基于AE技术与HHT的环锭纱拉伸断裂过程研究

发布日期：2016-01-18 13:06　　　浏览次数：次

薛亚静，林兰天，张福乐

(上海工程技术大学服装学院，上海201620)

摘要：在常规纱线拉伸强力仪上采用自主搭建的声发射检测系统，分别采集涤纶长丝和环锭纱在拉伸破坏过程中的声频，利用Matlab软件编制Hilbert—Huang transform(HHT)程序对采集的信号进行分析与处理，以获取纱线拉伸过程中各破坏源的时频特征。分析结果表明，AE信号经HHT可识别涤纶环锭纱拉伸过程所涉及的纤维断裂和纤维滑移2种模式，其特征频率分别为30，20 kHz和6，3 kHz，本研究为纱线拉伸断裂机理的分析争进一步的延伸研究提供一种有效方法。

计算机和声发射技术的快速发展，为直接从纱线拉伸断裂过程中采集有效信息，探究纱线破坏模式提供可能。声发射(acoustic emission，简称AE)是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波的形式释放应变能的现象‘卜3。。利用声发射技术采集纱线拉伸断裂过程动态声频信息，进而分析纱线在破坏过程中所呈现的不同物理特性。对于声发射信号的处理方法h5|，波形分析法已成为声发射源特征获取的主要方法。由于纱线拉伸破坏信号属于非平稳突发信号，相比传统的时频分析方法，希尔伯特一黄变换(Hilbert-Huang transform，简称HHT)克服了傅里叶变换难以处理非平稳信号的缺点，同时克服了小波变换中小波基难选取以及分析分辨率依然存在局限的问题，是一种适合非线性、非平稳性信号分析与处理的方法[6‘7]。

本文在常规的纱线拉伸强力仪上，采用自主搭建的声发射检测系统分别采集涤纶长丝和环锭纱拉伸破坏过程动态声频信息，并利用Matlab软件编制HHT程序对采集的声发射信号进行分析与处理，从而获取纱线拉伸破坏各种模式的时频特征。

1 声发射信号

长丝或纤维在拉伸状态下，行程3个破坏阶段；微孔的形成（断裂源）、裂纹的缓慢扩展（裂纹扩展区）、纤维的迅速破坏（失稳断裂区）。根据弱环理论，裂纹发生在纤维结构最薄弱的缺陷处。微孔的形成产生了纤维的不均匀结构，当受到外力持续加载时就会产生局部应力集中，这种不稳定应力分布状态下的应变能直至积累到一定程度时，必定产生高能态低能态的过渡，即以弹性波的形式释放应力应变能，应力集中从而实现卸载，同时伴随着纤维表面裂纹的形成、扩展直至失稳断裂形式完成。产生的弹性波将在纤维中传播造成纤维表面的振动，当声发射传感器探测后纤维表面的振动信号时，即可采集到长丝或纤维拉伸破坏的声发射信号。

从能量角度而言，材料断裂破坏是一个内能与热能增加以及其他能力形式转换释放的过程，其总和为断裂功。其中其他能量形式包括了以声发射信号表达的振动能量。长丝或短纤纱拉伸断裂，从宏观上都要归结到纤维层面，而纤维的内在结构，包括结晶区和无定型区中缚结分子长度和形态、化学键的种类及其特有的弹性势能都会影响到声发射的相关参数，如频率、强度、时间及延续过程的长短。然而短纤纱与长丝纱又有所不同，其拉伸断裂过程除纤维断裂外，还包括纤维间的滑移，如图1所示。短纤纱纤维的外表面性能，包括纱线加捻过程中形成的纤维内应力与纤维表面摩擦系数相关的抱合力等，都会在纱线拉伸过程中呈送并影响着声发射的各类信号特征。根据来侃等的研究，相同的纱线在不同的拉伸速度下其断裂强度和断裂功是有差异的，而滑动摩擦在总断裂功中的贡献又和纱线内的纤维形态有关。

