声源处的声发射波形,一般为宽频带尖脉冲,包含着波源的定量信息。然而,所测得信号波形,由于介质的传播特性和传感器频响特性之影响而变得非常复杂,与原波形有很大不同,从而很大地淡化了所测得波形特性参数的物理意义。因此,波的传播对波形的影响是在试验条件设置、数据分析及评价中均需考虑的基本问题。
1.波的传播模式
声发射波在介质中的传播,根据质点的振动方向和传播方向的不同,可构成纵波、横波、瑞利波、兰姆波等不同传播模式。
(1)纵波质点的振动方向与波的传播方向平行,可在固体、液体、气体介质中传播。
(2)横波质点的振动方向与波的传播方向垂直,只能在固体介质中传播。
(3)瑞利波质点的振动轨迹呈椭圆形,沿深度约为1~2个波长的固体近表面传播,波的能量随传播深度增加而迅速减弱。椭圆运动可视为纵向振动和横向振动的合成,即纵波和横波的合成,因此瑞利波和横波一样只能在固体介质中传播而不能在液体或气体介质中传播。
(4)板波(兰姆波)在板厚与波长相当的板材中传播,上下表面质点做椭圆轨迹运动,按照质点的振动特点可分为对称型(膨胀波)和非对称型(弯曲波)两种。
2.波的传播速度
波的传播速度是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性,因而不同的材料波速也不同,不同的传播模式也具有不同的传播速度。在均匀介质中,纵波与横波的速度分别可用下式表达。
式中 νl——纵波速度;
νt——横波速度;
μ——泊松比;
E——弹性模量;
G——切变模量;
ρ——密度。
在同种材料中,不同模式的波速之间有一定比率关系。例如,横波速度约为纵波速度的60%,瑞利波速度约为横波的90%。纵波、横波、瑞利波的速度与波的频率无关,而板波的速度则与波的频率有关,即具有频散现象,约分布在纵波速度和横波速度之间。在实际结构中,传播速度还受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、内容介质等多种因素的影响,因此传播速度实为一种易变量。
传播速度主要用于声发射源的时差定位计算,而其不确定性成为影响源定位精度的主要因素。在实际应用中,波速难以用理论计算,需用试验测量。例如,在被检件表面上,用铅笔芯模拟源(指在该处将铅笔芯折断以产生声波)和声发射仪时差测量功能,测得两个传感器之间的时差,再用传感器间距除以这个时差即可得到波速。以实测波速算出的定位精度一般可在传感器间距的1%~10%范围内变化。
就常见容器类二维结构而言,瑞利波或板波的传播衰减远小于纵波和横波而可传播更远的距离,常成为主要的传播模式。多数金属容器中,典型传播速度约为3000m/s,在无法测得波速的情况下,常可以此作为定位计算的初设值。
3.波的反射、折射与模式转换
在固体介质中,声发射源处同时产生纵波和横波。它们传播到不同材料界面时,可产生反射、折射和模式转换。两种入射波除各自产生反射(或折射)纵波与横波外,在半无限体自由表面上,一定的条件下还可转换成瑞利波,如图3.1-2所示。厚度接近波长的薄板中,又会产生板波。厚度远大于波长的厚壁结构中,波的传播变得更为复杂,其示意如图3.1-3所示。
图3.1-2 波的反射与模式转换(www.xing528.com)
O—源波 L—纵波 S—横波 R—表面波
图3.1-3 厚板中传播示意
O—源波 L—纵波 S—横波 R—瑞利波
声发射波经界面反射、折射和模式转换,各自以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器,因而波源所产生的一个尖脉冲波到达传感器时,可以纵波、横波、瑞利波或板波及其多波程迟达波等复杂次序,分离成数个尖脉冲或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形,有时长达数毫秒。在钛合金气瓶上,对铅笔芯模拟源的响应波形示例如图3.1-4所示。
此外,再加上后述传感器频响特性及传播衰减等的影响,信号波形的上升时间变慢,幅度下降,持续时间变长,到达时间延迟,频率成分向低频偏移。这种变化,不仅对声发射波形的定量分析,而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响,应予以充分重视。
图3.1-4 波形的分离与持续
4.衰减
衰减是指波的幅度随传播距离的增加而下降的现象。引发声发射波衰减的三个主要机制为:波的几何扩展,材料的吸收和散射。
(1)波的几何扩展衰减由于声发射波从波源向各个方向扩展,从而随传播距离的增加,波阵面的面积逐渐扩大使单位面积上的能量逐渐减少,造成波的幅度下降。扩展衰减与传播介质的性质无关,主要取决于介质的几何形状(或波阵面),它主要控制着近场区的衰减。
一般而言,一局部源所产生体波(纵波与横波)的幅度下降与传播距离成反比,而瑞利波和板波则与其平方根成反比。棒、杆等一维介质中,几何扩展衰减小于二维和三维介质。在小型球类容器中,由于波阵面随传播距离先扩展而后收缩,波的幅度也相随而波动。例如,从南极点所产生的波的幅度,到在赤道线处变得最小,而到北极点又会扩大。
(2)材料吸收衰减波在介质中传播时,由于质点间的内摩擦(粘弹性)和热传导等因素,部分波的机械能转换成热量等其他能量,使波的幅度随传播距离以指数式下降。其衰减率取决于材料的粘弹性等性质,并与波的频率有关,近似与频率成正比。这种能量损失机制主要控制着远场区的衰减。
(3)散射衰减波在传播过程中,遇到不均匀声特性阻抗界面时,发生波的不规则反射(称为散射),使波在原传播方向上的能量减少。粗晶、夹杂、异相物、气孔等是引起散射衰减的主要材质因素。
(4)衰减的其他因素
1)频散,即在一些构件中,不同频率成分的波以不同的速度传播(频散效应),引起波形的分离或扩展,从而使波的峰幅度下降。
2)相邻介质“泄漏”,即由于波向相邻介质“泄漏”也会造成波的幅度下降,如容器中的水介质等。
3)障碍物,即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。
在实际结构中,波的衰减机制很复杂,难以用理论计算,但可以用试验测得。例如,在被检件表面上,利用铅笔芯模拟源和声发射仪,按一定的间距测得相对幅度(dB)-距离(m)的曲线。图3.1-5所示为在长为12.2m、内径为1.2m、厚度为12.5mm的气压容器封头上,用不同频率测得的幅度-距离曲线。
传播衰减的大小,关系到每个传感器可监视的距离范围,在源定位中成为确定传感器间距或工作频率的关键因素。在实际应用中,为减少衰减的影响而常采取的措施是降低传感器频率或减小传感器间距。例如,对复合材料的局部监视通常采用150kHz的高频传感器,而大面积监视则采用30kHz的低频传感器,对大型构件的整体检测,可相应增加传感器的数量。
图3.1-5 气压容器衰减曲线
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