黃長林，李 明，方賽銀，趙 越，覃葛洲，楊洲凌，鄧婷婷

(1.西南林業(yè)大學 機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000； 3.安徽工程大學 高端裝備先進感知與智能控制教育部重點實驗室，安徽 蕪湖 241000)

木材作為一種綠色環(huán)保、可再生的材料，廣泛應用于人們的日常生活中，常被作為承載構件，材料裂紋的存在會對材料的力學性能產(chǎn)生影響，降低木材的使用價值，因此在作承重構件前對其進行裂紋檢測就顯得尤為重要。利用聲發(fā)射技術(acoustic emission technology,AET)來監(jiān)測材料的損傷一直是行業(yè)的熱點問題，AET作為唯一的主動動態(tài)無損檢測方法[1]，已被廣泛應用于金屬、復合材料的監(jiān)測上，該技術也逐漸被使用在對木質材料的動態(tài)監(jiān)測上。如對出水木質文物的動態(tài)監(jiān)測，Zhao等[2]利用AET對宋代出水沉船進行長期動態(tài)監(jiān)測，追蹤在暴露環(huán)境下相對濕度的變化對木質文物的損壞情況。AET可以在不破壞材料的情況下對其進行實時損傷監(jiān)測，評價材料的損傷情況、內部裂紋等特征[3]。

材料在遭受破壞時會以應力波的形式釋放能量過渡到低能穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)，這種以應力波的形式釋放應變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[4]。AE監(jiān)測是追蹤材料損傷演變的一種重要的非破壞性的工具，同時在木材科學中也得到了廣泛的應用[5-6]。早在1982年Ansell[7]就將AE應用于木材的損傷檢測，并提出AE信號在傳播過程中呈指數(shù)衰減且振幅隨著距離的增加而逐漸衰減。Lamy等[8]利用AE基本參數(shù)表明AE對監(jiān)測木材損傷斷裂的有效性；Riahi等[9]結合有限元模擬仿真，提出了針對木材裂紋擴展的仿真計算方法，為后續(xù)研究木材裂紋定位提供了方法依據(jù)；Diakhate等[10]利用試驗分析和數(shù)值模擬相結合的方法，表明了利用AE能有效監(jiān)測木材裂紋擴展機理。為對木材損傷進行模擬實驗，王明華等[11-12]驗證了鉛芯折斷能有效模擬木材的損傷AE源，同時研究了木材表面裂紋對AE信號的影響，表明裂紋的產(chǎn)生對AE信號的傳播速度和頻率特性都產(chǎn)生了影響。

為準確標定由材料損傷所產(chǎn)生的AE源，丁銳等[13]采用鉛芯折斷產(chǎn)生模擬AE源，利用信號相關性計算AE信號在材料內的傳播速度，再結合奇異譜分析對木材損傷AE源進行直線定位研究，定位精度明顯提高。目前的研究都參考傳播速度來進行定位研究，利用時差定位法(time difference of arrival,TDOA)是常用的AE源定位方法，首先需要計算AE信號到達各傳感器之間的時差，再根據(jù)各傳感器之間的位置關系確定AE源位置[14-15]。Ming等[16]利用鉛芯折斷探究了木材表面橫波和內部縱波的傳播衰減特性，表明AE能量都呈明顯的指數(shù)衰減。趙小矛等[17]利用木材破壞時所釋放的AE能量傳播特性進行源定位，結果表明對損傷源位置的標定較為準確，而且外界環(huán)境對結果的影響較小。目前的研究主要集中在無缺陷試件，而實際應用時木材不可避免地會存在缺陷，其中裂紋是最常見也是極具安全隱患的一種缺陷，所以，研究裂紋對AE信號傳播特性的影響是AET在木材無損檢測中應用的必須解決的基礎問題。

