聲發(fā)射信號特征提取方法在復合材料層合板中的應用

沈書乾 李 偉 龍飛飛 曹書銘 蔣 鵬 郭福平 程麗華

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院茂名檢測院；3.大連民族大學機電工程學院；4.廣東石油化工學院化學工程學院）

碳纖維復合材料氣瓶（也稱CFRP氣瓶）是通過在金屬或非金屬內(nèi)膽上纏繞高強度碳纖維制造而成的，因具有質(zhì)量輕、強度高及抗疲勞性好等優(yōu)點，近年來在石化、航天和汽車領(lǐng)域被廣泛應用。但是碳纖維復合材料抗沖擊性能差，在氣瓶的使用過程中，氣瓶瓶身受到?jīng)_擊作用后極易形成損傷。碳纖維復合材料的沖擊損傷形式多樣，大致分為基體開裂、分層損傷及纖維斷裂等。沖擊損傷的發(fā)生會使氣瓶的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導致其承載能力大幅減弱，造成嚴重的安全隱患。

聲發(fā)射技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，相對于常規(guī)的無損檢測來講，具有動態(tài)檢驗和靈敏度高的優(yōu)點［1～4］。在此，筆者基于聲發(fā)射技術(shù)，提出將聲發(fā)射信號特征提取方法應用于碳纖維復合材料層合板中，實現(xiàn)CFRP氣瓶損傷的探測。

1 落錘沖擊實驗

落錘沖擊實驗以CFRP層合板試件為研究對象，采用-15～15°碳纖維鋪層方式，纖維與承載方向垂直，試件的長、寬均為120 mm，厚度為7 mm（其中碳纖維板厚4.5 mm，鋁板厚2.5 mm），共制作5塊試件。

沖擊實驗儀器選擇CLC-A型落錘式?jīng)_擊實驗機，有效沖擊高度為1.5 m，層合板試件表面布置有傳感器，布點如圖1所示。

圖1 傳感器在層合板上的布置圖

沖擊能量選擇10、20、30、45、60 J。實驗前，先將試件固定在沖擊夾具上，將所選取的傳感器通過耦合劑貼于試件上，并將沖頭位置對準試件的沖擊點位置。檢查周圍環(huán)境，在確保沒有影響聲發(fā)射檢測的噪聲下，啟動沖擊實驗機，在沖擊實驗機控制系統(tǒng)界面中輸入沖擊能量，沖擊實驗機將自動調(diào)節(jié)落錘高度，當落錘達到指定能量高度后釋放落錘，完成相應的落錘沖擊實驗。

2 CFRP層合板沖擊損傷形態(tài)結(jié)果分析

沖擊能量20、30、45 J下的試件沖擊損傷表觀形態(tài)如圖2所示，相應的試件沖擊損傷B、C掃描圖 像如圖3、4所示。

圖2 不同沖擊能量下的試件沖擊損傷表觀形態(tài)

圖3 不同沖擊能量下的試件沖擊損傷B掃描圖像

由圖2可以看出：在20 J沖擊能量下試件無明顯損傷，30 J沖擊能量下試件出現(xiàn)明顯凹坑損傷，45 J沖擊能量下試件凹坑損傷更加明顯且凹坑深度加大。

由圖3可以看出：隨著沖擊能量的增加，試件縱向的微小形變逐漸嚴重，且3種沖擊能量下均能看出明顯的纖維斷裂損傷情況。

由圖4可以看出：20 J沖擊能量下試件面內(nèi)出現(xiàn)了小面積的損傷區(qū)域，30 J沖擊能量下試件面內(nèi)的損傷區(qū)域面積較20 J時的有所增加，45 J沖擊能量下試件出現(xiàn)大面積損傷區(qū)域并且可以明顯看到纖維斷裂損傷與分層損傷。

圖4 不同沖擊能量下的試件沖擊損傷C掃描圖像

3 CFRP層合板損傷聲發(fā)射信號特征提取

3.1 參數(shù)-時間關(guān)系圖

繪制30、60 J沖擊能量下沖擊損傷聲發(fā)射信號多種參數(shù)-時間關(guān)系圖（圖5、6）。聲發(fā)射信號幅值的變化反映了試件損傷發(fā)生的強弱和損傷產(chǎn)生的數(shù)量，聲發(fā)射撞擊數(shù)僅反映試件中損傷產(chǎn)生的數(shù)量，聲發(fā)射能量的變化率反映試件損傷的嚴重程度。

圖5 30 J沖擊能量下參數(shù)-時間關(guān)系圖

圖6 60 J沖擊能量下參數(shù)-時間關(guān)系圖

3.2 聲發(fā)射信號頻譜分析

首先對聲發(fā)射信號進行傅里葉變換并進行頻譜分析，找到主要頻帶的分布情況，為后續(xù)小波包分解時確定分解層數(shù)提供依據(jù)［5，6］。

經(jīng)過處理和分析大量聲發(fā)射信號發(fā)現(xiàn)，實驗中采集到的聲發(fā)射信號波形的主要形式有單峰值突發(fā)型和多峰值突發(fā)型。其中，多峰值突發(fā)型信號極為復雜，并且不同損傷類型的聲發(fā)射信號發(fā)生次序、頻率等都是無規(guī)律且隨機的，需在單峰值突發(fā)型信號分析完成后，再分析處理解釋多峰值突發(fā)型信號。

