作者：四川大学 李耀东，黄成祥，侯　力

0引 言
机械零件在受力状态下产生袭纹或塑性变形的时候，往往伴随有声发射（AE）现象的出现。声发射本质上是一种弹性波，它是以瞬态弹性波的形式迅速释放其内部积累的应变能的过程。裂纹的萌生和不连续扩展产生突发型声波，而塑性变形产生连续型声波［1］。声发射监控技术不需发射探测信号，而只是“被动”监听由于零件结构变化而发射出来的声波信号，通过分析所接收的信号，对声发射源的位置、物理状态做出判断，因而运用声发射技术可以实现零件服役状态的动态监控。传统的声发射检测设备主要使用共振式压电传感器接收声发射信号，由于传感器共振频率低、频带窄，而实际上声发射源产生的波形却包含着多种频率成分，表征声发射源特征的许多重要信号被忽略，导致声发射源定位误差较大，且不能区别不同的波形模式和反射波的模式，使判断结果和实际情况有较大出入，特别是在较复杂背景噪声环境下更是如此。
近年来，由于声发射理论的逐渐成熟和计算机技术的飞速发展，模态声发射理论逐渐成熟起来。模态声发射理论认为被测材料结构中的源或声发射事件在负载作用下，产生的弹性波是频率和模式多样的导波信号，可以利用导波理论和弹动力学的理论将一直困扰声发射应用的难题，如声发射源定位不准确、信号特征提取和噪声抑制等问题，从理论上得到了较好的诠释。实际上宽带声发射信号是包含许多不同频率成分和波型的声波信号。因此，总存在某一适合的声发射波型，其波长大于被测结构的特征尺寸（ 如厚度），从而产生并传播导波，只要通过宽带传感器实时真实地获取被测材料结构中产生的宽带声发射信号，通过分析研究源产生的超声波模式，找出对应模式波的内在特征，即可进行缺陷识别和声发射源的估计。正是由于这些特征，模态声发射自20世纪90 年代初期在美国问世以来，便迅速得到较好的应用［2-5］。
模态声发射检测要求采用宽带技术，因此包括声发射传感器、抗混叠滤波、高速A/D 转换、高速信号分析处理乃至计算机数据传输速度等软硬件都应满足宽带模态声发射检测信号要求。另一方面，裂纹产生的声发射信号与随机噪声信号在波形上存在明显差异，通过对波形的分析和处理（如采用小波技术）可以有效地剔除背景噪声。在对声发射波形进行分析的基础上，采用参数分析法提取裂纹声发射源的特征，以获得比较准确的评价结果。
1 疲劳裂纹的信号特征
构件在变载荷作用下产生疲劳裂纹（ 即声源）同时会释放出一种超声信号，从声发射源发现的声信号以弹性波的形式向四周传播，由于传播过程中的能量损失使声波逐渐衰减，频率越高衰减越严重，同时声发射波碰到界面时会被反射，反射时会产生波形变换，因此到达传感器的声发射波实际上是经过多次发射和不同模态的波叠加的复杂波形。因此声发射检测技术的关键是首先要准确地识别表征裂纹特征的声发射信号。由于很多实际零件具有板状结构，因此可以利用基于板波理论的模态声发射技术分析来自此类零件内部的声发射信号。使用模态声发射技术可以在对声发射信号波形进行分析的基础上，提取声发射源的有关特征，如裂纹的大小、损伤程度和声发射源的方位等。
根据模态声发射理论，声发射波（ 亦是一种机械波）在板平面内按三种模式传播：1、在板平面内沿传播方向运动的扩展波；2、垂直于板平面运动的弯曲波；3、在板平面内垂直于传播方向运动的剪切波。一般在板状结构中只能检测到扩展波和弯曲波，剪切波是较难检测到的，并且影响可以忽略不计。这三种波都是低阶的兰姆波（Lamb）。扩展波的传播速度最快，且低频分量无频散效应，即具有较低频率分量的扩展波按照相同的速度运动；弯曲波的传播速度较慢，有频散效应，其传播速度与频率的平方根成正比。具有较高频率的弯曲波会先到达传感器，由于衰减严重，幅值较低。具有较低频率的弯曲波会较晚到传感器，同时由于不同频率分量的分离，弯曲波随着时间的推移，幅度会逐渐衰减。同时扩展波和弯曲波在传播过程中遇到裂缝、孔洞、夹塞物或其它类型间断物的物体时会产生多次衍射和反射，反射会使波的传播过程产生较大的时间延迟，如图1所示。

