黄长林，李 明，方赛银，赵 越，覃葛洲，杨洲凌，邓婷婷
(1.西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224；
2.安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000；
3.安徽工程大学 高端装备先进感知与智能控制教育部重点实验室，安徽 芜湖 241000)
木材作为一种绿色环保、可再生的材料，广泛应用于人们的日常生活中，常被作为承载构件，材料裂纹的存在会对材料的力学性能产生影响，降低木材的使用价值，因此在作承重构件前对其进行裂纹检测就显得尤为重要。利用声发射技术(acoustic emission technology,AET)来监测材料的损伤一直是行业的热点问题，AET作为唯一的主动动态无损检测方法[1]，已被广泛应用于金属、复合材料的监测上，该技术也逐渐被使用在对木质材料的动态监测上。如对出水木质文物的动态监测，Zhao等[2]利用AET对宋代出水沉船进行长期动态监测，追踪在暴露环境下相对湿度的变化对木质文物的损坏情况。AET可以在不破坏材料的情况下对其进行实时损伤监测，评价材料的损伤情况、内部裂纹等特征[3]。
材料在遭受破坏时会以应力波的形式释放能量过渡到低能稳态的状态，这种以应力波的形式释放应变能的现象称为声发射[4]。AE监测是追踪材料损伤演变的一种重要的非破坏性的工具，同时在木材科学中也得到了广泛的应用[5-6]。早在1982年Ansell[7]就将AE应用于木材的损伤检测，并提出AE信号在传播过程中呈指数衰减且振幅随着距离的增加而逐渐衰减。Lamy等[8]利用AE基本参数表明AE对监测木材损伤断裂的有效性；
Riahi等[9]结合有限元模拟仿真，提出了针对木材裂纹扩展的仿真计算方法，为后续研究木材裂纹定位提供了方法依据；
Diakhate等[10]利用试验分析和数值模拟相结合的方法，表明了利用AE能有效监测木材裂纹扩展机理。为对木材损伤进行模拟实验，王明华等[11-12]验证了铅芯折断能有效模拟木材的损伤AE源，同时研究了木材表面裂纹对AE信号的影响，表明裂纹的产生对AE信号的传播速度和频率特性都产生了影响。
为准确标定由材料损伤所产生的AE源，丁锐等[13]采用铅芯折断产生模拟AE源，利用信号相关性计算AE信号在材料内的传播速度，再结合奇异谱分析对木材损伤AE源进行直线定位研究，定位精度明显提高。目前的研究都参考传播速度来进行定位研究，利用时差定位法(time difference of arrival,TDOA)是常用的AE源定位方法，首先需要计算AE信号到达各传感器之间的时差，再根据各传感器之间的位置关系确定AE源位置[14-15]。Ming等[16]利用铅芯折断探究了木材表面横波和内部纵波的传播衰减特性，表明AE能量都呈明显的指数衰减。赵小矛等[17]利用木材破坏时所释放的AE能量传播特性进行源定位，结果表明对损伤源位置的标定较为准确，而且外界环境对结果的影响较小。目前的研究主要集中在无缺陷试件，而实际应用时木材不可避免地会存在缺陷，其中裂纹是最常见也是极具安全隐患的一种缺陷，所以，研究裂纹对AE信号传播特性的影响是AET在木材无损检测中应用的必须解决的基础问题。
本研究以榉木为试验材料，通过锯切的方式在无缺陷试件表面制作不同规格的裂纹，探究AETW在其不同裂纹试件中的传播特性。试验中采用铅芯折断和信号发生器来模拟产生AE源，铅芯折断参照美国 ASTM-E976标准；
以试验所采用传感器的中心谐振频率为标准，将其信号发生器频率设置为150 kHz。为了排除驻波对AETW速度的影响，利用高通滤波器对原始AE信号进行滤波处理，再利用相关性分析的方法确定AE信号的传播时差，进而依据时差定位原理计算AETW速度。利用脉冲信号计算AETW能量时，可将AE信号视为交流电信号，并将在固定时间内通过单位电阻所产生的热量作为AE信号的能量。通过对比不同裂纹深度和大小下的AETW速度和能量，建立其衰减模型，为后续裂纹定位研究提供参考。
1.1 材料与设备
选取表面无缺陷的气干实木锯材榉木(Zelkovaschneideriana)为试验材料，密度为0.75 g·cm-3，含水率为12.2%，将其分为6组，在其中5组表面制作规则的裂纹，试件裂纹具体情况见图1。为方便描述将各试件定义为T1～T6，试件裂纹具体参数见表1。