本研究以櫸木為試驗材料，通過鋸切的方式在無缺陷試件表面制作不同規(guī)格的裂紋，探究AETW在其不同裂紋試件中的傳播特性。試驗中采用鉛芯折斷和信號發(fā)生器來模擬產(chǎn)生AE源，鉛芯折斷參照美國 ASTM-E976標準；以試驗所采用傳感器的中心諧振頻率為標準，將其信號發(fā)生器頻率設置為150 kHz。為了排除駐波對AETW速度的影響，利用高通濾波器對原始AE信號進行濾波處理，再利用相關性分析的方法確定AE信號的傳播時差，進而依據(jù)時差定位原理計算AETW速度。利用脈沖信號計算AETW能量時，可將AE信號視為交流電信號，并將在固定時間內通過單位電阻所產(chǎn)生的熱量作為AE信號的能量。通過對比不同裂紋深度和大小下的AETW速度和能量，建立其衰減模型，為后續(xù)裂紋定位研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

選取表面無缺陷的氣干實木鋸材櫸木(Zelkovaschneideriana)為試驗材料，密度為0.75 g·cm-3，含水率為12.2%，將其分為6組，在其中5組表面制作規(guī)則的裂紋，試件裂紋具體情況見圖1。為方便描述將各試件定義為T1～T6，試件裂紋具體參數(shù)見表1。

試驗基于NI USB-6366高速采集卡和LabVIEW軟件搭建的5通道AE信號采集系統(tǒng)。其中，所用傳感器頻率范圍為50～400 kHz的單端諧振式RS-2A AE傳感器；同時，為了確保AE信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，為每通道配備1個40 dB的前置放大器，用于放大所采集的AE信號；所用采集卡輸出端電壓范圍為(-5 V,5 V)，最高采樣頻率可達2 MHz。文獻[18]表明，AE信號在木材內傳播的最高頻率集中在200 kHz左右。根據(jù)香農采樣定理，為保證模擬信號不失真，采樣頻率(fs)與最大信號頻率(fmax)之間必須滿足fs≥2fmax，在采集過程中，將其采集頻率設置為500 kHz。

為了確保所發(fā)信號頻率的穩(wěn)定，利用SIGLENT SDG805單通道信號發(fā)生器，輸出脈沖信號來模擬木材損傷時所產(chǎn)生的AE信號，其最大輸出頻率為5 MHz，最高采樣速率為125 MSa·s-1，輸出電壓范圍為4 mV～20 V。為保證其AE傳感器所接收信號的穩(wěn)定，所設置的輸出脈沖信號頻率與AE傳感器的中心諧振頻率150 kHz相同。

圖1 試驗示意

表1 試件參數(shù)

1.2 方法

現(xiàn)有研究表明，鉛芯折斷可以用來模擬木材損傷時所產(chǎn)生的AE源[12]，因此，采用鉛芯折斷的方式來產(chǎn)生模擬AE源，再計算其AETW傳播速度。利用信號發(fā)生器發(fā)射固定頻率的標準脈沖信號，計算AE信號在傳播過程中的能量衰減情況。

依據(jù)彈性波理論，當AE源的振動方向與傳播方向垂直時，AE信號主要以橫波的形式傳播，且橫波無法在液體和氣體介質中傳播。為明確橫波在不同裂紋尺寸試件中的傳播速率和能量衰減情況，設計AETW析取試驗(圖1)。由于木材是多孔性材料，在傳播過程中AE信號會產(chǎn)生復雜的反射現(xiàn)象，而采用傳統(tǒng)的最大值的方法無法客觀反映其時差，因此，選擇采用相關性分析方法來計算AETW傳播速度。

在試件表面等間距制作4條裂紋，裂紋間距為150 mm，最外側2條裂紋分別距離試件2個端面均為175 mm，以每條裂紋為中心，左右間距75 mm處放置AE傳感器，并確保所有AE傳感器共線(圖1)。同時，為保證AE源頻率的一致性，信號發(fā)生器均采用150 kHz的脈沖信號，單個脈沖寬度為1 μs，循環(huán)數(shù)為15 000，循環(huán)周期為1 s。在斷鉛試驗過程參考美國 ASTM-E976標準，采用直徑為0.5 mm的鉛芯與試件表面形成30°夾角，鉛芯伸出長度為2.5 mm，在固定位置折斷，采集得到原始AE信號。

(1)

式中：T為周期，信號y(t)平移τ個單位后與x(t)相似程度最高。

AE信號在傳播過程中有一定的能量衰減，因此，在分析AE信號能量時，可將AE信號視為交流電信號，并將其在固定時間內通過單位電阻產(chǎn)生的熱量作為AE信號能量(W)：

(2)

