基于聲發(fā)射技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷定位方法綜述

汪國(guó)華

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(non-destructive testing,NDT)是指在不造成結(jié)構(gòu)損傷的前提下,通過(guò)對(duì)某些特定的物理量進(jìn)行測(cè)定,來(lái)判斷結(jié)構(gòu)性能的一類檢測(cè)方法[1]。通俗來(lái)說(shuō),該技術(shù)通過(guò)采集由結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷或異常所導(dǎo)致的對(duì)熱、光、聲、電、磁等反應(yīng)的變化信息,從而判斷結(jié)構(gòu)中異常和缺陷的存在以及對(duì)其危害程度進(jìn)行評(píng)估,它與傳統(tǒng)的有損取樣試驗(yàn)方法相對(duì)應(yīng),是多門(mén)學(xué)科交叉運(yùn)用得到的高技術(shù)產(chǎn)物。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法包括超聲檢測(cè)(UT)、射線檢測(cè)(RT)、滲透檢測(cè)、磁粉探傷(MT)以及渦流檢測(cè)(ET)五大檢測(cè)方法,然而這些方法缺點(diǎn)十分明顯,無(wú)法提供完整的檢測(cè)信息，需要人工干預(yù)，檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力成本較高，以及無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)主動(dòng)連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)[2]。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種被動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù),在機(jī)械工程和土木工程等領(lǐng)域的金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的裂紋監(jiān)測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用和研究,它利用材料自身在產(chǎn)生塑性變形、裂紋擴(kuò)展、沖擊等損傷時(shí)釋放的高頻超聲信號(hào)(頻率范圍為20 kHz～1 MHz)進(jìn)行損傷識(shí)別,識(shí)別過(guò)程中無(wú)須超聲波激勵(lì),受結(jié)構(gòu)復(fù)雜幾何形狀影響小,對(duì)微小裂紋敏感度高以及遠(yuǎn)程探測(cè)范圍大,并能實(shí)時(shí)得到病害隨載荷、時(shí)間、溫度等參數(shù)變化的長(zhǎng)期信息,適合結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線損傷監(jiān)測(cè),并且通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析,便能對(duì)結(jié)構(gòu)萌生的裂紋疲勞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及對(duì)裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)進(jìn)行判斷和評(píng)估[3]。

目前國(guó)內(nèi)外常用的聲發(fā)射損傷定位方法包括時(shí)差定位法(time of arrival,TOA)、單傳感器模態(tài)分析法(single sensor modal analysis location,SSMAL)、波束形成法(beamforming analysis)以及時(shí)差圖法(delta-T mapping,DTM)。本文從聲發(fā)射技術(shù)的基本原理入手,對(duì)上述幾種定位方法的原理及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 聲發(fā)射技術(shù)原理

聲發(fā)射(acoustic emission)是指材料在受到外界荷載或內(nèi)部應(yīng)力作用下,因彈塑性變形或裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象,該彈性波即為聲發(fā)射信號(hào)[4]。無(wú)論是微觀和宏觀機(jī)制都會(huì)產(chǎn)生大量聲發(fā)射現(xiàn)象,并且依據(jù)對(duì)應(yīng)的機(jī)制類型可將聲發(fā)射分為初次聲發(fā)射和二次聲發(fā)射兩類。其中初次聲發(fā)射通常用于描述來(lái)自于材料內(nèi)部的聲發(fā)射現(xiàn)象,一般與伴隨疲勞裂紋開(kāi)展的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及夾雜斷裂等微觀機(jī)制有關(guān)。而二次聲發(fā)射通常由材料表面的應(yīng)力波引起,主要由與摩擦活動(dòng)相關(guān)的宏觀機(jī)制產(chǎn)生,例如由疲勞引起二次聲發(fā)射現(xiàn)象通常是裂紋面重新閉合的結(jié)果,即裂紋面的微動(dòng),碎屑磨削以及重焊脫粘等,而“噪聲”往往是指是那些與研究?jī)?nèi)容無(wú)關(guān)的其他聲發(fā)射信號(hào)[5]。