试验基于NI USB-6366高速采集卡和LabVIEW软件搭建的5通道AE信号采集系统。其中，所用传感器频率范围为50～400 kHz的单端谐振式RS-2A AE传感器；
同时，为了确保AE信号传输的稳定性，为每通道配备1个40 dB的前置放大器，用于放大所采集的AE信号；
所用采集卡输出端电压范围为(-5 V,5 V)，最高采样频率可达2 MHz。文献[18]表明，AE信号在木材内传播的最高频率集中在200 kHz左右。根据香农采样定理，为保证模拟信号不失真，采样频率(fs)与最大信号频率(fmax)之间必须满足fs≥2fmax，在采集过程中，将其采集频率设置为500 kHz。
为了确保所发信号频率的稳定，利用SIGLENT SDG805单通道信号发生器，输出脉冲信号来模拟木材损伤时所产生的AE信号，其最大输出频率为5 MHz，最高采样速率为125 MSa·s-1，输出电压范围为4 mV～20 V。为保证其AE传感器所接收信号的稳定，所设置的输出脉冲信号频率与AE传感器的中心谐振频率150 kHz相同。
图1 试验示意
表1 试件参数
1.2 方法
现有研究表明，铅芯折断可以用来模拟木材损伤时所产生的AE源[12]，因此，采用铅芯折断的方式来产生模拟AE源，再计算其AETW传播速度。利用信号发生器发射固定频率的标准脉冲信号，计算AE信号在传播过程中的能量衰减情况。
依据弹性波理论，当AE源的振动方向与传播方向垂直时，AE信号主要以横波的形式传播，且横波无法在液体和气体介质中传播。为明确横波在不同裂纹尺寸试件中的传播速率和能量衰减情况，设计AETW析取试验(图1)。由于木材是多孔性材料，在传播过程中AE信号会产生复杂的反射现象，而采用传统的最大值的方法无法客观反映其时差，因此，选择采用相关性分析方法来计算AETW传播速度。
在试件表面等间距制作4条裂纹，裂纹间距为150 mm，最外侧2条裂纹分别距离试件2个端面均为175 mm，以每条裂纹为中心，左右间距75 mm处放置AE传感器，并确保所有AE传感器共线(图1)。同时，为保证AE源频率的一致性，信号发生器均采用150 kHz的脉冲信号，单个脉冲宽度为1 μs，循环数为15 000，循环周期为1 s。在断铅试验过程参考美国 ASTM-E976标准，采用直径为0.5 mm的铅芯与试件表面形成30°夹角，铅芯伸出长度为2.5 mm，在固定位置折断，采集得到原始AE信号。
(1)
式中：T为周期，信号y(t)平移τ个单位后与x(t)相似程度最高。
AE信号在传播过程中有一定的能量衰减，因此，在分析AE信号能量时，可将AE信号视为交流电信号，并将其在固定时间内通过单位电阻产生的热量作为AE信号能量(W)：
(2)
式中：U为电压，R为电阻。
由于系统采集的AE信号不连续，为此对式(2)作离散化处理，2个数据之间相隔1/fs秒，假设离散过程采用零阶保持器，即在这段时间内信号幅值保持不变，则AE信号能量的计算公式为：
(3)
式中:ui为AE信号电压值；
Δti=T=1/fs(i=1,2,…,n)；
fs为采样频率；
n为数据长度。
2.1 AE信号在裂纹试件上的横波速率
为研究榉木试件的表面裂纹深度、大小以及分布对AETW传播速率的影响，利用滤除驻波后的AE信号来计算AETW传播速率。驻波是两列沿相反方向传播的振幅和频率相同的波的叠加所形成的波，“驻波”并非真正意义上的波，它的平均能流密度等于0，能量只能在波节与波腹之间来回传播，且节点是静止不动的，所以它的波形没有传播。当试件表面产生入射波后，在木材边界会形成反射波，入射波与反射波叠加从而形成稳定的驻波。由于驻波的存在，直接采用相关性分析是不合适的，所以采用高通滤波器对原始AE信号进行滤波处理。
图2为在无缺陷试件上断铅所产生的时域信号及其驻波部分频谱，分别为传感器S1～S5的时频域信号，从图2中可以看出，所在不同位置上驻波对应的质点振动幅值与频率基本一致，因此将其定义为AE信号中的驻波，为明确其频域特征，截取这部分稳定的波，利用快速傅里叶变换对其进行频谱分析，由图2(b)可见，5个传感器主成分都集中在5～7 kHz。随着传感器距离的增加，在位置较远的2个传感器主成分更加明显。因此为排除驻波对AETW速度的影响，在计算AETW速度之前，设置高通滤波器的截止频率为7 kHz。
