復(fù)合氣瓶聲發(fā)射幅度衰減測量技術(shù)

劉哲軍 葛 麗 陳 博 張志超 邱 斌

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 四川航天長征裝備制造有限公司，成都 610100）

文 摘 針對宇航級復(fù)合氣瓶聲發(fā)射傳播與衰減特性的測量難題，摸索了聲發(fā)射波的幅度衰減系數(shù)理論計算方法，得到了適用于混雜波幅度衰減系數(shù)的理論計算公式。利用兩種規(guī)格的聲發(fā)射模擬源在復(fù)合氣瓶上進行了試驗.。結(jié)果表明：理論衰減曲線與實測衰減曲線吻合良好；不同模擬源產(chǎn)生的聲發(fā)射模擬信號在頻率成分、信號強度上存在較大的不同，綜合考慮認為，Φ0.5 mm/2H鉛筆芯折斷模擬源更適合復(fù)合氣瓶的聲發(fā)射檢測。

0 引言

復(fù)合氣瓶因其具有比強度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點，目前逐步在航天、船舶、航空等軍工領(lǐng)域展開應(yīng)用與研究。國內(nèi)外的相關(guān)研究均表明由于復(fù)合材料本身的各向異性、非線性以及破壞形式的復(fù)雜性、不連續(xù)性等，使得聲發(fā)射波在材料中不同介質(zhì)界面處會產(chǎn)生反射、折射現(xiàn)象，造成在聲波傳播方向上的能量損失，波包幅度的衰減變化，這種變化在固體和氣體間的交界面尤為嚴重［1-4］。聲發(fā)射波的傳播與衰減特性是進行復(fù)合氣瓶聲發(fā)射嚴重性評價的重要基礎(chǔ)，也是確定聲發(fā)射傳感器布置方案、檢測門檻、檢測頻率等重要檢測參數(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作之一［3］。

本文結(jié)合我國新一代運載火箭用56L 復(fù)合氣瓶的研制［3］，開展復(fù)合氣瓶聲發(fā)射傳播衰減研究，摸索聲發(fā)射波的幅度衰減系數(shù)理論計算方法，擬得到適用于混雜波傳播幅度衰減系數(shù)的理論計算公式。

1 聲波傳播衰減的基本理論

在聲發(fā)射檢測技術(shù)中，衰減主要控制了遠距離低幅度聲發(fā)射源的可測性。材料和結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射波的衰減規(guī)律直接決定了傳感器有效監(jiān)測半徑和定位有效性、準確性。從理論上講，引起聲波衰減的主要原因一般包括聲束擴散衰減、材料組成相造成的散射衰減以及傳播介質(zhì)吸收衰減等3種［2-4］。

在鋁合金內(nèi)膽碳纖維增強復(fù)合氣瓶中，金屬鋁內(nèi)膽的壁厚為1.4 mm，復(fù)合層厚度為12 mm，二者之比約為0.116 7。因此復(fù)合氣瓶的聲波衰減主要是復(fù)合層的衰減，鋁內(nèi)膽對聲波幅度的衰減影響幾乎可以忽略不計，甚至有助于傳播各向異性的改善［3］。復(fù)合層的聲發(fā)射波衰減大致歸結(jié)為以下4 個方面：（1）樹脂對聲發(fā)射波的衰減αR；（2）碳纖維對聲發(fā)射波的衰減αF；（3）孔隙對聲發(fā)射波的衰減αV；（4）其他缺陷如分層、孔洞、夾雜等對聲發(fā)射波的衰減α0。

在不考慮其他缺陷影響的情況下，聲發(fā)射波在復(fù)合材料中的衰減α應(yīng)是包括樹脂、碳纖維、孔隙所共同引起的衰減，即αR、αF、αV之和：

式中，α為衰減系數(shù)，CR、CF、CV1、CV2、、為常數(shù)，f為聲發(fā)射波頻率，PR為樹脂的質(zhì)量分數(shù)，RF為碳纖維半徑，PF為碳纖維質(zhì)量，PV為孔隙質(zhì)量，P1為k1RV＜0.8范圍內(nèi)的孔隙與全部孔隙之比，P2為0.8≤k1RV≤1.0范圍內(nèi)的孔隙與全部孔隙之比。

當聲波傳播距離較短時，其頻率色散較小，可以近似認為信號頻率不變，其傳播衰減系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗可以用式（2）表示［5］：

聲發(fā)射波是一種混雜波，經(jīng)較長距離傳播后會發(fā)生明顯的頻率色散，也即頻率的衰減和改變。聲發(fā)射檢測技術(shù)常用的鉛芯折斷式模擬源觸發(fā)產(chǎn)生的聲發(fā)射波頻率為寬頻，這與裂紋在擴展過程中產(chǎn)生的信號頻率一致。因此基于頻率不變的衰減理論在較長傳播距離上具有一定的局限性。