生活當(dāng)中也處處存在聲發(fā)射現(xiàn)象,例如筷子折斷時(shí)發(fā)出的聲音,金屬摩擦產(chǎn)生的聲音等,但是并非所有的聲發(fā)射現(xiàn)象都能直接被人耳所感知,借助專業(yè)設(shè)備對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行接收和處理的技術(shù)即為所謂的聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射是構(gòu)件局部區(qū)域快速卸載、彈性能釋放的結(jié)果,而聲發(fā)射源和構(gòu)件的特性決定了彈性能釋放的速度、方式和時(shí)間,從而決定了聲發(fā)射信號(hào)的特性(如頻率、波形、振幅等)。因此聲發(fā)射信號(hào)的特性與構(gòu)件的性質(zhì)以及缺陷情況存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,基于這種對(duì)應(yīng)關(guān)系,使用儀器檢測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射產(chǎn)生的信號(hào),即可推斷出聲發(fā)射源及缺陷的類型、程度及分布。聲發(fā)射技術(shù)原理如圖1所示,即聲發(fā)射源產(chǎn)生的微振動(dòng)以應(yīng)力波的形式傳播一段距離后到達(dá)材料表面并引起材料表面的位移,隨后聲發(fā)射傳感器將材料表面的位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào),經(jīng)前置放大器放大、濾波器濾波、主放大器再放大后,由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集,傳輸給聲發(fā)射檢測(cè)儀進(jìn)行分析處理,判斷聲發(fā)射源特性并將結(jié)果進(jìn)行顯示[6]。

圖1 聲發(fā)射技術(shù)原理

2 聲發(fā)射定位方法

2.1 時(shí)差定位法

時(shí)差定位法是材料性質(zhì)均勻構(gòu)件中常用的一種定位方法,依靠各傳感器接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間差、波速、探頭間距等參數(shù)及一定的算法來(lái)確定損傷源位置[7]。此方法基于兩個(gè)前提假設(shè),一是波從聲發(fā)射源傳遞到傳感器的過(guò)程中波速保持不變,二是波在傳播過(guò)程中只沿直線傳播。最開(kāi)始的時(shí)差定位法一般用于線性定位,隨著研究的不斷深入,該方法也逐漸用于解決二維定位甚至是三維定位。

2.1.1 一維時(shí)差定位法

一維時(shí)差定位又稱線性定位,是最簡(jiǎn)單的時(shí)差定位法,一般至少使用兩個(gè)傳感器才能進(jìn)行定位,多用于檢測(cè)長(zhǎng)度與半徑之比非常大的試件,如管道、鋼梁、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片等[8]。如圖2所示,假設(shè)損傷源位于A、B兩傳感器之間,若信號(hào)到達(dá)兩傳感器的時(shí)間差為Δt=T2-T1,則損傷源與傳感器B的距離可用d表示為:

圖2 線性時(shí)差定位

d=0.5×(D-Δt×V)

(1)

式中:D為兩傳感器間的距離;V為波速。

所以當(dāng)Δt=0時(shí),意味著信號(hào)同時(shí)到達(dá)兩個(gè)傳感器,帶入式(1)中計(jì)算可以得到損傷源位于兩個(gè)傳感器的中點(diǎn)位置。但是,當(dāng)損傷源位于A、B傳感器陣列之外(例如位于B、C之間),此時(shí)無(wú)論損傷源與傳感器B間的距離有多遠(yuǎn),帶入式(1)計(jì)算得到的定位結(jié)果始終位于傳感器B上,因此在這種情況下兩傳感器陣列便不足以完成定位,需要通過(guò)布置額外傳感器來(lái)預(yù)先判斷聲發(fā)射源位于哪兩個(gè)傳感器陣列之間,之后才能運(yùn)用式(1)進(jìn)行線性損傷定位。

2.1.2 二維時(shí)差定位法

二維時(shí)差定位又稱平面定位,在實(shí)際檢測(cè)中運(yùn)用得較為廣泛,如圖3所示的為利用兩傳感器陣列在材料性質(zhì)均勻的無(wú)限平板上定位聲發(fā)射源的一個(gè)示例。若假設(shè)聲發(fā)射源產(chǎn)生的應(yīng)力波以恒定波速沿直線傳播,則根據(jù)雙曲線的定義,不難求得出聲發(fā)射源(Xs,Ys)位于式(2)所示的且以兩傳感器為焦點(diǎn)的一支雙曲線上。