在试验过程中为降低铅芯折断时人为因素和环境的干扰，对每组试件分别进行10次独立试验，其中，vi为AETW传播速度，i(i=1,2,3,4)表示裂纹的个数，试验所得结果见表2、表3和表4，不同裂纹尺寸下的能量衰减曲线见图3。
注：A.铅芯折断产生的AE信号；
B.驻波频谱。
表2为不同裂纹分布下所对应的AETW速度，此时裂纹尺寸不发生改变，仅改变裂纹数量，相比无裂纹试件其速度出现明显增加，且随着裂纹数量的增加其速度呈现衰减趋势。在对无缺陷T1试件的10次独立试验中，AETW速度趋于稳定，平均速度为824.4 m·s-1，而在另外5个试件中，AETW速度出现明显波动，且速度出现不同程度的增加。这是由于在无裂纹试件中，AETW存在2条传播路径，即木材表面和内部，在木材表面传播的速度比内部传播速度要小，因此，在无裂纹试件中AETW传播速率小。而表面裂纹产生后，切断了横波在表面的传播路径，此时主要沿木材内部顺纹理方向进行传播，从而导致传播速度增大。表3为改变裂纹深度所对应的AETW速度，此时仅改变裂纹深度，随着裂纹数量的增加，AETW速度呈现递减趋势，且速度增加率呈现降低趋势。裂纹数量增加导致反射界面增加，下一传感器接收到的信号减少，从而使得AETW速度出现降低。而在同一数量的裂纹下，随着深度的改变，AETW速度未呈现明显的规律。表4为不同裂纹宽度下的AETW速度，此时仅改变裂纹宽度，随着裂纹数量的增加，速度变得更为混乱。
表2 不同裂纹分布下的AETW传播速率
表3 不同裂纹深度时AETW传播速率
表4 不同裂纹宽度时AETW传播速率
2.2 AE信号在裂纹试件上的横波能量衰减
为探究裂纹对AETW能量的影响，利用信号发生器发射固定频率的脉冲串来模拟AE源，从而研究AE横波能量的衰减规律。由图2可见，铅芯折断所产生的AE信号时域衰减明显，由铅芯折断所产生AE能量源有限，且在传播过程中会产生明显的驻波信号，对能量的计算产生影响。因此采用脉冲信号作为AE源，通过信号发生器发射150 kHz的长度为15 000的脉冲串，以确保每个传感器都能接收来源的脉冲信号。试验中所采集的AE信号是经过了40 dB的前置放大器放大，因此需将其还原成真实的AE信号，再根据式(3)计算每个传感器的AE能量/μJ。
为研究AETW能量衰减情况，在相同位置改变AE源强度，将所发脉冲信号的电压等级分别设置为20、15、10、5V依次递减。为了更加直观反映不同幅值下的能量衰减情况，将横波能量衰减绘制在同一幅图中(图3)，不同电压等级对应的AETW能量衰减规律一致。由于横波能量衰减太快，其纵坐标是真实能量取对数后的值，从图3可以看出，AETW能量衰减不受电压等级和裂纹的影响。
表5 不同裂纹横截面积下的AETW速度增加率
图3 不同裂纹条件下的能量衰减曲线
信号发生器产生AE源能量比铅芯折断所产生的能量大，采用信号发生器作为AE源来研究能量衰减更为客观。在图3中，300 mm之前曲线下降趋势相对较陡，表明此距离内能量衰减快，在超过300 mm后，衰减逐渐减弱，此时所剩能量较少且能量等级低。在研究木材横波能量的衰减规律时，超过一定距离后，由于能量低，再探究横波能量衰减特征其价值不大，因此，在研究横波能量衰减特征时，应在能量衰减明显阶段对其进行研究，表征其横波能量衰减规律。
为明确AETW能量的衰减情况，将其AETW能量衰减过程进行指数拟合，利用AETW能量衰减率和衰减到50%和90%的距离来表征衰减情况。将距离AE源最近的传感器S1测得的AE横波能量视为1，对其他位置的传感器所测得的AETW能量进行归一化处理，拟合曲线见图4。图4中K为不同电压等级拟合曲线斜率的平均值，代表AETW能量在各试件中的衰减速率，K的绝对值(|K|)越大表示AETW能量衰减速率越快，不同裂纹条件对应的K值见表6。
在试件T1～T6中，无裂纹试件T1的衰减速率|K|均大于其他试件，表明AETW能量在T1试件中衰减最快，然而，随着裂纹的出现，|K|出现减小现象，这是由于裂纹的出现，改变了AETW原本的传播路径，且横波只能在固体介质中传播，在裂纹边界处会产生界面反射，从而导致AE信号出现叠加现象，导致AETW能量衰减速率减小，衰减距离增加。在试件T2、T3、T4中不改变裂纹分布和宽度的情况下，随着裂纹深度的增加，其AETW能量衰减速率未呈现明显的规律性，但相比T1试件都出现了明显减小，表明此时反射信号已经对AETW能量产生了影响。然而，在在试件T4、T5、T6中保证裂纹深度和分布不变的情况下，随着裂纹宽度的增加，衰减速率|K|呈现逐步减小的趋势，其AETW波衰减距离也相对增加，这是因为随着裂纹宽度的增加，其裂纹边界与传感器的间距逐渐缩小，导致反射更加强烈，从而降低了AETW能量的衰减速率。
