CN112964787B - 一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法，属于材料损伤检测技术领域。其步骤为：在待监测脆性材料上布置声发射传感器，采集声发射信号；对声发射信号进行小波降噪处理，提取声发射信号的初动振幅；根据声发射源位置和传感器的布置位置，建立矩张量方程组；求解矩张量，计算矩张量的特征值，并计算矩张量的特征值对应的特征向量；计算裂纹面的法线方向向量和运动方向向量的夹角；根据裂纹面的法线方向向量和运动方向向量的夹角和声发射信号的波形及频率特征，判断所述待监测脆性材料的裂纹类型。本发明提出的方法克服了RA‑AF分析法的不足，可以定量获取微裂纹面的法线方向和运动方向，实现脆性材料裂纹类型的检测。

Description

一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法

技术领域

本发明属于材料损伤检测技术领域，涉及一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法。

背景技术

在外部载荷作用下，工程材料内部微缺陷会不断扩展演化而最终导致材料或结构发生失效破坏。如何检测或识别这些微缺陷并对结构的损伤程度及损伤发展趋势进行评估是工程领域重要的问题。脆性材料中微裂纹的形成、扩展作为一种不可逆的能量耗散过程，会将微裂纹表面能以瞬态弹性波的形式释放出来，这种现象称为声发射。声发射技术作为一种物理检测方法可以实时获取材料内部细观结构变化的物理信息，通过分析声发射信号可以把握脆性材料微裂纹演化的物理本质，因此，声发射技术在脆性材料损伤检测领域具有广阔的应用前景。

在脆性材料力学研究中，仅知道裂纹源的位置还远远不够，还需要探讨裂纹的时空演化规律，即分析裂纹的类型和运动方向。RA-AF分析法是常用的一种区分拉伸型裂纹和剪切型裂纹的方法。RA-AF分析法是一种基于声发射参数的裂纹类型判别方法，即使用RA值(上升时间/幅值)和平均频率AF值(振铃计数/持续时间)这两个声发射参数的比值来区分拉伸裂纹和剪切裂纹。裂纹的固有拉伸引起裂纹两侧的运动产生的声发射信号波形具有较短的上升时间和较高的频率。剪切破裂产生的声发射信号波形通常出现较长的波形，从而导致上升时间较长，信号频率较低，这可能是由于能量大部分以剪切波的形式传递，剪切波的速度较慢，与最初的纵波到达相比，波形的最大峰值延迟较大。已有许多学者采用RA-AF分析法实现了对混凝土、纤维复合材料、岩石等材料中拉伸型裂纹和剪切型裂纹的分类。

RA-AF分析法在一定条件下可以有效区分拉伸型裂纹和剪切型裂纹。然而，两个参数之间的坐标比例并不是固定的，比例选取不同，分类结果也会有一定的差异，而且无法对裂纹面的法线和运动方向进行判断。因此，需要发展一个更加有效的方法对裂纹类型进行判断。

发明内容

本发明的目的是克服RA-AF分析法区分裂纹类型依赖于两个参数之间的坐标比例，而且无法判断裂纹面的法线和运动方向的不足，提出一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法，具体操作步骤包括：

步骤一、在待监测脆性材料上布置6个及以上声发射传感器，用于实时采集待监测脆性材料损伤释放的声发射信号；

所述脆性材料为陶瓷类材料、岩石和混凝土。

步骤二、针对同一声发射事件，按采集时间顺序依次选取6个传感器接收的声发射信号，并对其进行编号1、2、3、4、5、6，对1、2、3、4、5、6号声发射信号分别进行小波降噪处理，提取声发射信号的初动振幅。

步骤三、根据声发射源位置和传感器的布置位置，建立矩张量方程组，

式中，A_i为i号声发射信号的初动振幅，R_i为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的距离，r_1(i)、r_2(i)、r_3(i)分别为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的方向余弦，C_i为i号声发射信号对应的传感器的灵敏度系数，f_i为i号声发射信号对应的传感器的反射系数，其中i为整数，且i∈[1,6]；

i号声发射信号对应的传感器的反射系数f_i可表示为：

式中，k为纵横波速比，a_i＝r_i·t_i，r_i为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的方向向量，t_i为i号声发射信号对应的传感器的感度方向向量。

