動(dòng)態(tài)載荷下基于聲發(fā)射的木材無(wú)損檢測(cè)

1、<p>　　聲發(fā)射技術(shù)在木材受力破壞過(guò)程檢測(cè)中的應(yīng)用</p><p>　　孫建平 王逢瑚</p><p>　?。|北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）</p><p>　　摘 要：利用聲發(fā)射測(cè)試和力學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了東北常見(jiàn)的闊葉材樹(shù)種山楊在動(dòng)態(tài)載荷下的聲發(fā)射演變過(guò)程；結(jié)合木材粘彈性特點(diǎn)，通過(guò)聲發(fā)射參數(shù)分

2、析研究該樹(shù)種在不同受力階段試件的聲發(fā)射特點(diǎn)。最后得出以下結(jié)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(shì)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(jì)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(diǎn)有振鈴計(jì)數(shù)的急劇降低和能量的急劇升高與之對(duì)應(yīng)。（3）隨著時(shí)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(hào)的聲發(fā)射率和上升時(shí)間可以預(yù)測(cè)材料開(kāi)始斷裂進(jìn)入危險(xiǎn)期的和材料大量纖維斷裂進(jìn)入嚴(yán)重危險(xiǎn)期的兩個(gè)“臨界點(diǎn)”。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè)，臨界點(diǎn)，聲發(fā)射，動(dòng)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>　　（Key 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(hào)則表示一個(gè)或多個(gè)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(hào)[1]。材料在受力作用下變形破壞時(shí)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(hào)

9、的頻率主要集中在100kHz至1MHz之間[2]。聲發(fā)射信號(hào)中隱含著有關(guān)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(shí)間、位置、變化趨勢(shì)及嚴(yán)重程度等。通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的處理和分析來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部聲發(fā)射源的狀態(tài)信息，評(píng)估材料損傷、缺陷等內(nèi)部特征，從而確定材料和結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)和性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的無(wú)損評(píng)價(jià)。聲發(fā)射技術(shù)的主要特點(diǎn)在于能對(duì)材料斷裂行為進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)分析，以及動(dòng)態(tài)檢測(cè)／監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性，這也是聲發(fā)射技

10、術(shù)同傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。</p><p>　　由于聲發(fā)射本身的特點(diǎn)，它已經(jīng)被應(yīng)用到木材科學(xué)領(lǐng)域，如：木材干燥的聲發(fā)射過(guò)程[3]，木材在拉伸過(guò)程中的聲發(fā)射情況[4]，木材切削過(guò)程中的聲發(fā)射[2]；但對(duì)木材在動(dòng)態(tài)受力條件下材料內(nèi)部的實(shí)時(shí)聲發(fā)射信號(hào)空間演變特性沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)木質(zhì)材料在彎曲條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。而對(duì)木材進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、非破壞的可靠性無(wú)損評(píng)估是木材無(wú)損檢

11、測(cè)的重要內(nèi)容之一，也是進(jìn)行木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；而且同應(yīng)力、應(yīng)變參量一樣，聲發(fā)射參量也應(yīng)該屬于材料的一個(gè)可測(cè)的本構(gòu)參量[5]，用于評(píng)估、推斷和模擬其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況。因此，作為一種動(dòng)態(tài)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，聲發(fā)射是監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)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(lái)越多的木質(zhì)材料作為結(jié)構(gòu)材使用，運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)探測(cè)木質(zhì)材料構(gòu)件載動(dòng)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(jiàn)的闊葉材樹(shù)種山楊為研究對(duì)象，從材料在動(dòng)態(tài)荷載條件下的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的角度探討山楊聲發(fā)射的動(dòng)態(tài)演變特征，研究山楊不同紋理在相同的動(dòng)態(tài)荷載下的聲發(fā)射特點(diǎn)；嘗試尋找預(yù)測(cè)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(jiàn)闊葉材山楊為研究對(duì)象，試驗(yàn)試件的長(zhǎng)、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(wú)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(lèi)見(jiàn)表2-1</p><p>　　表1 試驗(yàn)所用試件和設(shè)備</p><p>　　Table 1 Samples and equipments in experiments</p><p>　　利用聲發(fā)射信號(hào)采集器和力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)（設(shè)備型號(hào)和參數(shù)見(jiàn)表1）相結(jié)合，采用三點(diǎn)彎曲對(duì)

14、試件進(jìn)行徑向受力，加載速度為5mm/min，當(dāng)試件開(kāi)始受力時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)采集器也開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)采集。具體的試驗(yàn)原理如圖1</p><p><b>　　圖1 試驗(yàn)原理圖</b></p><p>　　Fig.1 The theory of experiments</p><p>　　本試驗(yàn)主要用到2種設(shè)備，即力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)、聲發(fā)射信號(hào)采集設(shè)備，聲發(fā)射

15、采集器是聲信號(hào)采集和處理的工程機(jī)，能采集信號(hào)，分析處理信號(hào)和儲(chǔ)存信號(hào)。高靈敏度的聲發(fā)射壓電傳感器安裝于受力構(gòu)件表面，實(shí)時(shí)接受和采集來(lái)自于材料的聲發(fā)射信號(hào)；當(dāng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加載荷，聲發(fā)射采集器也開(kāi)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(hào)，并通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)采集器把接受到信號(hào)儲(chǔ)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(hào)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(shí)間（Rising time）和聲發(fā)射率（AE Rating），以及力學(xué)參數(shù)試件隨時(shí)間所受的在載荷（Load）。</p><p><b>　　2 結(jié)果與討論</b></p><p>　　對(duì)每個(gè)試件在相同條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，同時(shí)采集試件的聲發(fā)射信號(hào)。隨時(shí)間變化聲發(fā)射信號(hào)的撞擊數(shù)和載荷見(jiàn)