圖3 兩傳感器平面定位

(2)

式中:Δt為信號(hào)到達(dá)時(shí)間差值;D為兩傳感器間距;V為波速。

然而,僅得到發(fā)射源(Xs,Ys)位于如式(2)所示的一條雙曲線上,無(wú)法確定準(zhǔn)確的源位置坐標(biāo),如圖4所示,通過(guò)添加第3個(gè)傳感器,便可得到三對(duì)傳感器組合(1-2,2-3和1-3),利用另外一對(duì)傳感器測(cè)的時(shí)差信息,也可獲得一條關(guān)于源位置的雙曲線,因此兩條雙曲線的交點(diǎn)便為準(zhǔn)確的聲發(fā)射源位置[9]。

圖4 三傳感器平面定位

2.1.3 無(wú)須波速的二維時(shí)差定位法

從式(2)中可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于傳統(tǒng)的時(shí)差定位法首先需要求得波速V才可確定聲發(fā)射源的位置坐標(biāo),如果波速難以獲得則無(wú)法運(yùn)用該方法進(jìn)行損傷定位,為此[10]對(duì)傳統(tǒng)時(shí)差定位法進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)定義如式(5)所示源誤差函數(shù)E(x0,y0),使平面時(shí)差定位法在無(wú)須知曉波速V的情況下便能實(shí)現(xiàn)損傷定位(在最優(yōu)化文獻(xiàn)中,該誤差函數(shù)也被稱為目標(biāo)函數(shù))。該方法能夠便捷地運(yùn)用多個(gè)傳感器同時(shí)參與定位以提高定位精度。

tij=ti-tj

(3)

(4)

(5)

式中:t0為信號(hào)發(fā)生時(shí)間,ti為信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間;(x0,y0)為估計(jì)源坐標(biāo),(xi,yi)為第i號(hào)傳感器坐標(biāo);di為待估計(jì)聲發(fā)射源與i號(hào)傳感器的直線距離;n為傳感器總個(gè)數(shù)。在該方法中,只有估計(jì)源坐標(biāo)(x0,y0)是唯一的變量,因此只需將待估計(jì)源坐標(biāo)(x0,y0)及相關(guān)參數(shù)帶入到式(5)中,便可計(jì)算該點(diǎn)對(duì)應(yīng)誤差函數(shù)E(x0,y0)的值。當(dāng)估計(jì)坐標(biāo)與實(shí)際位置不同時(shí),E(x0,y0)>0,且僅當(dāng)估計(jì)坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)一致時(shí),E(x0,y0)=0。因此使E(x0,y0)有最小解的坐標(biāo)(x0,y0)為合理估計(jì)聲發(fā)射源位置坐標(biāo)。

時(shí)差定位法已被證實(shí)能夠有效地對(duì)簡(jiǎn)單金屬構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)損傷定位,特別是改進(jìn)的時(shí)差定位法,在無(wú)須測(cè)量波速的情況下便能完成定位工作,同時(shí)還能便捷地使用多個(gè)傳感器陣列來(lái)進(jìn)一步減小誤差。但是由于受到波速必須保持恒定以及波在傳播過(guò)程中只沿直線傳播這兩個(gè)前提假設(shè)的限制,該方法在材料各向異性或幾何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上的定位精度較差。

2.2 單傳感器模態(tài)分析法

單傳感器模態(tài)分析法利用蘭姆波在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生頻散這一特性,提取陣列中單個(gè)傳感器接采集的蘭姆波中不同模態(tài)波的到達(dá)時(shí)間差值來(lái)確定損傷位置。如圖5所示,在特定頻率下材料的S0模態(tài)和A0模態(tài)會(huì)以不同的波速進(jìn)行傳播,采用合適寬帶傳感器來(lái)接收波信號(hào),然后通過(guò)帶通濾波器便可將兩種模態(tài)進(jìn)行分離,并測(cè)量得到各自的到達(dá)時(shí)間[11]。以線性定位為例,假設(shè)S0模態(tài)和A0模態(tài)的波速分別為CS、CA,不同模態(tài)信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間差值為Δt,那么聲發(fā)射源位置與傳感器的距離D可用公式(6)表示。

圖5 單傳感器模態(tài)分析法

(6)

