摘 要:為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中典型聲發(fā)射源的特征分析和精確定位，以風(fēng)電葉片玻璃纖維增強(qiáng)單向復(fù)合材料和多層復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用 φ0.5 mm 鉛芯為模擬聲發(fā)射源，探討聲發(fā)射波在復(fù)合材料中的傳播、衰減特性和定位精度.實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:羊向復(fù)合材料縱向和橫向的聲發(fā)射傳播與衰減特性明顯不同，縱向聲這大、衰減小;風(fēng)電葉片現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中聲發(fā)射源的精確定位，應(yīng)綜合考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和聲學(xué)特性.
玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高，抗疲勞性能好，廣泛用于制造風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu).受制造工藝等隨機(jī)因素影響，風(fēng)電葉片難免會(huì)產(chǎn)生纖維斷裂、缺膠和分層等結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷在實(shí)際靜/動(dòng)載荷、疲勞等條件作用下，將加劇風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的損傷累積和失穩(wěn)破壞，為此，風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)確保風(fēng)電葉片長(zhǎng)期可靠運(yùn)行具有重要作用。
聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)缺陸敏感，能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可有效反映纖維增強(qiáng)復(fù)合材料損傷失效的過(guò)程，近年來(lái)，國(guó)外相關(guān)學(xué)者相繼開(kāi)展了聲發(fā)射技術(shù)在風(fēng)電葉片的早期損傷預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面的研究。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究處于起步階段，主要包括風(fēng)電葉片裂紋的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的設(shè)想問(wèn).但針對(duì)風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料聲發(fā)射衰減與定位的研究涉及較少.本文以風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料和多層復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用 φ0.5 mm 鉛芯為模擬聲發(fā)射源，獲取聲發(fā)射波在復(fù)合材料中的傳播、衰減規(guī)律和源定位特性，為風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)健康監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù).
1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
實(shí)驗(yàn)所用風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料由單向玻璃纖維環(huán)氧預(yù)浸料(牌號(hào)為 g15000) 在平板模具上鋪設(shè) 60 層后，烘箱內(nèi)加熱加壓固化獲得，復(fù)合材料層板厚度為 6 mm. 在風(fēng)電葉片上切割的多層復(fù)合材料試件平均厚度為 24 mm. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以 φ0.5 mm 鉛芯為模擬聲發(fā)射源，利用 amsy-5 全波形聲發(fā)射儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄聲發(fā)射信號(hào).聲發(fā)射監(jiān)測(cè)采用 3~4 個(gè) 100~900 khz 的寬頻帶傳感器，內(nèi)置前置放大器增益為 40 db ，中心頻率為 150 khz ，采樣頻率為 10 mhz ，信號(hào)采集閱值設(shè)為 46 db.單向復(fù)合材料衰減與聲速測(cè)量時(shí)， 4 個(gè)傳感器直線排列，縱向間距均為 60 mm，橫向間距均為 40 mm，模擬聲發(fā)射源距最近傳感器中心的距離為20mm. 多層復(fù)合材料衰減與聲速測(cè)量時(shí)，3 個(gè)傳感器直線排列，間距為 60 mm ，模擬聲發(fā)射源距最近傳感器中心的距離為 20 mm. 定位測(cè)量時(shí)，4 個(gè)傳感器短形布置，單向復(fù)合材料間距為 100 mm 和 80 mm，多層復(fù)合材料間距為 95 mm 和 55 mm. 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過(guò)程中，傳感器與試板之間用凡士林藕合.