因此，纱线拉伸断裂过程中的声发射信号必然会在频率、强度、发生时间点和持续时间上存在与纤维断裂和纤维间滑移等各部分呈现对总断裂功有贡献的关联组分。

2 Hilbert—Huang变换及其特点

2．1 Hi|bert-Huang变换基本原理

Hilbert—Huang变换(Hilbert—Huang transform，简称HHT)是由HUANG[1幻等于1998年提出来的一种运用于非线性、非平稳信号进行线性化和平稳化处理的新型时频分析方法。该方法主要包括2个步骤‘13]：首先对信号进行经验模态分解(empirical mode decomposition，简称EMD)，得到有限个本征模态函数(intrinsic mode function，简称IMF)，该步骤是HHT变换的核心部分；然后对分解得到的各个IMF分量进行Hilbert变换，得出时频平面上的能量分布谱图，进而进行时频谱分析。

2．2 Hilbert变换

纱线拉伸过程的声发射信号X(￡)经过EMD的“筛选”过程后，得到有限个IMF分量，然后将每个IMF分量进行Hilbert变换，构造解析信号，从而获得各个IMF分量的瞬时幅值、瞬时频率和时频谱图(Hilbert谱)。其算法公式如下所示[14‘1 7|。

1)纱线拉伸过程的声发射信号X(￡)经EMD分解后，可得：

EMD方法依据纱线拉伸过程的声发射信号本身的局部特征信息进行自适应分解，将信号中真实存在的不同尺度波动或趋势逐级分解出来，产生一系列具有不同特征尺度的IMF分量。Hilbert变换可以得到准确描述幅值随时间和频率变化规律的Hilbert谱，但仅适用于单一频率信号分析。HHT时频分析方法将EMD分解和Hilbert变换巧妙地结合起来，对于多频率混合的纱线拉伸信号进行准确分离，得到由高频至低频的单一IMF分量，并对各IMF分量进行时频谱分析，识别纱线拉伸破坏各模式及其特征频率。

3纱线拉伸过程声发射信号的检测

3．1试验材料及设备

涤纶长丝(300 D)、涤纶环锭纱(30 Tex)，凡士林(耦合剂)，YG(B)021D-50型电子单纱强力机，自主搭建声发射检测系统。试验采用的自主搭建的声发射检测系统，主要由声发射传感器(自带磁吸附装置)、信号放大器、数据采集仪、采集控制软件4个部分构成，其中声发射传感器为PXR03型，灵敏度为大于75 dB，自带磁吸附装置，由长沙鹏翔电子科技有限公司提供。利用Matlab软件平台编制HHT程序，将声发射检测系统拾取的纱线拉伸振动声频信号进行精细分析与处理。因此，声发射信号检测系统由电子单纱强力机、声发射检测系统和虚拟软件平台组成，如图2所示。

3．2声发射信号检测过程

首先将声发射传感器的接触面涂抹少量的凡士林以达到获得高质量信噪比及减少背景干扰信号的目的，然后与一铁环吸附，声发射传感器中磁铁(自带的磁吸附装置)与铁环之间的磁力夹紧待测纱线。在试验中，声发射采集控制软件设置采样频率为1 MHz，并与电子单纱强力机同时启动，纱线试样夹距为500 mm，每种纱线重复试验5次。纱线测试前均在标准大气条件下平衡至少24 h后进行测试，试验在标准大气条件下进行。

4试验结果与分析

4．1涤纶长丝

涤纶长丝拉伸断裂强力仅由纱内各根单丝强力之和组成，不存在纤维间的滑移现象。对涤纶长丝的拉伸断裂过程进行声发射信号研究，目的是排除短纤纱拉伸过程中纤维间滑移产生断裂功与声能转换产生的声信号，提取单纯的涤纶长丝断裂特征频率。涤纶长丝拉伸断裂声发射信号如图3所示，其中Y。，Y。，Y。分别表示3次采集信号。

由图3可以看到，各信号具有相同的波形特征，即特征频率一样。故选择涤纶长丝声发射信号Y。运用HHT方法进行EMD分解，其分解结果见图4。从图4可以看出，原信号经过EMD分解得到由高频至低频不同IMF分量，考虑到纤维断裂的特征信号主要集中于高频段，故仅选取前4个IMF分量进行进一步的分析研究。