聲發(fā)射波在復(fù)合氣瓶這類柱形容器中進行較長距離傳播時，由傳播介質(zhì)的非均勻性造成的散射衰減以及由介質(zhì)吸收引起的粘滯衰減為主要的衰減模式，其規(guī)律可用式（3）表示：

式中，A0為信號初始幅值，A為傳播距離r后的信號幅值，α為衰減系數(shù)，r為測量點到聲源的距離。

有理論研究表明，點狀聲發(fā)射源會在柱形復(fù)合氣瓶中會產(chǎn)生柱面波，考慮到聲發(fā)射點源的物理尺寸遠遠小于測量點到聲源的最小距離，且不受聲波頻率和材料因素的限制，其聲波幅度的衰減系數(shù)可用式（4）表示：

式中，α為衰減系數(shù)，A0為信號初始幅值，A為傳播r距離后的信號幅值，r為測量點到聲源的距離。

2 聲發(fā)射衰減特性實驗及理論驗證

采用美國聲學(xué)物理公司（PAC）的PCI-2 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)最大頻率范圍3～3 000 kHz，門檻設(shè)定為30 dB，選用共振頻率為150 kHz 的單端諧振式傳感器。前放增益40 dB。模擬源選用常用的Φ0.5 mm/2H和Φ0.3 mm/2H鉛筆芯折斷模擬源。

在復(fù)合氣瓶的身部直段布置兩個傳感器，分別為1#和2#，直筒段總長為270 mm，測量間距從30～270 mm，共9 組。在1#傳感器根部處分別觸發(fā)Φ0.5 mm/2H 鉛筆芯折斷模擬源、Φ0.3 mm/2H 鉛筆芯折斷模擬源。實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射幅度衰減測量實驗系統(tǒng)Fig.1 The experimental system for measuring the attenuation of acoustic emission amplitude

兩種模擬源分別在1#傳感器根部的同一位置觸發(fā)產(chǎn)生聲發(fā)射信號，2#傳感器隨著傳感器間距的變大接收到的信號幅值不斷減小。根據(jù)實測衰減數(shù)據(jù)和公式（4），求得復(fù)合氣瓶直筒段的有效衰減系數(shù)見表1。

表1 兩種聲發(fā)射模擬源在復(fù)合氣瓶直筒段的有效衰減系數(shù)Tab.1 Effective attenuation coefficients of two acoustic emission simulation sources in the straight section of a composite gas cylinder

從表中可以看出，兩種模擬源所得的衰減系數(shù)相差較大，這是由于不同模擬源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的頻率成分不同造成的，Φ0.3mm/2H 的模擬源相較Φ0.5mm/2H 的模擬源產(chǎn)生的信號頻率成分更高，但強度更低，衰減也更加嚴重。因此對于聲發(fā)射檢測技術(shù)而言，實際檢測需要根據(jù)檢測目的選擇合適的模擬源。

按照表1所示的兩種聲發(fā)射模擬源的衰減系數(shù)反推得到理論和實測曲線的對比見圖2。

圖2 兩種聲發(fā)射模擬源的理論衰減曲線和實測衰減曲線Fig.2 Theoretical attenuation curve and measured attenuation curves of two kinds of acoustic emission simulation sources

從圖2可以看出，由于衰減測量的距離較短，因此衰減曲線基本呈線性遞減趨勢，但兩種模擬源的理論計算衰減曲線和實測曲線吻合較好。從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，由于Φ0.5mm/2H 筆芯模擬源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號強度較高且頻率成分較低，因此其傳播相同的距離后其幅度衰減相對要小4～5 dB。因此在進行該型復(fù)合氣瓶聲發(fā)射檢測時，若選用頻率較低的150 kHz 共振聲發(fā)射傳感器時，推薦使用Φ0.5 mm/2H 筆芯模擬源。

3 結(jié)論

（1）復(fù)合氣瓶上的聲發(fā)射波是一種多頻多模的混雜波，其衰減呈現(xiàn)復(fù)雜形勢。由于復(fù)合氣瓶的形狀簡單，可以采用理論公式α=對復(fù)合氣瓶的衰減進行推演。推演得到的理論與實際測量得到衰減曲線在直筒段位置吻合良好。

（2）不同模擬源產(chǎn)生的聲發(fā)射模擬信號在頻率成分、信號強度上存在較大的不同，綜合考慮認為，Φ0.5 mm/2H 鉛筆芯折斷模擬源更適合復(fù)合氣瓶的聲發(fā)射檢測。