式中：U為電壓，R為電阻。

由于系統(tǒng)采集的AE信號不連續(xù)，為此對式(2)作離散化處理，2個數(shù)據(jù)之間相隔1/fs秒，假設離散過程采用零階保持器，即在這段時間內信號幅值保持不變，則AE信號能量的計算公式為：

(3)

式中:ui為AE信號電壓值；Δti=T=1/fs(i=1,2,…,n)；fs為采樣頻率；n為數(shù)據(jù)長度。

2 結果與分析

2.1 AE信號在裂紋試件上的橫波速率

為研究櫸木試件的表面裂紋深度、大小以及分布對AETW傳播速率的影響，利用濾除駐波后的AE信號來計算AETW傳播速率。駐波是兩列沿相反方向傳播的振幅和頻率相同的波的疊加所形成的波，“駐波”并非真正意義上的波，它的平均能流密度等于0，能量只能在波節(jié)與波腹之間來回傳播，且節(jié)點是靜止不動的，所以它的波形沒有傳播。當試件表面產(chǎn)生入射波后，在木材邊界會形成反射波，入射波與反射波疊加從而形成穩(wěn)定的駐波。由于駐波的存在，直接采用相關性分析是不合適的，所以采用高通濾波器對原始AE信號進行濾波處理。

圖2為在無缺陷試件上斷鉛所產(chǎn)生的時域信號及其駐波部分頻譜，分別為傳感器S1～S5的時頻域信號，從圖2中可以看出，所在不同位置上駐波對應的質點振動幅值與頻率基本一致，因此將其定義為AE信號中的駐波，為明確其頻域特征，截取這部分穩(wěn)定的波，利用快速傅里葉變換對其進行頻譜分析，由圖2(b)可見，5個傳感器主成分都集中在5～7 kHz。隨著傳感器距離的增加，在位置較遠的2個傳感器主成分更加明顯。因此為排除駐波對AETW速度的影響，在計算AETW速度之前，設置高通濾波器的截止頻率為7 kHz。

在試驗過程中為降低鉛芯折斷時人為因素和環(huán)境的干擾，對每組試件分別進行10次獨立試驗，其中，vi為AETW傳播速度，i(i=1,2,3,4)表示裂紋的個數(shù)，試驗所得結果見表2、表3和表4，不同裂紋尺寸下的能量衰減曲線見圖3。

注：A.鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號；B.駐波頻譜。

表2為不同裂紋分布下所對應的AETW速度，此時裂紋尺寸不發(fā)生改變，僅改變裂紋數(shù)量，相比無裂紋試件其速度出現(xiàn)明顯增加，且隨著裂紋數(shù)量的增加其速度呈現(xiàn)衰減趨勢。在對無缺陷T1試件的10次獨立試驗中，AETW速度趨于穩(wěn)定，平均速度為824.4 m·s-1，而在另外5個試件中，AETW速度出現(xiàn)明顯波動，且速度出現(xiàn)不同程度的增加。這是由于在無裂紋試件中，AETW存在2條傳播路徑，即木材表面和內部，在木材表面?zhèn)鞑サ乃俣缺葍炔總鞑ニ俣纫?，因此，在無裂紋試件中AETW傳播速率小。而表面裂紋產(chǎn)生后，切斷了橫波在表面的傳播路徑，此時主要沿木材內部順紋理方向進行傳播，從而導致傳播速度增大。表3為改變裂紋深度所對應的AETW速度，此時僅改變裂紋深度，隨著裂紋數(shù)量的增加，AETW速度呈現(xiàn)遞減趨勢，且速度增加率呈現(xiàn)降低趨勢。裂紋數(shù)量增加導致反射界面增加，下一傳感器接收到的信號減少，從而使得AETW速度出現(xiàn)降低。而在同一數(shù)量的裂紋下，隨著深度的改變，AETW速度未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。表4為不同裂紋寬度下的AETW速度，此時僅改變裂紋寬度，隨著裂紋數(shù)量的增加，速度變得更為混亂。