步骤四、求解矩张量方程组，得到矩张量

计算矩张量

的三个特征值q_max、q_int、q_min，其中q_max＞q_int＞q_min，并计算特征值q_max、q_int、q_min对应的特征向量e₁、e₂、e₃；

步骤五、根据特征值q_max、q_int、q_min对应的特征向量e₁、e₂、e₃，计算裂纹面的法线方向向量n和运动方向向量b，并计算向量n与向量b的夹角β；

步骤六、根据裂纹面的法线方向向量n和运动方向向量b的夹角β的大小和声发射信号的波形及频率特征，判断所述待监测脆性材料的裂纹类型：所述的裂纹类型为拉伸型裂纹、剪切型裂纹和混合型裂纹。

判断所述待监测脆性材料的裂纹类型，具体方法为：

当0°≤β≤60°时，判断声发射源是拉伸型裂纹；

当80°≤β≤90°时，判断声发射源是剪切型裂纹；

当60°＜β＜80°时，对1号声发射信号进行波形和小波时频分析，若声发射信号波形的持续时间小于900μs，则判断声发射源为拉伸型裂纹，若声发射信号波形的持续时间大于1200μs，频率分布在7-500kHz范围内，则判断声发射源为混合型裂纹，若声发射信号波形的持续时间大于1200μs，频率分布在7-250kHz范围内，则判断声发射源为剪切型裂纹。

有益效果

本发明提出的一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法与已有技术相比较，其优点为：克服了RA-AF分析法的不足，可以定量获取微裂纹面的法线方向和运动方向，实现脆性材料裂纹类型的检测，为研究脆性材料裂纹的时空演化规律提供一种新的途径。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中传感器布置图；

图2为本发明具体实施方式中1号声发射信号波形图。

图3为本发明具体实施方式中1号声发射信号小波时频图。

图4为本发明具体实施方式中所有声发射事件对应的裂纹类型检测结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。

实施例1

本实施例中，待监测脆性材料为混凝土材料，对混凝土进行巴西圆盘劈裂实验，混凝土圆盘试件尺寸为Φ106mm×54mm。

使用本发明提出的基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法对混凝土材料裂纹类型进行检测，具体操作步骤为：

步骤一、在混凝土圆盘试件前后表平面对称布置8个声发射传感器，其坐标分别为(-a,a,b)、(a,a,b)、(a,-a,b)、(-a,-a,b)、(-a,a,-b)、(a,a,-b)、(a,-a,-b)、(-a,-a,-b)，其中，a＝21.21mm,b＝27mm，具体如图1所示。图1中的数字1至数字8分别表示8个声发射传感器的序号。

步骤二、针对第一个声发射事件，按采集时间顺序依次选取8、3、5、4、6、7号6个传感器接收的声发射信号，并对其进行编号1、2、3、4、5、6，对1、2、3、4、5、6号声发射信号分别进行小波降噪处理，提取声发射信号的初动振幅。

步骤三、根据声发射源位置和传感器的布置位置，建立矩张量方程组，

式中，A_i为i号声发射信号的初动振幅，R_i为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的距离，r_1(i)、r_2(i)、r_3(i)分别为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的方向余弦，C_i为i号声发射信号对应的传感器的灵敏度系数，f_i为i号声发射信号对应的传感器的反射系数，其中i为整数，且i∈[1,6]；

i号声发射信号对应的传感器的反射系数f_i可表示为：

式中，k为纵横波速比，a_i＝r_i·t_i，r_i为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的方向向量，t_i为i号声发射信号对应的传感器的感度方向向量。

实施例1中第一个声发射事件的声发射源位置为(3.73,-19.24,6.18)，矩张量方程组中的各参数如表1所示。

表1矩张量方程组中的参数

步骤四、求解矩张量方程组，得到矩张量

计算矩张量

的三个特征值q_max、q_int、q_min分别为65.74、15.97、-13.99，并计算特征值三个特征值q_max、q_int、q_min对应的特征向量e₁、e₂、e₃分别为(-0.03,0.94,0.35)、(0.99,-0.01,0.11)、(-0.10,-0.35,0.93)。