在采集的眾多損傷聲發(fā)射單峰值突發(fā)型信號中選取了3個極具代表性的信號（A、B、C），其時域和頻域圖像如圖7所示。

圖7 信號A、B、C的時域和頻域圖像

從圖7中可以看出，信號A頻率主要集中在90～120 kHz，峰值頻率為95 kHz；信號B頻率主要集中在175～200 kHz，峰值頻率為180 kHz；信號C頻率主要集中在90～120 kHz與190～230 kHz。根據(jù)碳纖維復合材料損傷信號基本特征可知，纖維斷裂信號頻率應高于分層損傷信號頻率，因此可以判斷出信號A為分層損傷信號，信號B為纖維斷裂信號，信號C中既存在分層損傷信號又存在纖維斷裂信號。

3.3 小波包能量提取分析

3.3.1 小波基函數(shù)的選擇

對信號進行小波包分解時，小波基函數(shù)的選取是非常重要的。小波基函數(shù)不是唯一的，常用的小波基函數(shù)包括Daubechies系列小波、Haar系列小波及Symlets系列小波等，選取不同的小波基函數(shù)會導致分解效果的不同。在選擇小波基函數(shù)時需要考慮以下幾個因素：正交性、緊支性、衰減性、對稱性、正則性和消失矩階數(shù)。db小波族具有緊支性，正交性和正則性隨著序號N的增加而增加，消失矩階數(shù)為2N，因此非常適合處理突發(fā)型信號。在選擇db小波族時，需要考慮小波基形狀與待分析信號的波形是否相似且具有一定的相關(guān)性，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，當N=8時，db小波與所研究的信號相似，且具有良好的相關(guān)性，能夠較好地保留信號中的有效成分，剔除冗雜信息的干擾。

3.3.2 小波包分解層數(shù)的確定

當小波包分解層數(shù)過低時，信號特征不明顯甚至會被埋沒；當分解層數(shù)過高時，會增加計算量，導致運算速度變慢［7，8］。根據(jù)信號頻譜分析所得結(jié)論，當分解層數(shù)為5時，可有效提取信號特征且計算量較少。設(shè)信號采樣頻率為2 MHz，可檢測信號頻帶0～1 MHz，根據(jù)小波包分解樹節(jié)點與信號子空間頻帶的對應關(guān)系，得到小波包重構(gòu)信號分量的頻率范圍（表1）。

表1 小波包重構(gòu)信號分量的頻率范圍

3.3.3 小波包信號能量特征提取

利用小波包對信號進行特征提取的步驟如下：

a.將斷鉛和摩擦信號分別進行5層小波包分解，Xij為小波包分解后的第i層第j個節(jié)點的小波包分解系數(shù)；

b.對小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取第i層中低頻到高頻信號S5j的特征，對應總信號為S=S51+S52+…+S5j；

由3.2節(jié)的分析結(jié)果可知，信號主要頻率的最高值小于512 kHz，因此在繪制小波包能量譜時，只取小波包重構(gòu)信號分量的前16段進行分析，經(jīng)過小波包變換后各頻帶上的能量分布如圖8所示。由圖8可知，分層損傷信號小波包能量主要分布在信號分量（5，2）和（5，3），其對應信號頻率范圍為64～96 kHz和96～128 kHz；纖維斷裂信號小波包能量主要分布在信號分量（5，5），其對應信號頻率范圍為160～192 kHz，因此利用小波包局部頻段能量占比值的范圍對信號類型進行劃分。通過對碳纖維復合材料層合板沖擊實驗所得信號進行小波包能量譜分析并統(tǒng)計其規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相同類型的聲發(fā)射信號其小波包局部頻帶能量占比呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：信號分量（5，2）和（5，3）對應頻帶64～128 kHz的小波包能量占比值大于75%，此時信號為分層信號；信號分量（5，5）、（5，6）和（5，7）對應頻帶160～256 kHz的小波包能量占比值大于70%，此時信號為纖維斷裂信號。因此，利用小波包能量譜分析法能夠直觀地表現(xiàn)出各頻帶能量的變化情況，可以有效提取CFRP層合板損傷聲發(fā)射信號的特征。

圖8 信號小波包能量分布圖

4 結(jié)束語

搭建CFRP層合板落錘沖擊實驗系統(tǒng)，利用聲發(fā)射采集系統(tǒng)對CFRP層合板落錘沖擊過程中產(chǎn)生的不同損傷類型的聲發(fā)射信號進行采集。實驗所得信號通過小波包分解得到信號的小波包能量譜，通過分析不同頻段能量的分布情況，可有效對不同損傷信號進行區(qū)分，實現(xiàn)了對不同損傷信號的特征提取。