表2 不同裂紋分布下的AETW傳播速率

表3 不同裂紋深度時AETW傳播速率

表4 不同裂紋寬度時AETW傳播速率

2.2 AE信號在裂紋試件上的橫波能量衰減

為探究裂紋對AETW能量的影響，利用信號發(fā)生器發(fā)射固定頻率的脈沖串來模擬AE源，從而研究AE橫波能量的衰減規(guī)律。由圖2可見，鉛芯折斷所產(chǎn)生的AE信號時域衰減明顯，由鉛芯折斷所產(chǎn)生AE能量源有限，且在傳播過程中會產(chǎn)生明顯的駐波信號，對能量的計算產(chǎn)生影響。因此采用脈沖信號作為AE源，通過信號發(fā)生器發(fā)射150 kHz的長度為15 000的脈沖串，以確保每個傳感器都能接收來源的脈沖信號。試驗中所采集的AE信號是經(jīng)過了40 dB的前置放大器放大，因此需將其還原成真實的AE信號，再根據(jù)式(3)計算每個傳感器的AE能量/μJ。

為研究AETW能量衰減情況，在相同位置改變AE源強度，將所發(fā)脈沖信號的電壓等級分別設置為20、15、10、5V依次遞減。為了更加直觀反映不同幅值下的能量衰減情況，將橫波能量衰減繪制在同一幅圖中(圖3)，不同電壓等級對應的AETW能量衰減規(guī)律一致。由于橫波能量衰減太快，其縱坐標是真實能量取對數(shù)后的值，從圖3可以看出，AETW能量衰減不受電壓等級和裂紋的影響。

表5 不同裂紋橫截面積下的AETW速度增加率

圖3 不同裂紋條件下的能量衰減曲線

信號發(fā)生器產(chǎn)生AE源能量比鉛芯折斷所產(chǎn)生的能量大，采用信號發(fā)生器作為AE源來研究能量衰減更為客觀。在圖3中，300 mm之前曲線下降趨勢相對較陡，表明此距離內能量衰減快，在超過300 mm后，衰減逐漸減弱，此時所剩能量較少且能量等級低。在研究木材橫波能量的衰減規(guī)律時，超過一定距離后，由于能量低，再探究橫波能量衰減特征其價值不大，因此，在研究橫波能量衰減特征時，應在能量衰減明顯階段對其進行研究，表征其橫波能量衰減規(guī)律。

為明確AETW能量的衰減情況，將其AETW能量衰減過程進行指數(shù)擬合，利用AETW能量衰減率和衰減到50%和90%的距離來表征衰減情況。將距離AE源最近的傳感器S1測得的AE橫波能量視為1，對其他位置的傳感器所測得的AETW能量進行歸一化處理，擬合曲線見圖4。圖4中K為不同電壓等級擬合曲線斜率的平均值，代表AETW能量在各試件中的衰減速率，K的絕對值(|K|)越大表示AETW能量衰減速率越快，不同裂紋條件對應的K值見表6。

在試件T1～T6中，無裂紋試件T1的衰減速率|K|均大于其他試件，表明AETW能量在T1試件中衰減最快，然而，隨著裂紋的出現(xiàn)，|K|出現(xiàn)減小現(xiàn)象，這是由于裂紋的出現(xiàn)，改變了AETW原本的傳播路徑，且橫波只能在固體介質中傳播，在裂紋邊界處會產(chǎn)生界面反射，從而導致AE信號出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，導致AETW能量衰減速率減小，衰減距離增加。在試件T2、T3、T4中不改變裂紋分布和寬度的情況下，隨著裂紋深度的增加，其AETW能量衰減速率未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，但相比T1試件都出現(xiàn)了明顯減小，表明此時反射信號已經(jīng)對AETW能量產(chǎn)生了影響。然而，在在試件T4、T5、T6中保證裂紋深度和分布不變的情況下，隨著裂紋寬度的增加，衰減速率|K|呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，其AETW波衰減距離也相對增加，這是因為隨著裂紋寬度的增加，其裂紋邊界與傳感器的間距逐漸縮小，導致反射更加強烈，從而降低了AETW能量的衰減速率。

