動態(tài)載荷下基于聲發(fā)射的木材無損檢測

1、<p>　　聲發(fā)射技術在木材受力破壞過程檢測中的應用</p><p>　　孫建平 王逢瑚</p><p>　?。|北林業(yè)大學生物質(zhì)材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱 150040）</p><p>　　摘 要：利用聲發(fā)射測試和力學實驗相結合的方法，研究了東北常見的闊葉材樹種山楊在動態(tài)載荷下的聲發(fā)射演變過程；結合木材粘彈性特點，通過聲發(fā)射參數(shù)分

2、析研究該樹種在不同受力階段試件的聲發(fā)射特點。最后得出以下結論：（1）徑向紋理不通直的試件比通直的聲發(fā)射撞擊數(shù)要多，而且增加的趨勢較快，但是在試件斷裂前，聲發(fā)射撞擊數(shù)相差不大。（2）在試件斷裂前，振鈴計數(shù)和能量的變化小，局部極值出現(xiàn)在試件斷裂附近，試件斷裂后出現(xiàn)更多地局部極值；載荷急劇下降的點有振鈴計數(shù)的急劇降低和能量的急劇升高與之對應。（3）隨著時間和載荷的變化，聲發(fā)射幅值參數(shù)值和撞擊總數(shù)增加快慢可以體現(xiàn)材料在受力條件下的完全彈性、粘彈

3、性和粘性三種狀態(tài)。（4）聲發(fā)射信號的聲發(fā)射率和上升時間可以預測材料開始斷裂進入危險期的和材料大量纖維斷裂進入嚴重危險期的兩個“臨界點”。</p><p>　　關鍵詞：無損檢測，臨界點，聲發(fā)射，動態(tài)載荷，參數(shù)分析</p><p>　　Application of acoustic emission technology in damage process</p><p&g

4、t;　　testing of wood under the dynamic loads</p><p>　　SUN Jian-ping WANG Feng-hu</p><p>　?。↘ey Laboratory of Bio-based Material Science and Technology of Ministry of Education,</p><p

5、>　　Northeast Forestry University Harbin 150040）</p><p>　　Abstract: The acoustic emission (AE) evolution process of David poplar (Poulus davidiana) samples was investigated by combining the two methods of

6、 mechanics testing and acoustic emission technique when the samples were imposed to the dynamic load. By analysis of AE parameters and the elastic-viscosity of wood, the AE characterization under different loads was expl

7、ored. The results are: (1) Samples without straight radial grain have more hits and increasing faster than samples with straight radia</p><p>　　Keywords: Non-destructive testing; Critical point; Acoustic emi

8、ssion; Dynamic loads; Parameter analysis</p><p>　　聲發(fā)射（Acoustic emission，AE）可以定義為物體或材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象，而聲發(fā)射信號則表示一個或多個AE事件經(jīng)傳感器接收并經(jīng)系統(tǒng)處理后以某種形式出現(xiàn)的電信號[1]。材料在受力作用下變形破壞時所發(fā)射的聲發(fā)射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直至超聲頻，通常所研究的AE信號

9、的頻率主要集中在100kHz至1MHz之間[2]。聲發(fā)射信號中隱含著有關聲發(fā)射源特性的重要信息，如材料的狀態(tài)，材料內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的時間、位置、變化趨勢及嚴重程度等。通過對這些信號的處理和分析來檢測材料內(nèi)部聲發(fā)射源的狀態(tài)信息，評估材料損傷、缺陷等內(nèi)部特征，從而確定材料和結構的整體狀態(tài)和性能，實現(xiàn)對檢測對象的實時動態(tài)的無損評價。聲發(fā)射技術的主要特點在于能對材料斷裂行為進行實時的動態(tài)分析，以及動態(tài)檢測／監(jiān)測和評價構件的結構完整性，這也是聲發(fā)射技

10、術同傳統(tǒng)的無損檢測技術的本質(zhì)區(qū)別。</p><p>　　由于聲發(fā)射本身的特點，它已經(jīng)被應用到木材科學領域，如：木材干燥的聲發(fā)射過程[3]，木材在拉伸過程中的聲發(fā)射情況[4]，木材切削過程中的聲發(fā)射[2]；但對木材在動態(tài)受力條件下材料內(nèi)部的實時聲發(fā)射信號空間演變特性沒有進行系統(tǒng)深入的研究，利用聲發(fā)射檢測技術對木質(zhì)材料在彎曲條件下進行動態(tài)性能檢測的研究還未見報道。而對木材進行動態(tài)的、非破壞的可靠性無損評估是木材無損檢

11、測的重要內(nèi)容之一，也是進行木質(zhì)結構材料設計的重要依據(jù)；而且同應力、應變參量一樣，聲發(fā)射參量也應該屬于材料的一個可測的本構參量[5]，用于評估、推斷和模擬其內(nèi)部結構的變化情況。因此，作為一種動態(tài)的無損檢測技術，聲發(fā)射是監(jiān)測和預報木材在受力條件下的穩(wěn)定性的一種重要手段；并且隨著越來越多的木質(zhì)材料作為結構材使用，運用聲發(fā)射技術探測木質(zhì)材料構件載動態(tài)載荷下的完整性和使用的安全性是很有意義的。</p><p>　　本文以東

