基于聲發(fā)射技術(shù)的金屬高頻疲勞監(jiān)測(cè)
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對(duì)于儀器內(nèi)部的電磁噪聲，跟疲勞試驗(yàn)的外界機(jī)械噪聲相比，這類噪聲的幅度相對(duì)較小，而且這類噪聲一般具有高斯白噪的特點(diǎn)，使用小波降噪方法，可以大幅度地減少這些噪聲的干擾。
裂紋閉合的摩擦噪聲和電磁噪聲通過上述的硬件方法和小波去噪的方法基本消除，剩下的主要是機(jī)械共振產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲以及銷軸與試樣在受交變力作用下的撞擊聲發(fā)射信號(hào)。從圖2可見，傳感器S3和S4起到警戒傳感器的作用。由于機(jī)器共振產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，四個(gè)傳感器都能接收到，而且其信號(hào)的類型和頻譜特征也應(yīng)基本相同，由于S3和S4是靈敏度更高的窄帶諧振傳感器，所以這兩個(gè)傳感器接收到來自機(jī)器共振聲信號(hào)的幅度應(yīng)大一些。機(jī)器共振信號(hào)要根據(jù)其特點(diǎn)：首先，其幅度一般不超過0.6伏；其次，這類信號(hào)四個(gè)傳感器都能接收到，其中S3和S4的信號(hào)幅度在傳播中沒有明顯的衰減而變小的現(xiàn)象，而是跟S1和S2信號(hào)幅度差不多或更大一些，這說明信號(hào)并非來自試樣本身。有了這兩個(gè)特征，就可以用S3和S4為參考信號(hào)，逐個(gè)對(duì)比S1和S2采集到的信號(hào)，將符合這兩個(gè)特征的信號(hào)去掉，也就除去了由于機(jī)器振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。
銷軸與試樣的摩擦和撞擊產(chǎn)生的聲發(fā)射噪聲信號(hào)排除是個(gè)難題。在背景噪聲測(cè)量中，同樣可以得到它們的聲發(fā)射信號(hào)。圖4給出了試樣與夾具間碰撞產(chǎn)生信號(hào)的頻譜圖。從圖中可以看出，信號(hào)的頻率范圍較寬，最大值出現(xiàn)在60kHz處，且低于100kHz的頻率分量占相當(dāng)大的一部分。而對(duì)于金屬
圖5 裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)及其頻譜圖
裂紋擴(kuò)展信號(hào)，人們做過很多次的實(shí)驗(yàn)表明，其主要的頻率范圍在100kHz至550kHz之間，在
這個(gè)頻帶范圍內(nèi)聚積了聲發(fā)射裂紋擴(kuò)展信號(hào)的絕大部分能量[13]，是這類噪聲信號(hào)的突破口。試樣中的裂紋擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)，從圖5中看出，其頻率分量主要集中于100kHz以上，而且其幅度遠(yuǎn)較低頻分量信號(hào)大（對(duì)比圖4）。
至此我們已經(jīng)描述了各種干擾噪聲的特點(diǎn)和減少它們影響的方法，通過處理就可以從所采集到的聲發(fā)射信號(hào)中分離出噪聲，獲得較為"干凈"的裂紋擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)。
4試驗(yàn)結(jié)果分析
裂紋的擴(kuò)展長度與循環(huán)時(shí)間的人工測(cè)量結(jié)果如圖7所示。人工測(cè)量得出的方法是：試驗(yàn)前在試樣的兩表面以人工預(yù)制裂紋（線割2.5mm）尖端為起點(diǎn)，每隔0.5mm劃上刻度線，試驗(yàn)過程中，觀測(cè)人員借助放大鏡讀出裂紋擴(kuò)展的長度值，取兩表面讀數(shù)的平均值為測(cè)量結(jié)果。從圖可看出，在聲發(fā)射信號(hào)采集40至41分鐘時(shí)，開始觀察到裂紋的擴(kuò)展，42到67分鐘之間裂紋呈緩慢地?cái)U(kuò)展?fàn)顟B(tài)，在67分鐘左右突然出現(xiàn)快速擴(kuò)展的趨勢(shì)。
圖6給出了聲發(fā)射信號(hào)的撞擊數(shù)率與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)聯(lián)圖。從圖6可以看出聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律與實(shí)測(cè)裂紋擴(kuò)展的變化規(guī)律相類似，也就是說聲發(fā)射信號(hào)的變化反映出了高背景噪聲下疲勞裂紋的變化。圖6中，在38到41分鐘，以及65至70分鐘時(shí)聲發(fā)射的撞擊數(shù)率有著非常明顯的增大。更值得注意的是，在圖6的第38分鐘時(shí)，聲發(fā)射撞擊數(shù)率已經(jīng)有了很大的變化，說明此時(shí)試樣內(nèi)部有大量的聲發(fā)射事件發(fā)生，而在圖7的相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)沒有任何可見變化。聲發(fā)射信號(hào)說明此時(shí)材料內(nèi)部有微觀起裂或裂紋擴(kuò)展，它的發(fā)現(xiàn)要明顯早于試樣表面的宏觀裂紋變化。所以說用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)材料的高頻疲勞是完全可行的，而且能及時(shí)反映出材料內(nèi)部疲勞損傷的變化。