為量化表征AETW能量的衰減程度，以AETW能量衰減到50%和90%的實際距離來表征裂紋對能量衰減的影響，以傳感器S1為原點，傳感器S1到S5的距離為600 mm。由圖4可見，無裂紋T1試件衰減速率最快，AETW能量衰減到50%和90%距離分別為55 mm和184 mm，在T6試件中衰減最慢，衰減到50%和90%距離分別為66 mm和220 mm，在未超出300 mm的范圍內AETW能量已消耗殆盡，表明櫸木AETW能量在300 mm內會完全衰減。同時，從衰減距離來看，AETW能量衰減到50%所用距離較短，而再增加40%的能量衰減，其衰減距離出現(xiàn)顯著增加，AETW能量衰減明顯變緩。這是因為在前階段高頻成分所包含能量較大，高頻成分在木材內傳播衰減顯著，其所帶能量也出現(xiàn)較快的衰減，然而，隨著傳播距離的增加，駐波所攜帶能量較小且不向前傳播，但受材料本身阻力的影響，會在其振動位置逐步衰減，導致能量衰減變緩。

圖4 AETW能量衰減擬合曲線

在考慮AETW能量隨距離的衰減規(guī)律時，由于取對數(shù)后的能量與距離的值在數(shù)量級上存在顯著差異，直接擬合容易產(chǎn)生較大的擬合誤差，為此對距離進行了以下居中的線性處理：

(4)

式中：D為AE傳感器擺放的實際距離，D∈[0,600 mm]，此時是以傳感器S1為原點；x為變換后的等效距離，即圖4中橫軸坐標；mean(D)為D的期望；std(D)為D的方差，本研究中期望和方差分別為300 mm和173.64 mm。由圖4擬合得到的櫸木T1～T6試件中AE橫波隨等效距離x變化的衰減規(guī)律為(Ei)：

Ei=eKx+b

(5)

式中:Ei為隨等效距離衰減的AE橫波能量；b為公式擬合系數(shù)。

將式(4)代入式(5)，得到不同裂紋條件下的AETW隨實際距離D的衰減函數(shù)：

ETi=αeβD

(6)

式中：ETi為隨實際距離衰減的AE橫波能量；α和β均為公式擬合系數(shù)。

表6 不同裂紋條件下的參數(shù)變化

式(6)表征了AETW能量在櫸木中傳播隨距離的衰減情況，無論試件是否存在裂紋，其橫波能量衰減都滿足此函數(shù)，不同試件條件所對應的實際衰減速率β都較小，因此將其實際距離轉換為等效距離，通過衰減速率的變化來反映AETW能量的衰減情況。

3 結論

利用鉛芯折斷和信號發(fā)生器產(chǎn)生AE源，研究了AETW在櫸木試件中的傳播速度和能量衰減規(guī)律，探索了不同裂紋尺寸及分布對AETW能量和傳播速度的影響，發(fā)現(xiàn)AETW能量衰減和傳播速度都能反映裂紋的存在。

在無裂紋試件中AETW平均速度為824.4 m·s-1，而裂紋產(chǎn)生后速度都出現(xiàn)明顯增加，速度最大增加率為52.7%。在不改變裂紋尺寸的情況下，隨著裂紋數(shù)量的增加AETW速度從1 216.5 m·s-1減小到913.8 m·s-1，而在僅改變裂紋深度的情況下，速度隨著裂紋數(shù)量的增加而逐漸減小，分別從1 171.1 m·s-1、1 220.8 m·s-1減小到820.6 m·s-1、885.2 m·s-1。在采用信號發(fā)生器作為模擬AE源時，AETW能量衰減規(guī)律不受電壓等級改變的影響。采用不同電壓等級下的AE信號來探究裂紋對AETW能量的影響，在無裂紋試件中能量衰減速率為2.98，衰減到50%和90%距離分別為55 mm和184 mm。而在裂紋產(chǎn)生后，其AETW能量衰減速率變慢，衰減距離均出現(xiàn)不同程度增加，AETW能量在衰減過程中，衰減到50%所用距離較短，而再增加40%的能量衰減后，其衰減距離明顯增大，駐波的存在對AETW能量衰減產(chǎn)生了影響。

本研究探究了裂紋尺寸及分布對AETW傳播速度和能量影響，表明可采用AETW的傳播特性來檢驗木質材料是否存在裂紋，至于對不同的裂紋形狀對AE信號傳播的影響還無法知曉，以及對縱波的影響也不得而知，后續(xù)可對其進行更加深入的研究，探究裂紋尺寸及分布對AE縱波的影響，以及不同類型的裂紋對AE信號傳播的影響。