實(shí)際運(yùn)用中,Dungan[12]使用單傳感器模態(tài)法對(duì)700 mm×600 mm的鋁板進(jìn)行了損傷定位實(shí)驗(yàn),其中最大誤差控制在3.2 mm以內(nèi),具有良好的定位表現(xiàn),而Maji等[13]也使用該方法成功地對(duì)鋼梁和鋼板的損傷進(jìn)行評(píng)估。但是該方法同樣要求待測(cè)試件必須是完全連續(xù)且材料均勻,同時(shí)還要求聲發(fā)射源與傳感器必須有足夠遠(yuǎn)的距離以確保能過(guò)形成完整的蘭姆波,因此一般適用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。

2.3 波束形成法

與上述方法中采用分散式傳感器陣列不同,波束形成法利用緊密排列的傳感器陣列,使所有傳感器能夠檢測(cè)到傳播路徑類似且受衰減、頻散特性影響程度相近的聲發(fā)射信號(hào),并結(jié)合延遲-疊加算法來(lái)完成定位[14,15]。如圖6所示,以坐標(biāo)原點(diǎn)處的傳感器S1為參考傳感器,則實(shí)驗(yàn)區(qū)域中任意位置(焦點(diǎn))的聲發(fā)射信號(hào)與到達(dá)i號(hào)傳感器的時(shí)間延遲可表示為:

圖6 波束形成法

Δti=(d-di)/c

(7)

式中:d為焦點(diǎn)與參考傳感器S1的距離;di為焦點(diǎn)與i號(hào)傳感器的距離;c為波速。

根據(jù)各傳感器相對(duì)于參考傳感器的時(shí)間延遲對(duì)各傳感器采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)差補(bǔ)償,并將補(bǔ)償后的波形信號(hào)進(jìn)行疊加后求平均值可得:

(8)

式中:n為傳感器個(gè)數(shù);wi為傳感器Si的權(quán)重系數(shù),通常取1;xi(t)表示傳感器Si采集的聲發(fā)射信號(hào)。

通常不同焦點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲Δti的值也各不相同,僅當(dāng)焦點(diǎn)位置與聲發(fā)射源位置一致時(shí),根據(jù)式(8)的延遲-疊加算法對(duì)各傳感器的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)整,才會(huì)使調(diào)整后的信號(hào)在相同的相位發(fā)生疊加而使X(t)取得最大值。

波束形成法本質(zhì)上是一種時(shí)間和空間濾波的方法,該方法必須假設(shè)入射到陣列上的聲發(fā)射信號(hào)特征相對(duì)恒定,只有在該前提下陣列中某一傳感器采集的聲發(fā)射信號(hào)才可認(rèn)為是陣列中相鄰傳感器聲發(fā)射信號(hào)的延時(shí)復(fù)制,而聲發(fā)射源通常被認(rèn)為是點(diǎn)源,因此“延遲復(fù)制”這一假設(shè)僅在聲發(fā)射源與傳感器之間的距離遠(yuǎn)大于相鄰傳感器間距時(shí)才具有實(shí)用意義。

2.4 時(shí)差圖法

在實(shí)際運(yùn)用中,由于信號(hào)并不會(huì)總是簡(jiǎn)單地沿直線傳播,傳播路徑會(huì)受到結(jié)構(gòu)幾何特征的影響而發(fā)生改變,因此導(dǎo)致上方聲發(fā)射方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的適用性較差,雖然這些問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)信號(hào)的傳播路徑進(jìn)行專業(yè)評(píng)估或調(diào)整傳感器位置等方法來(lái)提供解決思路,但這些方法仍舊是以估算為前提,從而無(wú)法提供準(zhǔn)確的定位結(jié)果。為了探尋一種能夠用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射定位方法,卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院的Rhys Pullin、Baxte等[16]首次提出了時(shí)差圖法的概念,并成功運(yùn)用于復(fù)合材料以及復(fù)雜飛機(jī)組件的損傷定位[17]。

時(shí)差圖法通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格,并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)(pencil lead break,PLB或H-N源[18]),預(yù)先模擬各位置損傷時(shí)信號(hào)到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間,然后利用為每對(duì)傳感器構(gòu)建的關(guān)于結(jié)構(gòu)的時(shí)差分布圖來(lái)實(shí)現(xiàn)損傷定位。如圖7所示,時(shí)差圖法主要由以下五個(gè)步驟組成,如圖7所示。