在引言部分討論過，可以建立聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值之間的關(guān)聯(lián)，而且提出用能量的表示方法更能反應(yīng)在疲勞載荷作用下裂紋擴(kuò)展的狀況。為此將聲發(fā)射信號(hào)分析處理后獲得的聲發(fā)射能量與疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系做成圖8，圖中曲線是由計(jì)算機(jī)采集處理的聲發(fā)射信號(hào)按3.2節(jié)方法進(jìn)行處理后得到的聲發(fā)射能量曲線。
從圖8看出，在循環(huán)次數(shù)為以前，聲發(fā)射信號(hào)的累計(jì)能量很小，相對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是裂紋未發(fā)生擴(kuò)展的階段（或稱第一階段），在循環(huán)次數(shù)為至之間聲發(fā)射能量處于穩(wěn)定的緩慢增加階段（或稱第二階段），當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過以后，聲發(fā)射能量呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)（或稱第三階段）。但聲發(fā)射能量變化的拐點(diǎn)，總是先于人工觀測(cè)到的裂紋變化，這說明聲發(fā)射技術(shù)的靈敏度高，由此也可說明，用聲發(fā)射技術(shù)能監(jiān)測(cè)到材料內(nèi)部裂紋的活動(dòng)情況。同樣對(duì)于本試驗(yàn)材料的起裂點(diǎn)，聲發(fā)射能量上的判斷為496500次循環(huán)左右，早于人工用放大鏡觀察到的520000次循環(huán)左右。
圖7 裂紋擴(kuò)展長度隨循環(huán)時(shí)間的變化 圖8 聲發(fā)射總能量隨循環(huán)次數(shù)的變化圖
對(duì)于張開型疲勞裂紋擴(kuò)展方式，考慮緊湊拉伸試樣的幾何效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，其應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度可由相關(guān)公式計(jì)算得到[5]。我們還得到了如圖8所示的聲發(fā)射能量與循環(huán)次數(shù)的試驗(yàn)值，就可以求出式（3）中的與材料性質(zhì)相關(guān)常數(shù)C3和。對(duì)于裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，從上述試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可計(jì)算出：C3=， =2.69。顯然式（4）可以寫成如下方程：(5)
5結(jié)論
本文的聲發(fā)射檢測(cè)和分析技術(shù)，可以應(yīng)用于高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上金屬試樣裂紋擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)，而且在復(fù)雜噪聲背景下能夠獲得真正裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)。將聲發(fā)射信號(hào)的能量與循環(huán)次數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，能得到與人工觀測(cè)的裂紋擴(kuò)展相同的變化規(guī)律，但聲發(fā)射方法更為靈敏，可監(jiān)測(cè)到材料內(nèi)部的微小裂紋的擴(kuò)展，而這個(gè)擴(kuò)展要早于人工觀察到的裂紋變化。
根據(jù)本文提出的分析技術(shù)，還得到試樣的聲發(fā)射能量與疲勞循環(huán)次數(shù)以及應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系式：。按此公式，通過聲發(fā)射信號(hào)能量的短時(shí)監(jiān)測(cè)，可以在工程上對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的機(jī)械裝備進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展和剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)，但在疲勞壽命預(yù)測(cè)方面還需做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。
評(píng)論