖7（a）可以看出，在水平激勵(lì)瞬間，首先產(chǎn)生150kHz的高頻信號(hào).，經(jīng)過(guò)約40μs后，產(chǎn)生50kHz的低頻信號(hào)，根據(jù)Lamb波理論，高頻信號(hào)為擴(kuò)展波的最低階（S₀）模式，低頻信號(hào)為彎曲波的最低階（A₀）模式，依據(jù)波的時(shí)間和距離求得擴(kuò)展波波速約為3634m/s，彎曲波波速約為1357m/s;由圖7（b）可看出在垂直激勵(lì)瞬間，首先產(chǎn)生150kHz高頻信號(hào)，其為擴(kuò)展波最低階（S₀）模式，經(jīng)過(guò)約55μs產(chǎn)生50kHz的低頻信號(hào)為彎曲波的最低階（A₀）模式。結(jié)合原始波形圖可推知兩種波形均含有50kHz的A₀模式和150kHz的S₀模式，不同模態(tài)存在主要是由于應(yīng)力作用時(shí)并非完全水平和垂直造成。

2.3 不同模態(tài)信號(hào)衰減特性研究

由于幅度相比能量更能直觀反映信號(hào)衰減特性且不受門(mén)限的影響，因此常被用于聲發(fā)射源的類型鑒別及信號(hào)衰減測(cè)量。通過(guò)對(duì)幅值進(jìn)行不同模態(tài)聲發(fā)射波的衰減研究，為聲發(fā)射源精確定位選擇合適的統(tǒng)一模態(tài)波。

實(shí)驗(yàn)以1^#傳感器作為參考，分別進(jìn)行絕對(duì)衰減和相對(duì)衰減性能測(cè)定。定義聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)衰減率為

Z_i=201g（A_i/A₁）（7）其中A_i為第i個(gè)傳感器的幅值。

由于葉片復(fù)合材料薄板在承受不同方向激勵(lì)時(shí)主要產(chǎn)生兩種不同模態(tài)的波，且其頻率相差較大，因此采用帶通濾波方式為主（設(shè)定上下截止參數(shù)）結(jié)合Matlab中數(shù)字濾波方法剔除電子噪聲及鉛芯摩擦噪聲，得到單一形態(tài)的模態(tài)波。不同模態(tài)信號(hào)衰減特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8（a）可以看出，在衰減過(guò)程中，相比低頻彎曲波，高頻的擴(kuò)展波信號(hào)衰減趨勢(shì)相對(duì)較小，但由于幅值差異，為排除外在因素干擾，研究其相對(duì)衰減特性。圖8（b）為不同信號(hào)相對(duì)衰減過(guò)程，從圖中可以看出，衰減過(guò)程中高頻的擴(kuò)展波信號(hào)近似呈指數(shù)線性衰減特性，相比低頻彎曲波，衰減曲線斜率絕對(duì)值較小，曲線平均斜率絕對(duì)值為0.49，低頻彎曲波衰減曲線平均斜率絕對(duì)值為1.02，相比之下，在單位距離內(nèi)高頻的S。信號(hào)衰減更為緩慢，且相對(duì)彎曲波衰減線性較好。長(zhǎng)距離葉片衰減研究中，就信號(hào)有效接收而言，適合衰減定位研究應(yīng)用。

2.4 聲發(fā)射源定位研究

聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)示意圖如圖9所示。

分別采用擴(kuò)展波和彎曲波進(jìn)行定位。常見(jiàn)聲發(fā)射源中既含有水平分量又含有垂直分量，在圖9所示位置進(jìn)行30°斷鉛實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次。采用時(shí)差定位法，以1^#傳感器為參考，以2^#，3^#，4^#傳感器距離斷鉛位置300，400，500mm為標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)測(cè)得的波速以及聲發(fā)射信號(hào)分別到達(dá)2^#，3^#，4^#傳感器的時(shí)間差和距離分別計(jì)算聲發(fā)射源的位置。由于噪聲的影響，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行閾值去噪后進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

從表2和表3可以看出，當(dāng)采用彎曲波進(jìn)行定位時(shí)，在有效信號(hào)范圍內(nèi)，隨著距離增大，產(chǎn)生較大誤差且誤差呈增加趨勢(shì)，這是由于隨著距離增加彎曲波的頻散效應(yīng)增加所致。同時(shí)考慮到葉片本身的結(jié)構(gòu)較大，外形不規(guī)則，葉片聲發(fā)射檢測(cè)中采用這一方法不能準(zhǔn)確地確定聲發(fā)射源的有效位置;而采用擴(kuò)展波進(jìn)行定位時(shí)，在一定范圍內(nèi)誤差較小，定位準(zhǔn)確，而隨著距離在有效范圍內(nèi)的增加，其誤差呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這是由于隨著距離的增加，模態(tài)在時(shí)域上的分離較為容易，且不存在頻散現(xiàn)象，使得時(shí)差測(cè)量更加精確。因此，在風(fēng)電葉片聲發(fā)射檢測(cè)中可通過(guò)時(shí)差定位結(jié)合Lamb波理論綜合分析，從而對(duì)葉片聲發(fā)射源進(jìn)行有效定位。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)風(fēng)電葉片復(fù)合材料進(jìn)行不同方向激勵(lì)獲得不同類型的Lamb波信號(hào)，結(jié)合CEEIVID方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，通過(guò)研究Lamb波中不同類型模態(tài)波衰減特性，將其應(yīng)用于聲發(fā)射源定位研究，得到結(jié)論如下：

1）當(dāng)風(fēng)電葉片薄板承受水平激勵(lì)時(shí)，波形中以擴(kuò)展波為主，波速較大，約為3634m/s，且其頻率較高，集中于150kHz左右，幅值衰減較慢。

2）當(dāng)風(fēng)電葉片薄板承受垂直激勵(lì)時(shí)，波形中以彎曲波為主，波速較小，約為1357m/s，其頻率較低，主要集中于50kHz左右，幅值衰減較快。

3）在單位距離內(nèi)，擴(kuò)展波衰減曲線平均斜率絕對(duì)值為0.49，彎曲波衰減曲線平均斜率絕對(duì)值為1.02，擴(kuò)展波衰減較為緩慢。該研究不但為L(zhǎng)amb波的應(yīng)用提供了思路，也為風(fēng)電葉片缺陷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提供了一定的參考依據(jù)。

4）在葉片聲發(fā)射檢測(cè)中，采用低衰減，無(wú)頻散的擴(kuò)展波進(jìn)行葉片聲發(fā)射源定位更加準(zhǔn)確。

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（編輯：劉楊）