步骤五、根据特征值q_max、q_int、q_min对应的特征向量e₁，e₂，e₃，计算裂纹面的法线方向向量n为(0.04,0.95,-0.30)和运动方向向量b为(-0.09,0.53,0.85)，并计算向量n与向量b的夹角β为75.62°。

步骤六、根据裂纹面的法线方向向量n和运动方向向量b的夹角β的大小和声发射信号的波形及频率特征，判断所述待监测脆性材料的裂纹类型：所述的裂纹类型为拉伸型裂纹、剪切型裂纹和混合型裂纹。

裂纹面的法线方向向量n和运动方向向量b的夹角β为75.62°，60°＜β＜80°，对1号声发射信号进行波形和小波时频分析，图2为1号声发射信号波形，图3为1号声发射信号小波时频图，从图中可以看出，声发射信号波形的持续时间为1720μs，大于1200μs，频率分布在7-500kHz范围内，则判断声发射源为混合型裂纹。

实施例1中共采集有效声发射事件数435个，针对每一个声发射事件，均使用本发明提出的一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法对其裂纹类型进行检测，图4所示的是实施例1中所有声发射事件对应的裂纹类型检测结果，图中○表示拉伸型裂纹，□表示剪切型裂纹，×表示混合型裂纹。435个声发射事件中检测为拉伸型裂纹的声发射事件数为202个，所占比例为46.4％，检测为剪切型裂纹的声发射事件数为119个，所占比例为27.4％，检测为混合型裂纹的声发射事件数为114个，所占比例为26.2％，拉伸型裂纹占主导，说明损伤区表现为拉应力集中，这与巴西圆盘劈裂实验中试件是受拉破坏相符合，说明本发明提出的一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法是有效的。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法，其特征在于：具体操作步骤包括：

步骤一、在待监测脆性材料上布置6个及以上声发射传感器，用于实时采集待监测脆性材料损伤释放的声发射信号；

步骤二、针对同一声发射事件，按采集时间顺序依次选取6个传感器接收的声发射信号，并对其进行编号1、2、3、4、5、6，对1、2、3、4、5、6号声发射信号分别进行小波降噪处理，提取声发射信号的初动振幅；

步骤三、根据声发射源位置和传感器的布置位置，建立矩张量方程组，

式中，A_i为i号声发射信号的初动振幅，R_i为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的距离，r_1(i)、r_2(i)、r_3(i)分别为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的方向余弦，C_i为i号声发射信号对应的传感器的灵敏度系数，f_i为i号声发射信号对应的传感器的反射系数，其中i为整数，且i∈[1,6]；

步骤四、求解矩张量方程组，得到矩张量

计算矩张量

的三个特征值q_max、q_int、q_min，并计算特征值q_max、q_int、q_min对应的特征向量e₁、e₂、e₃；

步骤五、根据特征值q_max、q_int、q_min对应的特征向量e₁、e₂、e₃，计算裂纹面的法线方向向量n和运动方向向量b，并计算向量n与向量b的夹角β；

步骤六、根据裂纹面的法线方向向量n和运动方向向量b的夹角β的大小和声发射信号的波形及频率特征，判断所述待监测脆性材料的裂纹类型，具体方法为：

当0°≤β≤60°时，判断声发射源是拉伸型裂纹；

当80°≤β≤90°时，判断声发射源是剪切型裂纹；

当60°＜β＜80°时，对1号声发射信号进行波形和小波时频分析，若声发射信号波形的持续时间小于900μs，则判断声发射源为拉伸型裂纹，若声发射信号波形的持续时间大于1200μs，频率分布在7-500kHz范围内，则判断声发射源为混合型裂纹，若声发射信号波形的持续时间大于1200μs，频率分布在7-250kHz范围内，则判断声发射源为剪切型裂纹。

2.如权利要求1所述的一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法，其特征在于，i号声发射信号对应的传感器的反射系数f_i表示为：

式中，k为纵横波速比，a_i＝r_i·t_i，r_i为声发射源位置到i号声发射信号对应的传感器的方向向量，t_i为i号声发射信号对应的传感器的感度方向向量。

3.如权利要求1所述的一种基于声发射的脆性材料裂纹类型检测方法，其特征在于：所述脆性材料为陶瓷类材料、岩石和混凝土。

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