声发射技术在木材受力破坏过程检测中的应用

发布日期：2015-04-24 09:56　　　浏览次数：次

摘  要：利用声发射测试和力学实验相结合的方法，研究了东北常见的阔叶材树种山杨在动态载荷下的声发射演变过程；结合木材粘弹性特点，通过声发射参数分析研究该树种在不同受力阶段试件的声发射特点。最后得出以下结论：（1）径向纹理不通直的试件比通直的声发射撞击数要多，而且增加的趋势较快，但是在试件断裂前，声发射撞击数相差不大。（2）在试件断裂前，振铃计数和能量的变化小，局部极值出现在试件断裂附近，试件断裂后出现更多地局部极值；载荷急剧下降的点有振铃计数的急剧降低和能量的急剧升高与之对应。（3）随着时间和载荷的变化，声发射幅值参数值和撞击总数增加快慢可以体现材料在受力条件下的完全弹性、粘弹性和粘性三种状态。（4）声发射信号的声发射率和上升时间可以预测材料开始断裂进入危险期的和材料大量纤维断裂进入严重危险期的两个“临界点”。
关键词：无损检测，临界点，声发射，动态载荷，参数分析
Application of acoustic emission technology in damage process testing of wood under the dynamic loadsSUN Jian-ping   WANG Feng-hu（Key Laboratory of Bio-based Material Science and Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University  Harbin 150040）
Abstract: The acoustic emission (AE) evolution process of David poplar (Poulus davidiana) samples was investigated by combining the two methods of 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 explored. The results are: (1) Samples without straight radial grain have more hits and increasing faster than samples with straight radial grain, but before fracture hits count is not much different. (2) Before fracture ring count and energy have a little change and local maximum appears near fracture; After fracture there are much more local maximums and rapid drop of load is corresponded with rapid drop of ring count and rapid rise of energy. (3) With the time and load changing, the increase speed of AE cumulative hits and AE cumulative energy can exactly identify complete elasticity, elastic-viscosity and complete viscosity of wood, which of the three stages are the most important feature of wood under load. (4) The AE rate and rising time can be employed to predict two “critical points” of wood fracture damage. The first point means the material is in the state of slight danger and the second point means the material is in the state of serious danger.
Keywords: Non-destructive testing; Critical point; Acoustic emission; Dynamic loads; Parameter analysis
声发射（Acoustic emission，AE）可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象，而声发射信号则表示一个或多个AE事件经传感器接收并经系统处理后以某种形式出现的电信号[1]。材料在受力作用下变形破坏时所发射的声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直至超声频，通常所研究的AE信号的频率主要集中在100kHz至1MHz之间[2]。声发射信号中隐含着有关声发射源特性的重要信息，如材料的状态，材料内部裂纹产生的时间、位置、变化趋势及严重程度等。通过对这些信号的处理和分析来检测材料内部声发射源的状态信息，评估材料损伤、缺陷等内部特征，从而确定材料和结构的整体状态和性能，实现对检测对象的实时动态的无损评价。声发射技术的主要特点在于能对材料断裂行为进行实时的动态分析，以及动态检测／监测和评价构件的结构完整性，这也是声发射技术同传统的无损检测技术的本质区别。
由于声发射本身的特点，它已经被应用到木材科学领域，如：木材干燥的声发射过程[3]，木材在拉伸过程中的声发射情况[4]，木材切削过程中的声发射[2]；但对木材在动态受力条件下材料内部的实时声发射信号空间演变特性没有进行系统深入的研究，利用声发射检测技术对木质材料在弯曲条件下进行动态性能检测的研究还未见报道。而对木材进行动态的、非破坏的可靠性无损评估是木材无损检测的重要内容之一，也是进行木质结构材料设计的重要依据；而且同应力、应变参量一样，声发射参量也应该属于材料的一个可测的本构参量[5]，用于评估、推断和模拟其内部结构的变化情况。因此，作为一种动态的无损检测技术，声发射是监测和预报木材在受力条件下的稳定性的一种重要手段；并且随着越来越多的木质材料作为结构材使用，运用声发射技术探测木质材料构件载动态载荷下的完整性和使用的安全性是很有意义的。
本文以东北常见的阔叶材树种山杨为研究对象，从材料在动态荷载条件下的声发射信号参数的角度探讨山杨声发射的动态演变特征，研究山杨不同纹理在相同的动态荷载下的声发射特点；尝试寻找预测材料受力破坏失稳的声发射临界参数。
1  材料和方法
以东北常见阔叶材山杨为研究对象，试验试件的长、宽、高分别为300×20×20mm，试件在常温下干燥至含水率稳定，无缺陷，纹理分径向纹理通直和径向纹理不通直两种。试件分类见表2-1
表1  试验所用试件和设备
Table 1  Samples and equipments in experiments

Fig.1 The theory of experiments
利用声发射信号采集器和力学实验机（设备型号和参数见表1）相结合，采用三点弯曲对试件进行径向受力，加载速度为5mm/min，当试件开始受力时，声发射信号采集器也开始进行信号采集。具体的试验原理如图1

