馮琰妮，祿芳菊，龐虎平，馬云中，任天錄

（西安復(fù)合材料研究所，西安 710025）

在內(nèi)力或外力作用下，材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射現(xiàn)象［1］。用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射波和利用聲發(fā)射推斷聲發(fā)射源的技術(shù)為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，能夠檢測(cè)到與聲發(fā)射源相關(guān)的彈性波信號(hào)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性及整體性能做出評(píng)價(jià)。但在聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，由于受到材料本身及構(gòu)件形狀特征的影響，聲發(fā)射波從聲發(fā)射源發(fā)出并傳播到聲發(fā)射探頭處的整個(gè)過(guò)程中，聲發(fā)射波的幅值會(huì)隨著傳播距離的增加產(chǎn)生減小現(xiàn)象，稱為衰減。而衰減的大小，關(guān)系到每個(gè)傳感器可以監(jiān)視的距離范圍，在源定位中成為確定傳感器間距或工作頻率的關(guān)鍵因素。

復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的產(chǎn)品制造中。但對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料由于其材料、結(jié)構(gòu)、工藝、介質(zhì)及各項(xiàng)異性等因素，卻具有聲發(fā)射信號(hào)豐富、衰減大、各向衰減不同等特點(diǎn)，增加了檢測(cè)的復(fù)雜度［2］。筆者以F－12纖維及碳纖維復(fù)合材料為試驗(yàn)對(duì)象，分析了聲發(fā)射波在這兩種纖維復(fù)合材料容器中的衰減特性，為這兩種復(fù)合材料進(jìn)一步的聲發(fā)射檢測(cè)研究提供參考依據(jù)。

1 聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試樣的安裝布置

在復(fù)合材料容器聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中，以0.5mm HB自動(dòng)鉛筆鉛芯的折斷作為聲發(fā)射模擬源，試驗(yàn)了聲發(fā)射波在碳纖維及F－12纖維兩種復(fù)合材料容器上的衰減情況。復(fù)合材料容器采用立式放置，如圖1（a）所示。在容器筒段選取較為平整光滑的曲面，曲面展開為正方形，尺寸為1 m×1 m。在曲面邊緣選取一點(diǎn)作為衰減測(cè)試的原點(diǎn)，以該原點(diǎn)為起點(diǎn)在順纖維方向（0°方向／環(huán)向）、垂直纖維方向（90°方向／軸向）、與纖維成45°方向上（45°方向）畫出長(zhǎng)度1m 的弧線。在弧線上，距原點(diǎn)距離0.1 m 內(nèi)，每隔0.01m 標(biāo)注尺寸，在距原點(diǎn)距離大于0.1m 位置，每隔0.05m 標(biāo)注尺寸，筒段曲面展開，如圖1（b）所示。在相應(yīng)尺寸點(diǎn)上產(chǎn)生模擬源，并記錄該點(diǎn)模擬源產(chǎn)生聲發(fā)射波的幅值，分析幅值在各個(gè)方向上隨距離變化的衰減情況。

圖1 復(fù)合材料容器檢測(cè)示意

1.2 試驗(yàn)設(shè)備設(shè)置

聲發(fā)射檢測(cè)儀器采用美國(guó)PAC 公司的DISP聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。選用1 個(gè)R15型探頭接收聲發(fā)射信號(hào)的幅值，探頭通過(guò)單端前置放大器與儀器通道連接。探頭與被測(cè)容器之間采用醫(yī)用凡士林作為耦合劑，探頭布置于原點(diǎn)位置，探頭中心與原點(diǎn)重合，如圖1（b）所示。聲發(fā)射試驗(yàn)時(shí)設(shè)置的檢測(cè)門檻為40dB，前放增益為40dB，探頭中心頻率為150 Hz，無(wú)前置濾波。閉鎖時(shí)間是材料相關(guān)參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)選定，選取原則是在確保區(qū)分信號(hào)的基礎(chǔ)上，減少回波的影響。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)分析材料類型、材料組織方向、受載歷史及容器中介質(zhì)對(duì)聲發(fā)射衰減的影響。包括：