12、北常見的闊葉材樹種山楊為研究對象，從材料在動態(tài)荷載條件下的聲發(fā)射信號參數(shù)的角度探討山楊聲發(fā)射的動態(tài)演變特征，研究山楊不同紋理在相同的動態(tài)荷載下的聲發(fā)射特點；嘗試尋找預測材料受力破壞失穩(wěn)的聲發(fā)射臨界參數(shù)。</p><p><b>　　1 材料和方法</b></p><p>　　以東北常見闊葉材山楊為研究對象，試驗試件的長、寬、高分別為300×20×

13、20mm，試件在常溫下干燥至含水率穩(wěn)定，無缺陷，紋理分徑向紋理通直和徑向紋理不通直兩種。試件分類見表2-1</p><p>　　表1 試驗所用試件和設備</p><p>　　Table 1 Samples and equipments in experiments</p><p>　　利用聲發(fā)射信號采集器和力學實驗機（設備型號和參數(shù)見表1）相結合，采用三點彎曲對

14、試件進行徑向受力，加載速度為5mm/min，當試件開始受力時，聲發(fā)射信號采集器也開始進行信號采集。具體的試驗原理如圖1</p><p><b>　　圖1 試驗原理圖</b></p><p>　　Fig.1 The theory of experiments</p><p>　　本試驗主要用到2種設備，即力學實驗機、聲發(fā)射信號采集設備，聲發(fā)射

15、采集器是聲信號采集和處理的工程機，能采集信號，分析處理信號和儲存信號。高靈敏度的聲發(fā)射壓電傳感器安裝于受力構件表面，實時接受和采集來自于材料的聲發(fā)射信號；當力學實驗機對試件施加載荷，聲發(fā)射采集器也開始工作，由傳感器接受試件因受力變形而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并通過聲發(fā)射信號采集器把接受到信號儲存、分析處理。</p><p>　　本論文主要使用參數(shù)分析法，分析聲發(fā)射信號的主要參數(shù)有幅值（Amplitude）、振鈴次數(shù)（R

16、ing count）、撞擊次數(shù)（Hit Count）、能量（Energy）、上升時間（Rising time）和聲發(fā)射率（AE Rating），以及力學參數(shù)試件隨時間所受的在載荷（Load）。</p><p><b>　　2 結果與討論</b></p><p>　　對每個試件在相同條件下進行動態(tài)加載試驗，同時采集試件的聲發(fā)射信號。隨時間變化聲發(fā)射信號的撞擊數(shù)和載荷見

17、圖2，圖中黑色圓點對應試件的破壞斷裂點。從圖中可以看出不同的試件撞擊總數(shù)差別很大，隨時間變化撞擊數(shù)增加的趨勢也不一樣，但是不同試件的撞擊數(shù)增加趨勢都可以分為三個階段，沒有撞擊或只有零星的撞擊階段、撞擊數(shù)緩慢增加階段和撞擊數(shù)急劇增加階段。從試件徑向紋理看，第一類紋理通直的試件的撞擊總數(shù)較少，從時間-載荷圖可以看出這些試件的最大載荷較大，斷裂的時間比較晚；第二類紋理不通直的試件撞擊總數(shù)較大，從圖中可以看出這三個試件最大載荷比第一類紋理通直的

18、試件要小，而且試件斷裂的時間較第一類試件早，撞擊數(shù)增加比第一類時間要快；但是在試件斷裂前即黑色小圓點以前，除試件sy11，所有試件撞擊總數(shù)相差不大。</p><p>　　圖2 隨時間變化的撞擊總數(shù)/載荷</p><p>　　Fig.2 Hit count and load with the change of time</p><p>　　圖3 隨時間變化的能

19、量/載荷</p><p>　　Fig.3 Energy and load with the change of time </p><p>　　圖3是選擇了在兩類試件中有代表性的兩個試件，第一類中的sy12和第二類中的sy10的聲發(fā)射信號能量隨時間和載荷變化的情況，從圖中可以看出聲發(fā)射信號能量在載荷急劇降低的附近出現(xiàn)較大的值，載荷急劇下降標志著試件的斷裂破壞，也就是說在試件斷裂時，試件聲

20、發(fā)射能量出現(xiàn)局部極大值。在試件斷裂后多次出現(xiàn)局部極大值，在斷裂前聲發(fā)射能量變化不大，主要維持在55000mv·us左右。從圖中還可以看出載荷的急劇降低點附近有聲發(fā)射能量的急劇升高點與之對應。</p><p>　　圖4 隨時間變化的振鈴計數(shù)/載荷</p><p>　　Fig.4 Ring count and load with the change of time</p&