在拉伸过程中，涤纶长丝受拉伸外力作用做功以长丝的断裂能释放出来，因此长丝断裂的特征信号为声发射信号能量较大的主体部分，即IMF分量瞬时幅值峰值处。IMFl一IMF4瞬时幅值峰值对应的瞬时频率分别为30，20，15，10 kHz，图5为IMF2分量瞬

时幅值和瞬时频率图，即可判定涤纶长丝断裂主频率为30，20，15，：10 kHz。

4．2涤纶环锭纱

涤纶环锭纱的拉伸断裂强力主要是由2部分组成，分别是断裂单纤维强力之和及滑移纤维的滑动摩擦力之和。鉴于纱线断裂有一段时间，纤维断裂与滑移具有非同时、时间分布无规律性，故以上各部分力之和的概念是广义的。

由采集的涤纶环锭纱拉伸过程声发射信号时域图(如图6所示)可以清楚地看出，短纤纱拉伸过程包括2部分：纤维断裂的突发型信号且信号幅值较大可达到4×106 mV，发生在0．015 s左右；纤维滑移的信号较平稳且幅值较小，在0．3×106 mV左右，紧随纤维断裂之后发生在0．02 s左右，纱线断裂前的纤维滑移信号发生在0．09 S左右。

4．2．1纤维断裂

将涤纶环锭纱拉伸过程声发射信号中代表纤维断裂部分的信号截取出来做进一步的分析研究，如图7所示。从图7可以发现，在明显的纤维断裂信号中夹有低幅值的纤维滑移信号。将涤纶环锭纱拉伸过程的纤维断裂信号进行EMD分解，得到四阶IMF分量和一阶残差分量。然后，将分解得到的IMF分量进行Hilbert变换，得到信号的时频谱图，如图8所示。纤维断裂信号时频图定量地描述了时间与瞬时频率的变化关系，从二维时频图中可以清楚地看到高频率的产生时间，即纤维开始断裂的发生时间为0．015 3 S和0．015 6 s，同时可以获知纤维断裂持续时间0．1 ms。

经过EMD分解后，由于IMF1和IMF2分量瞬时振幅峰值与纤维断裂分析信号振幅峰值时间基本相符，相关性较大，涤纶环锭纱的纤维断裂特征频率主要体现在IMF1和IMF2分量，其频率分别为30,20KHZ，图9为IMF1分量瞬时幅值与瞬时频率图。与上述涤纶长丝分析得到纤维断裂主频率为30,20,15,10khz基本吻合，从而验证了分析结果的正确性，但缺少15khz和10khz的频率成分，可能由于纱线结构的差异造成了频率成分差异。IMF3和IMF4已基本分离成无幅值变化的平稳信号，与纤维断裂时Iq t／s分析信号相关性较小，其频率分别为6，3 kH：由于在涤纶环锭纱的拉伸过程中，纤维断裂是连续性的，即单根纤维断裂间隙中存在少量的纤维滑移现象，故推断IMF3和IMF4表征了纤维间滑移的特征频率。

4.2.2 纤维滑移

将声发射信号中代表纤维滑移部分的信号截取出来做进一步的分析研究，由于整个滑移过程与纤维断裂相比持续时间较长，考虑计算机运算时间和内存要求等因素，故截取部分滑移信号分析。

将纤维滑移信号进行FMD分解和Hibert变换，得到信号的二维时频谱图--Hilbert-Huang谱图，如图10所示。由图10可以看到，较高频率成分的能量较小，主要体现在EMD分解IMF1至IMF4分量，应该是实验过程中引入了能量较小的高频噪声造成的；较低频率成分的能量较大，主要体现在IMF5和IMF6分量，其声发射源由县委滑移事件造成。经分析，IMF5和IMF6分量频率分别为6.3KHz，即县委滑移的特征频率分别为6.3KHz，与上述涤纶环锭纱拉伸过程中纤维断裂部分推断频率相符，得到验证。