为量化表征AETW能量的衰减程度，以AETW能量衰减到50%和90%的实际距离来表征裂纹对能量衰减的影响，以传感器S1为原点，传感器S1到S5的距离为600 mm。由图4可见，无裂纹T1试件衰减速率最快，AETW能量衰减到50%和90%距离分别为55 mm和184 mm，在T6试件中衰减最慢，衰减到50%和90%距离分别为66 mm和220 mm，在未超出300 mm的范围内AETW能量已消耗殆尽，表明榉木AETW能量在300 mm内会完全衰减。同时，从衰减距离来看，AETW能量衰减到50%所用距离较短，而再增加40%的能量衰减，其衰减距离出现显著增加，AETW能量衰减明显变缓。这是因为在前阶段高频成分所包含能量较大，高频成分在木材内传播衰减显著，其所带能量也出现较快的衰减，然而，随着传播距离的增加，驻波所携带能量较小且不向前传播，但受材料本身阻力的影响，会在其振动位置逐步衰减，导致能量衰减变缓。
图4 AETW能量衰减拟合曲线
在考虑AETW能量随距离的衰减规律时，由于取对数后的能量与距离的值在数量级上存在显著差异，直接拟合容易产生较大的拟合误差，为此对距离进行了以下居中的线性处理：
(4)
式中：D为AE传感器摆放的实际距离，D∈[0,600 mm]，此时是以传感器S1为原点；
x为变换后的等效距离，即图4中横轴坐标；
mean(D)为D的期望；
std(D)为D的方差，本研究中期望和方差分别为300 mm和173.64 mm。由图4拟合得到的榉木T1～T6试件中AE横波随等效距离x变化的衰减规律为(Ei)：
Ei=eKx+b
(5)
式中:Ei为随等效距离衰减的AE横波能量；
b为公式拟合系数。
将式(4)代入式(5)，得到不同裂纹条件下的AETW随实际距离D的衰减函数：
ETi=αeβD
(6)
式中：ETi为随实际距离衰减的AE横波能量；
α和β均为公式拟合系数。
表6 不同裂纹条件下的参数变化
式(6)表征了AETW能量在榉木中传播随距离的衰减情况，无论试件是否存在裂纹，其横波能量衰减都满足此函数，不同试件条件所对应的实际衰减速率β都较小，因此将其实际距离转换为等效距离，通过衰减速率的变化来反映AETW能量的衰减情况。
利用铅芯折断和信号发生器产生AE源，研究了AETW在榉木试件中的传播速度和能量衰减规律，探索了不同裂纹尺寸及分布对AETW能量和传播速度的影响，发现AETW能量衰减和传播速度都能反映裂纹的存在。
在无裂纹试件中AETW平均速度为824.4 m·s-1，而裂纹产生后速度都出现明显增加，速度最大增加率为52.7%。在不改变裂纹尺寸的情况下，随着裂纹数量的增加AETW速度从1 216.5 m·s-1减小到913.8 m·s-1，而在仅改变裂纹深度的情况下，速度随着裂纹数量的增加而逐渐减小，分别从1 171.1 m·s-1、1 220.8 m·s-1减小到820.6 m·s-1、885.2 m·s-1。在采用信号发生器作为模拟AE源时，AETW能量衰减规律不受电压等级改变的影响。采用不同电压等级下的AE信号来探究裂纹对AETW能量的影响，在无裂纹试件中能量衰减速率为2.98，衰减到50%和90%距离分别为55 mm和184 mm。而在裂纹产生后，其AETW能量衰减速率变慢，衰减距离均出现不同程度增加，AETW能量在衰减过程中，衰减到50%所用距离较短，而再增加40%的能量衰减后，其衰减距离明显增大，驻波的存在对AETW能量衰减产生了影响。
本研究探究了裂纹尺寸及分布对AETW传播速度和能量影响，表明可采用AETW的传播特性来检验木质材料是否存在裂纹，至于对不同的裂纹形状对AE信号传播的影响还无法知晓，以及对纵波的影响也不得而知，后续可对其进行更加深入的研究，探究裂纹尺寸及分布对AE纵波的影响，以及不同类型的裂纹对AE信号传播的影响。
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