17、圖2，圖中黑色圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)試件的破壞斷裂點(diǎn)。從圖中可以看出不同的試件撞擊總數(shù)差別很大，隨時(shí)間變化撞擊數(shù)增加的趨勢(shì)也不一樣，但是不同試件的撞擊數(shù)增加趨勢(shì)都可以分為三個(gè)階段，沒(méi)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(lèi)紋理通直的試件的撞擊總數(shù)較少，從時(shí)間-載荷圖可以看出這些試件的最大載荷較大，斷裂的時(shí)間比較晚；第二類(lèi)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(gè)試件最大載荷比第一類(lèi)紋理通直的

18、試件要小，而且試件斷裂的時(shí)間較第一類(lèi)試件早，撞擊數(shù)增加比第一類(lèi)時(shí)間要快；但是在試件斷裂前即黑色小圓點(diǎn)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(shí)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(shí)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(lèi)試件中有代表性的兩個(gè)試件，第一類(lèi)中的sy12和第二類(lèi)中的sy10的聲發(fā)射信號(hào)能量隨時(shí)間和載荷變化的情況，從圖中可以看出聲發(fā)射信號(hào)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(biāo)志著試件的斷裂破壞，也就是說(shuō)在試件斷裂時(shí)，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(diǎn)附近有聲發(fā)射能量的急劇升高點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。</p><p>　　圖4 隨時(shí)間變化的振鈴計(jì)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(hào)的振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間和載荷變化的分布。振鈴計(jì)數(shù)分布比較集中，試件sy10的振鈴計(jì)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(jì)數(shù)變化不大，載荷降低附近振鈴計(jì)數(shù)有較大的變化；載荷急劇降低的點(diǎn)附近有振鈴計(jì)數(shù)的極小值與之對(duì)應(yīng)。</p><p>　　圖5 隨時(shí)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(hào)的幅值隨時(shí)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(gè)值之間都是直接躍遷到另外一個(gè)值，中間沒(méi)有其他的值出現(xiàn)。試件斷裂破壞前幅值較小，在斷裂點(diǎn)附近和斷裂有極大幅值出現(xiàn)，本

23、試驗(yàn)為93.96dB；幅值開(kāi)始出現(xiàn)較大值，本試驗(yàn)確定為51.83dB對(duì)應(yīng)載荷曲線從粘彈性到完全粘性轉(zhuǎn)變的拐點(diǎn)，圖中的“十”字符號(hào)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的載荷分別為最大載荷的80%和84%。</p><p>　　圖6 隨時(shí)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(lèi)試件sy12和第二類(lèi)試件sy10的時(shí)間-撞擊數(shù)/載荷圖，從圖中可以看出無(wú)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(gè)階段：沒(méi)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(duì)應(yīng)圖中載荷曲線的1、2和3區(qū)間；而載荷曲線的這三個(gè)區(qū)間分別對(duì)應(yīng)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(shí)間比sy10要長(zhǎng)。</p><p

25、>　　圖7 隨時(shí)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(hào)的聲發(fā)射率（聲發(fā)射頻度）和上升時(shí)間隨時(shí)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(duì)應(yīng)載荷曲線的

26、從粘彈性向粘性區(qū)間轉(zhuǎn)變的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖中的第一個(gè)“十”字符號(hào)點(diǎn)，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)材料纖維斷裂的開(kāi)始，可稱為材料斷裂的第一“臨界點(diǎn)”；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(duì)應(yīng)圖中的第二個(gè)“十”字符號(hào)點(diǎn)，這一點(diǎn)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(diǎn)看著材料斷裂的第二“臨界點(diǎn)”，從這一點(diǎn)開(kāi)始如果繼續(xù)施加載荷，材料就會(huì)斷裂。徑向紋理通直從第一“臨界點(diǎn)”到第二“臨界點(diǎn)”持續(xù)的時(shí)間要比徑向紋理不通直的要長(zhǎng)。聲發(fā)射

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

28、參數(shù)能體現(xiàn)動(dòng)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(shì)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(jì)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(diǎn)有振鈴計(jì)數(shù)的急劇降低和能量的急劇升高與之對(duì)應(yīng)。隨著時(shí)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(gè)狀態(tài)。聲發(fā)射信號(hào)的聲發(fā)射率和上升

29、時(shí)間可以預(yù)測(cè)材料纖維開(kāi)始斷裂進(jìn)入危險(xiǎn)期的第一“臨界點(diǎn)”和材料大量纖維斷裂進(jìn)入嚴(yán)重危險(xiǎn)期的第二“臨界點(diǎn)”，如果繼續(xù)加載材料將會(huì)破壞斷裂。可以說(shuō)聲發(fā)射信號(hào)是材料破壞的先驅(qū)現(xiàn)象，它作為一種無(wú)損評(píng)估手段適用于木材受力條件下性能的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和安全性能的評(píng)估。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] ASTME1316—1996，Terminolo

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