2 結(jié)果及討論
2.1 單向復(fù)合材料衰減與源定位
風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料聲發(fā)射幅度衰減如圖 1 所示，縱向和橫向衰減均通過(guò) 3 次有效模擬聲發(fā)射源依到達(dá) 4 個(gè)傳感器的幅度來(lái)獲取。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :3 次模擬聲發(fā)射信號(hào)的幅度衰減基本一致，能有效代表單向復(fù)合材料縱向和橫向的聲發(fā)射衰減特性;縱向衰減為 o. 58~ 1. 6 db/cm ，橫向衰減為 2. 4~4 db/cm. 可見(jiàn)，單向復(fù)合材料聲發(fā)射橫向衰減要明顯高于縱向衰減這一現(xiàn)象主要源于單向復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征.風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料纖維均縱向排列，聲波在復(fù)合材料中的縱向傳播主要沿纖維方向進(jìn)行，衰減相對(duì)較小；而沿復(fù)合材料橫向，樹(shù)脂和纖維交替出現(xiàn)，聲波的傳播遵循樹(shù)脂-纖維-樹(shù)脂的循環(huán)過(guò)程，出現(xiàn)多次樹(shù)脂與纖維的界面反射，從而造成能量的散射和吸收，導(dǎo)致復(fù)合材料橫向有較大的聲發(fā)射幅度衰減。
斷鉛模擬聲發(fā)射源到達(dá)各傳感器的波形和頻譜如圖 2 所示，各傳感器獲取的波形和頻率特性變化不大，未出現(xiàn)聲發(fā)射波的頻散效應(yīng).依據(jù)聲發(fā)射波到達(dá)各傳感器的時(shí)間差和傳感器間距，可計(jì)算出聲發(fā)射在單向復(fù)合材料中的傳播速度。
通過(guò)計(jì)算可得，風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料縱向聲速約為 4640 m/s. 橫向聲速約為 1 835 m/s. 可見(jiàn)，聲發(fā)射波在單向復(fù)合材料中的縱向傳播速度明顯高于橫向傳播速度.聲波在材料中的傳播速度主要與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)，彈性模量與密度的比值越高，對(duì)應(yīng)的波速也越高.玻璃纖維與樹(shù)脂基體的密度相差不大，但玻璃纖維的彈性模量要明顯高于樹(shù)脂基體，這說(shuō)明聲發(fā)射波在玻璃纖維中的傳播速度較大，聲波在復(fù)合材料中的縱向傳播就是沿纖維方向進(jìn)行的.聲發(fā)射波在樹(shù)脂基體中的傳播速度相對(duì)較小，且橫向傳播時(shí)，聲波在樹(shù)脂與纖維的界面出現(xiàn)多次反射而延長(zhǎng)了聲程，造成較低的橫向傳播聲速.在風(fēng)電葉片聲發(fā)射源定位中予以充分考慮單向復(fù)合材料縱向和橫向聲速的差異。
在風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)健康現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，傳感器一般布置在葉片表面.為獲取聲發(fā)射源的位置，應(yīng)采用聲發(fā)傳感器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)二維平面定位.在已知聲波在風(fēng)電葉片復(fù)合材料中速度的情況下，可依據(jù)聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，計(jì)算出聲發(fā)射源的精確位置.本文采用 4 個(gè)傳感器，取聲速為 3 300 m/s. 結(jié)合 amsy-5系統(tǒng)得到風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3 所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:聲發(fā)射定位源基本上能反映出模擬聲發(fā)射源的位置，但也存在著一定的誤差.這是由于單向復(fù)合材料縱向和橫向聲速差別較大，采用單一聲速的時(shí)差定位方法不能有效獲取精確的定位源.在風(fēng)電葉片現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，可根據(jù)風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用時(shí)差定位和區(qū)域定位綜合分析，來(lái)進(jìn)行聲發(fā)射源的定位。
2.2 多層復(fù)合材料衰減與定位
通過(guò)模擬聲發(fā)射源依次到達(dá) 3 個(gè)傳感器的幅度，得到多層復(fù)合材料聲發(fā)射幅度衰減如圖 4 所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:聲發(fā)射信號(hào)幅度衰減為 1~ 1. 16 db/cm ，依據(jù)聲發(fā)射波到達(dá)各傳感器的時(shí)間差和傳感器間距，計(jì)算出風(fēng)電葉片多層復(fù)合材料聲速約為 4 273 m/s ，與單向復(fù)合材料縱向特性相差不大.
依據(jù) 4 個(gè)傳感器形成矩形陣列，結(jié)合 amsy-5 系統(tǒng)基于小波的定位方法，得到風(fēng)電葉片多層復(fù)合材料聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示.聲發(fā)射定位源能較好地吻合模擬聲發(fā)射源的位置，越接近中間區(qū)域，定位更為準(zhǔn)確，其定位精度高于單向復(fù)合材料聲發(fā)射源定位.為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片裂紋等典型聲發(fā)射源的精確定位，應(yīng)充分考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。
3 結(jié)論
1)風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料聲發(fā)射橫向衰減明顯高于縱向衰減，且橫向聲速明顯低于縱向聲速。
2) 采用中心頻率為 150 khz 的聲發(fā)射傳感器，幅度衰減達(dá) 4 db/cm. 為避免幅度過(guò)快衰減，在風(fēng)電葉片現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，應(yīng)采用低頻的聲發(fā)射傳感器來(lái)進(jìn)行聲發(fā)射源定位。
3) 風(fēng)電葉片多層復(fù)合材料聲發(fā)射定位源能較好地吻合模擬聲發(fā)射源的位置，越接近中間區(qū)域，定位更為準(zhǔn)確。