（1）對(duì)比分析碳纖維材料及F－12纖維材料順纖維方向（0°方向／環(huán)向）、垂直纖維方向（90°方向／軸向）、與纖維成45°方向上（45°方向）聲發(fā)射波幅值隨距離的變化情況。

（2）對(duì)比分析容器內(nèi)部介質(zhì)為空氣及水時(shí)聲發(fā)射波幅值隨距離的變化情況。

（3）對(duì)比分析容器受一次內(nèi)壓載荷試驗(yàn)前、后聲發(fā)射波幅值隨距離的變化情況。

根據(jù)上述不同因素影響，在碳纖維容器及F－12纖維容器的三個(gè)方向上的尺寸點(diǎn)上，分別使用鉛筆芯折斷方式產(chǎn)生聲發(fā)射模擬源。使用聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集模擬源產(chǎn)生的信號(hào)，直到產(chǎn)生的聲發(fā)射波因衰減而無(wú)法被系統(tǒng)接收為止。記錄距離及對(duì)應(yīng)距離的聲發(fā)射信號(hào)幅值。

2 結(jié)果分析

2.1 復(fù)合材料容器不同方向上的幅值衰減對(duì)比分析

碳纖維復(fù)合材料容器不同方向上的聲發(fā)射波幅值衰減對(duì)比如圖2（a）所示，F(xiàn)－12纖維容器不同方向上的幅值衰減對(duì)比如圖2（b）所示。

圖2 不同纖維復(fù)合材料容器不同方向上聲發(fā)射波的幅值衰減對(duì)比

從圖2可以看出，在復(fù)合材料容器上采集到的信號(hào)幅值隨距離增加呈現(xiàn)類似指數(shù)衰減特征，順纖維方向采集的信號(hào)幅值衰減最小，45°纖維方向和垂直纖維方向衰減較大。距離原點(diǎn)0.1m 以內(nèi)的衰減明顯大于0.1m 之后的衰減。在門檻為40dB的檢測(cè)條件下，從圖2（a）可以看出，碳纖維復(fù)合材料順纖維方向、垂直纖維方向和45°纖維方向能檢測(cè)到聲發(fā)射波的距離分別為0.9，0.9，0.65m。順纖維和垂直纖維方向的衰減距離相同，大于45°纖維方向。從圖2（b）可以看出，F(xiàn)－12纖維復(fù)合材料順纖維方向、垂直纖維方向、和45°纖維方向能檢測(cè)到聲發(fā)射波的距離分別為0.5m，0.2，0.2cm。垂直纖維方向和45°纖維方向衰減距離相同，明顯短于順纖維方向。

聲發(fā)射波衰減的機(jī)制主要為：波的幾何擴(kuò)展、材料吸收、散射及頻散等。分析可知，順纖維方向由于材料吸收小于其他兩個(gè)方向，主要由于幾何擴(kuò)展造成能量的損失，從而導(dǎo)致較小的衰減［3］。45°纖維方向及垂直纖維方向上，信號(hào)在傳播過(guò)程中由于在不同纖維束之間、纖維與基體界面間、基體與基體間產(chǎn)生多次反射及材料吸收影響，導(dǎo)致較大的能量損失，出現(xiàn)比順纖維方向嚴(yán)重的聲發(fā)射波幅值衰減現(xiàn)象。

2.2 不同材料相同方向上的幅值衰減對(duì)比分析

F－12和碳纖維容器在順纖維，垂直纖維及45°纖維三個(gè)方向上的聲發(fā)射波幅值隨距離變化的衰減對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 碳纖維及F－12纖維材料不同方向上波幅衰減特征對(duì)比圖

從圖3可以看出，碳纖維材料三個(gè)方向上的波衰減均小于F－12纖維復(fù)合材料。以40dB為門檻，碳纖維復(fù)合材料可以檢測(cè)到信號(hào)的檢測(cè)距離顯著長(zhǎng)于F－12纖維復(fù)合材料，約為F－12纖維復(fù)合材料檢測(cè)距離的兩倍。碳纖維復(fù)合材料由于材料本身粘彈性及熱傳導(dǎo)特點(diǎn)優(yōu)于F－12纖維，同時(shí)碳纖維材料表面光潔度等優(yōu)于F－12纖維的特點(diǎn)，導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)能量損耗明顯小于F－12，進(jìn)而導(dǎo)致波幅值衰減小于F－12纖維復(fù)合材料的。