图1 试验原理图

本试验主要用到2种设备，即力学实验机、声发射信号采集设备，声发射采集器是声信号采集和处理的工程机，能采集信号，分析处理信号和储存信号。高灵敏度的声发射压电传感器安装于受力构件表面，实时接受和采集来自于材料的声发射信号；当力学实验机对试件施加载荷，声发射采集器也开始工作，由传感器接受试件因受力变形而产生的声发射信号，并通过声发射信号采集器把接受到信号储存、分析处理。
本论文主要使用参数分析法，分析声发射信号的主要参数有幅值（Amplitude）、振铃次数（Ring count）、撞击次数（Hit Count）、能量（Energy）、上升时间（Rising time）和声发射率（AE Rating），以及力学参数试件随时间所受的在载荷（Load）。
2 结果与讨论
对每个试件在相同条件下进行动态加载试验，同时采集试件的声发射信号。随时间变化声发射信号的撞击数和载荷见图2，图中黑色圆点对应试件的破坏断裂点。从图中可以看出不同的试件撞击总数差别很大，随时间变化撞击数增加的趋势也不一样，但是不同试件的撞击数增加趋势都可以分为三个阶段，没有撞击或只有零星的撞击阶段、撞击数缓慢增加阶段和撞击数急剧增加阶段。从试件径向纹理看，第一类纹理通直的试件的撞击总数较少，从时间-载荷图可以看出这些试件的最大载荷较大，断裂的时间比较晚；第二类纹理不通直的试件撞击总数较大，从图中可以看出这三个试件最大载荷比第一类纹理通直的试件要小，而且试件断裂的时间较第一类试件早，撞击数增加比第一类时间要快；但是在试件断裂前即黑色小圆点以前，除试件sy11，所有试件撞击总数相差不大。

图3是选择了在两类试件中有代表性的两个试件，第一类中的sy12和第二类中的sy10的声发射信号能量随时间和载荷变化的情况，从图中可以看出声发射信号能量在载荷急剧降低的附近出现较大的值，载荷急剧下降标志着试件的断裂破坏，也就是说在试件断裂时，试件声发射能量出现局部极大值。在试件断裂后多次出现局部极大值，在断裂前声发射能量变化不大，主要维持在55000mv·us左右。从图中还可以看出载荷的急剧降低点附近有声发射能量的急剧升高点与之对应。

图4是试件sy10和sy12声发射信号的振铃计数随时间和载荷变化的分布。振铃计数分布比较集中，试件sy10的振铃计数主要集中在1450-1600次，试件sy12则主要集中在1400-1550次；载荷急剧降低前振铃计数变化不大，载荷降低附近振铃计数有较大的变化；载荷急剧降低的点附近有振铃计数的极小值与之对应。

图5为试件sy10和sy12声发射信号的幅值随时间和载荷变化的分布情况。从图中可以看出幅值主要集中在39.79dB、45.81 dB和51.83dB左右，每一个值之间都是直接跃迁到另外一个值，中间没有其他的值出现。试件断裂破坏前幅值较小，在断裂点附近和断裂有极大幅值出现，本试验为93.96dB；幅值开始出现较大值，本试验确定为51.83dB对应载荷曲线从粘弹性到完全粘性转变的拐点，图中的“十”字符号所对应的点，对应的载荷分别为最大载荷的80%和84%。

图6是分别第一类试件sy12和第二类试件sy10的时间-撞击数/载荷图，从图中可以看出无论是纹理通直和纹理通直的试件，在试件断裂破坏前，随着受力的变化试件声发射可分为三个阶段：没有声发射或零星声发射阶段、声发射缓慢增加阶段和声发射急剧增加阶段，这分别对应图中载荷曲线的1、2和3区间；而载荷曲线的这三个区间分别对应山杨的弹性区间、粘弹性区间和粘性区间。图中sy12的粘弹性和粘性区域持续的时间比sy10要长。

图7和图8分别是试件sy8、sy10、 sy12和sy14声发射信号的声发射率（声发射频度）和上升时间随时间和载荷变化的情况。从图7可以看出声发射率主要集中在8以下，声发射率第一次出现较大值是对应载荷曲线的从粘弹性向粘性区间转变的点，对应图中的第一个“十”字符号点，这一点对应材料纤维断裂的开始，可称为材料断裂的第一“临界点”；随着载荷的增加，更多的纤维发生断裂，声发射率出现第二次局部极大值，对应图中的第二个“十”字符号点，这一点意味着材料的大量纤维断裂，试件即将断裂破坏，可把这一点看着材料断裂的第二“临界点”，从这一点开始如果继续施加载荷，材料就会断裂。径向纹理通直从第一“临界点”到第二“临界点”持续的时间要比径向纹理不通直的要长。声发射信号的上升时间参数也有类似的规律，见图8。

3 结论
从研究可以看出，通过声发射信号参数能体现动态载荷下山杨所处的状态。径向纹理不通直的试件比通直的声发射撞击数要多，而且增加的趋势较快，但是在试件断裂前，声发射撞击数相差不大。在试件断裂前，振铃计数和能量的变化小，局部极值出现在试件断裂附近，试件断裂后出现更多地局部极值；载荷急剧下降的点有振铃计数的急剧降低和能量的急剧升高与之对应。随着时间和载荷的变化，声发射幅值参数值和撞击总数增加快慢可以体现山杨在受力条件下的完全弹性、粘弹性和粘性三个状态。声发射信号的声发射率和上升时间可以预测材料纤维开始断裂进入危险期的第一“临界点”和材料大量纤维断裂进入严重危险期的第二“临界点”，如果继续加载材料将会破坏断裂。可以说声发射信号是材料破坏的先驱现象，它作为一种无损评估手段适用于木材受力条件下性能的动态监测和安全性能的评估。
参考文献
[1] ASTME1316—1996，Terminology for Nondestructive Examination[S]
[2] 曹平祥. 木材切削过程中的声发射[J]. 木工机床，1995，2：1-6
[3] 谢力生. 声发射法在木材干燥中的应用[J]. 林产工业，2001，28（3）：38-42
[4] J. Racqkowski，K. Lutomski，W. Molisski，R. Wos. Detection of early stages of wood decay acoustic emission technique [J]. Wood Science and Technology，1999，33：353—358
[5] 纪洪广，蔡美峰. 混凝土材料声发射与应力-应变参量耦合关系及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2003，22（2）：27-31

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