圖7 時(shí)差圖法的流程圖

(1) 確定待測(cè)區(qū)域。理論上時(shí)差圖法可完全覆蓋整個(gè)結(jié)構(gòu),但是這樣會(huì)在制圖過(guò)程上花費(fèi)過(guò)多時(shí)間和精力,因此通過(guò)區(qū)域定位的方法預(yù)先排除部分無(wú)損傷區(qū)域,將測(cè)試區(qū)域縮小為結(jié)構(gòu)中病害多發(fā)的疲勞熱點(diǎn)區(qū)域或傳統(tǒng)方法難以運(yùn)用的復(fù)雜區(qū)域。

(2)劃分網(wǎng)格。在確定待測(cè)區(qū)域后,需再對(duì)區(qū)域劃分網(wǎng)格?？赏ㄟ^(guò)控制最大網(wǎng)格尺寸來(lái)提高定位精度,網(wǎng)格的分辨率越高則定位精度越高,但是選用精細(xì)的網(wǎng)格尺寸也會(huì)使工作量變大,因此需要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)確定合理的網(wǎng)格尺寸。

(3)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)斷鉛獲取到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中借助常用的斷鉛信號(hào)來(lái)模擬裂紋聲發(fā)射源，因此在各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn),可模擬獲得信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)間。在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行多次重復(fù)斷鉛試驗(yàn)，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。

(4)計(jì)算時(shí)差分布圖。對(duì)于每一對(duì)傳感器來(lái)說(shuō),計(jì)算各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)聲發(fā)射源信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)差Δt,便能獲得該傳感器對(duì)于所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的時(shí)差矩陣,進(jìn)而計(jì)算該傳感器對(duì)于所有位置的時(shí)差分布圖,以4通道傳感器陣列為例可得到6組傳感器對(duì),對(duì)應(yīng)6張時(shí)差分布圖。另外在制圖時(shí),可以對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體插值,以獲得更大數(shù)據(jù)矩陣來(lái)進(jìn)一步提高定位精度。

(5)損傷定位。當(dāng)發(fā)生真實(shí)損傷時(shí),根據(jù)損傷信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)間,計(jì)算其每組傳感器對(duì)的時(shí)差,在每張時(shí)差分布圖中都能找到一條估計(jì)位置線。然后,將各傳感器對(duì)的估計(jì)位置線進(jìn)行疊加,其交點(diǎn)即為聲發(fā)射源(損傷)位置。

時(shí)差圖法能夠考慮聲發(fā)射波在傳播過(guò)程中的波速改變、反射和頻散現(xiàn)象,在正交異性鋼橋面板等幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜或材料屬性不均勻的大型復(fù)雜構(gòu)件上展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)和潛力。

3 結(jié) 論

本文對(duì)多種聲發(fā)射損傷定位方法進(jìn)行綜述,其中時(shí)差定位法利用信號(hào)到達(dá)不同傳感器對(duì)的時(shí)間差來(lái)確定損傷源位置;單傳感器模態(tài)分析法則利用陣列中單個(gè)傳感器采集損傷信號(hào)中不同模態(tài)波的到達(dá)時(shí)間差異來(lái)確定損傷;而波束形成法通過(guò)將傳感器緊密排列,并結(jié)合延遲-疊加算法實(shí)現(xiàn)損傷定位。這三種方法均需假設(shè)聲發(fā)射波僅沿直線傳播且波速恒定,所以一般只適用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的損傷定位。而時(shí)差圖法通過(guò)斷鉛模擬聲發(fā)射源預(yù)先獲得的多點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以構(gòu)建結(jié)構(gòu)的時(shí)差分布圖,然后采用加權(quán)算法實(shí)現(xiàn)損傷定位,能夠考慮聲發(fā)射波在傳播過(guò)程中的波速改變、反射和頻散現(xiàn)象,對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷定位時(shí)具有較高的定位精度。

在實(shí)際運(yùn)用中,結(jié)合各聲發(fā)射損傷定位方法的特點(diǎn),可對(duì)工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際病害位置實(shí)現(xiàn)高效檢測(cè)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。