21、gt;<p>　　圖4是試件sy10和sy12聲發(fā)射信號的振鈴計數(shù)隨時間和載荷變化的分布。振鈴計數(shù)分布比較集中，試件sy10的振鈴計數(shù)主要集中在1450-1600次，試件sy12則主要集中在1400-1550次；載荷急劇降低前振鈴計數(shù)變化不大，載荷降低附近振鈴計數(shù)有較大的變化；載荷急劇降低的點附近有振鈴計數(shù)的極小值與之對應。</p><p>　　圖5 隨時間變化的幅值/載荷</p>

22、<p>　　Fig.5 Amplitude and load with the change of time</p><p>　　圖5為試件sy10和sy12聲發(fā)射信號的幅值隨時間和載荷變化的分布情況。從圖中可以看出幅值主要集中在39.79dB、45.81 dB和51.83dB左右，每一個值之間都是直接躍遷到另外一個值，中間沒有其他的值出現(xiàn)。試件斷裂破壞前幅值較小，在斷裂點附近和斷裂有極大幅值出現(xiàn)，本

23、試驗為93.96dB；幅值開始出現(xiàn)較大值，本試驗確定為51.83dB對應載荷曲線從粘彈性到完全粘性轉(zhuǎn)變的拐點，圖中的“十”字符號所對應的點，對應的載荷分別為最大載荷的80%和84%。</p><p>　　圖6 隨時間變化的撞擊數(shù)/載荷</p><p>　　Fig.6 Hit and load with the change of time</p><p>　　圖

24、6是分別第一類試件sy12和第二類試件sy10的時間-撞擊數(shù)/載荷圖，從圖中可以看出無論是紋理通直和紋理通直的試件，在試件斷裂破壞前，隨著受力的變化試件聲發(fā)射可分為三個階段：沒有聲發(fā)射或零星聲發(fā)射階段、聲發(fā)射緩慢增加階段和聲發(fā)射急劇增加階段，這分別對應圖中載荷曲線的1、2和3區(qū)間；而載荷曲線的這三個區(qū)間分別對應山楊的彈性區(qū)間、粘彈性區(qū)間和粘性區(qū)間。圖中sy12的粘彈性和粘性區(qū)域持續(xù)的時間比sy10要長。</p><p

25、>　　圖7 隨時間變化的聲發(fā)射率/載荷</p><p>　　Fig.7 AE rate and loads with the change of time</p><p>　　圖7和圖8分別是試件sy8、sy10、 sy12和sy14聲發(fā)射信號的聲發(fā)射率（聲發(fā)射頻度）和上升時間隨時間和載荷變化的情況。從圖7可以看出聲發(fā)射率主要集中在8以下，聲發(fā)射率第一次出現(xiàn)較大值是對應載荷曲線的

26、從粘彈性向粘性區(qū)間轉(zhuǎn)變的點，對應圖中的第一個“十”字符號點，這一點對應材料纖維斷裂的開始，可稱為材料斷裂的第一“臨界點”；隨著載荷的增加，更多的纖維發(fā)生斷裂，聲發(fā)射率出現(xiàn)第二次局部極大值，對應圖中的第二個“十”字符號點，這一點意味著材料的大量纖維斷裂，試件即將斷裂破壞，可把這一點看著材料斷裂的第二“臨界點”，從這一點開始如果繼續(xù)施加載荷，材料就會斷裂。徑向紋理通直從第一“臨界點”到第二“臨界點”持續(xù)的時間要比徑向紋理不通直的要長。聲發(fā)射

27、信號的上升時間參數(shù)也有類似的規(guī)律，見圖8。</p><p>　　圖8隨時間變化的上升時間/載荷</p><p>　　Fig. 8 Rising time and loads with the change of time</p><p><b>　　3 結 論</b></p><p>　　從研究可以看出，通過聲發(fā)射信號

28、參數(shù)能體現(xiàn)動態(tài)載荷下山楊所處的狀態(tài)。徑向紋理不通直的試件比通直的聲發(fā)射撞擊數(shù)要多，而且增加的趨勢較快，但是在試件斷裂前，聲發(fā)射撞擊數(shù)相差不大。在試件斷裂前，振鈴計數(shù)和能量的變化小，局部極值出現(xiàn)在試件斷裂附近，試件斷裂后出現(xiàn)更多地局部極值；載荷急劇下降的點有振鈴計數(shù)的急劇降低和能量的急劇升高與之對應。隨著時間和載荷的變化，聲發(fā)射幅值參數(shù)值和撞擊總數(shù)增加快慢可以體現(xiàn)山楊在受力條件下的完全彈性、粘彈性和粘性三個狀態(tài)。聲發(fā)射信號的聲發(fā)射率和上升

29、時間可以預測材料纖維開始斷裂進入危險期的第一“臨界點”和材料大量纖維斷裂進入嚴重危險期的第二“臨界點”，如果繼續(xù)加載材料將會破壞斷裂?？梢哉f聲發(fā)射信號是材料破壞的先驅(qū)現(xiàn)象，它作為一種無損評估手段適用于木材受力條件下性能的動態(tài)監(jiān)測和安全性能的評估。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] ASTME1316—1996，Terminolo

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