2.3 不同受載歷史對(duì)幅值衰減特征的影響

聲發(fā)射檢測(cè)不僅受被測(cè)材質(zhì)影響，還與產(chǎn)品的受載歷史相關(guān)［4］。產(chǎn)品受載過(guò)程中，由于材料的變形、裂紋擴(kuò)展、應(yīng)力釋放等現(xiàn)象具有不可逆性，因此這些現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射現(xiàn)象也具有不可逆性，檢測(cè)信號(hào)不可復(fù)現(xiàn)。以F－12纖維容器一次內(nèi)壓試驗(yàn)前后，45°纖維方向?yàn)槔?，分析受載前后的聲發(fā)射波幅值衰減特征，結(jié)果如圖4所示。內(nèi)壓試驗(yàn)加載級(jí)別為：0壓力單位→0.3 壓力單位→0.6 壓力單位→0.9壓力單位→1壓力單位。從圖4中可以看出，一次內(nèi)壓試驗(yàn)后，聲發(fā)射信號(hào)的衰減明顯大于容器未受載荷時(shí)的衰減。一次內(nèi)壓試驗(yàn)后，容器的檢測(cè)距離小于未受載荷狀態(tài)，信號(hào)衰減程度大于未受載荷狀態(tài)。一次內(nèi)壓試驗(yàn)后，由于應(yīng)力釋放，復(fù)合材料完成基體開裂，微觀纖維斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致基體與纖維，纖維束與纖維束間出現(xiàn)微觀分離，信號(hào)在傳播過(guò)程中因這些分離及材料特性的改變而導(dǎo)致更大的能量損失，相比于試驗(yàn)前，引起信號(hào)幅值更大的下降。

圖4 復(fù)合材料容器受載前、后的幅值衰減特征對(duì)比

2.4 容器中不同介質(zhì)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)衰減特征的影響

聲發(fā)射波產(chǎn)生后，在傳播過(guò)程中會(huì)向相鄰介質(zhì)“泄露”而造成波的幅值下降，產(chǎn)生衰減。容器中水介質(zhì)和空氣介質(zhì)對(duì)聲發(fā)射波的衰減特征影響如圖5所示。從圖5 中可以看出，水介質(zhì)時(shí)信號(hào)的衰減程度小于空氣介質(zhì)狀態(tài)，但差別不大，以本次試驗(yàn)為例，兩種狀態(tài)相同距離條件下，最大信號(hào)幅值差別約為8dB，且兩種狀態(tài)下檢測(cè)不到信號(hào)的距離相同。

圖5 復(fù)合材料容器不同介質(zhì)的幅值衰減特征對(duì)比

3 結(jié)論

復(fù)合材料由于各項(xiàng)異性特征，導(dǎo)致材料表面三個(gè)典型方向上的聲發(fā)射衰減信號(hào)特征存在差異，順纖維方向衰減最少、垂直纖維方向次之、45°纖維方向衰減最大。

碳纖維復(fù)合材料三個(gè)方向上的衰減均小于F－12纖維，也就是說(shuō)碳纖維產(chǎn)品的檢測(cè)距離大于F－12纖維產(chǎn)品，約為F－12產(chǎn)品檢測(cè)距離的2倍。F12纖維復(fù)合材料容器比碳纖維復(fù)合材料容器衰減大，可能基于材料特性和結(jié)構(gòu)因素。

產(chǎn)品受載歷史影響幅值衰減特性，進(jìn)而影響檢測(cè)距離及探頭間距的選取。聲發(fā)射檢測(cè)前需要明確產(chǎn)品的受載歷史，以便于對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行全面分析。

容器中介質(zhì)對(duì)信號(hào)幅值衰減存在影響，但從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，這種影響并不顯著，因而有待進(jìn)一步研究。

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［3］周偉，田曉，張婷.風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料聲發(fā)射衰減與源定位［J］.河北大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（1）：100－104.

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