图1 声发射信号波形
扩展波和弯曲波的传播速度与频率的关系可用图2表示。

图2 声速和频率的关系
由于在板平面内的声发射源主要产生扩展波，而板平面外的声发射源则主要产生弯曲波［1］，因此疲劳裂纹产生的是具有较大高频分量的扩展波分量，而背景噪声信号和零件塑性变形产生的是频率相对较低的弯曲波分量。由于这两种波的频率范围不同，波速不同，波形特征亦存在明显差别，因而可以通过分离AE 信号的不同模态成分，提取信号波形中表征疲劳裂纹萌生和扩展的扩展波，同时有效抑制弯曲波的影响。提取出信号中的扩展波后，根据波速和扩展波信号到达传感器的时间以及零件结构特征便可以计算出零件中疲劳裂纹的距离、方位。
2 信号特征与疲劳裂纹大小的关系
声发射信号的持续时间一般只有几十到数百微秒，持续时间短，数据量大，依靠硬件现记录、存储声发射信号的瞬态波形比较困难，不仅硬件投入较大，而且很难保证实时性，于是综合波形分析和参数分析的特点，用前向通道中的高通滤波器提取出声发射信号中的扩展波后，用参数分析的方法提取波形特征，对疲劳裂纹的扩展过程进行预测。
常用的波形分析参数有幅值（Amplitude)、振铃数（Counts）、持续时间（Duration6）、上升时间（Rise time）
和相对能量（Relative energy），其特征含义如图3 所示。

图3 声发射信号参数
由于传感器每振荡一次就输出一个振铃脉冲，它随载荷循环次数的变化情况集中反应了疲劳裂纹信号的主要特征，因此我们使用声发射信号的振铃数来预测裂纹的扩展速度。
由材料的等幅载荷试验表明，疲劳裂纹的扩展速度da/dn 随应力密度因子幅度△K 变化，在双对数坐标上可用图4 表示［6］。
图4中I区为初始稳定扩展区，该区存在一个疲劳裂纹扩展应力强度因子的阈值。III区为裂纹快速扩展区，它以平面应变材料的断裂韧性值为渐进线，在该区内da/dn急剧上升而产生瞬间断裂。II区为裂纹稳定扩展区，是裂纹扩展的主要部分，可近似为直线，该直线满足Paris-Erdogan方程［7，8］。

图4 da/dn-△k曲线
根据Paris-Erdogan 方程，疲劳裂纹的扩展速度可用下式表示,其中，a 表示裂缝长度，n 为疲劳循环的周期数，△k 为应力密度因子幅度，c 和m 是随材料性质而定的常量。为了建立声发射信号参数和疲劳裂纹扩展速度的有关，Gong Z等［4］提出应用声发射记数率表示应力密度因子幅度，其方程如下：
其中，n表示声发射信号的振铃数（Counts），B 与P 为根据材料特性而定的常量。
于是，将式（4）代入式（3）可得方程（5）：
该方程建立了声发射参数（振铃率）与疲劳裂纹扩展速度相互关系的数学模型，是对零件结构完整性进行预测、评价的主要依据。
3 试验方法及结果分析
单个声发射事件的持续时间很短，频带很宽，高频成分穿过物体时衰减严重，而低频成分又与机械噪声重叠，不易分离，因此用较高的通频带检测声发射信号，并进一步提取出表征疲劳裂纹特征的频率较高的扩展波分量。我们在参考国外同类声发射检测仪的基础上，最后确定声发射传感器的频带范围为100kHz-1.2MHz。
图5 是我们设计的一种四通道发射监控仪，用来对零件运行过程中产生的疲劳裂纹进行在线监测，其结构图如图5 所示（图中只示出了单一通道的结构）。

图5 多通道声发射监控仪结构框图
然后，对图6 所示试件（ 材料为A3）进行轴向拉伸疲劳实验。声发射传感器安装于U 形缺口对称面右侧30mm 处，同时又处于试件轴向对称面上。

图6 轴向加载矩形截面U形缺口试样
试验在SCHENCK 250KN材料试验机上进行。试验条件如表1。

表1
使用该声发射仪记录疲劳裂纹萌生和扩展过程中产生的声发射信号，然后重构采样信号，在使用较高的通频带和用较大的阈值水平滤除背景噪声的基础上，再使用小波分析的方法进一步滤除背景噪声和弯曲波信号的分量，突出表征裂纹的扩展波分量，同时有效抑制其它信号的影响，最后得到的试件断裂瞬间的信号波形如图7所示。

图7 试件疲劳断裂过程中的AE 信号
再根据式（4）计算裂纹长度随疲劳循环周期数的变化率，而后积分可得整个疲劳循环过程中裂纹长度随时间的变化情况，如图8所示。

图8 试件断裂过程中裂纹长度
图中的离散点是由超声波探伤的方式每隔4 分钟测量的裂纹长度值，可认为是裂纹的实际长度值。由图8 可见，通过声发射信号的参数计算的裂纹长度大于实际长度。这主要是因为疲劳裂纹的闭合以及裂纹面间的摩擦产生声发射信号，导致振铃数增加，进而导致计算误差增大。由此可见，用声发射参数计算的裂纹长度偏大，计算结果偏于安全，但作为工程测量来说，声发射技术不失为一种动态检测零件疲劳裂纹的有效方法。
4 结论
采用模态声发射的基本理论，对采集到的AE 声发射信号有效地分离其模态波形，进而提取表征裂纹特征及其状态的声发射参数，是实现零件疲劳裂纹状态在线监测的一种切实可行的方法。但是对于复杂噪声背景如何有效地抑制高频噪声信号和振动信号，使测量结果更加准确地逼近实际结果，还需要做深入的研究。