声发射信号特征提取方法在复合材料层合板中的应用

沈书乾 李 伟 龙飞飞 曹书铭 蒋 鹏 郭福平 程丽华

（1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.广东省特种设备检测研究院茂名检测院；3.大连民族大学机电工程学院；4.广东石油化工学院化学工程学院）

碳纤维复合材料气瓶（也称CFRP气瓶）是通过在金属或非金属内胆上缠绕高强度碳纤维制造而成的，因具有质量轻、强度高及抗疲劳性好等优点，近年来在石化、航天和汽车领域被广泛应用。但是碳纤维复合材料抗冲击性能差，在气瓶的使用过程中，气瓶瓶身受到冲击作用后极易形成损伤。碳纤维复合材料的冲击损伤形式多样，大致分为基体开裂、分层损伤及纤维断裂等。冲击损伤的发生会使气瓶的结构发生改变，从而导致其承载能力大幅减弱，造成严重的安全隐患。

声发射技术是一种动态无损检测技术，相对于常规的无损检测来讲，具有动态检验和灵敏度高的优点［1～4］。在此，笔者基于声发射技术，提出将声发射信号特征提取方法应用于碳纤维复合材料层合板中，实现CFRP气瓶损伤的探测。

1 落锤冲击实验

落锤冲击实验以CFRP层合板试件为研究对象，采用-15～15°碳纤维铺层方式，纤维与承载方向垂直，试件的长、宽均为120 mm，厚度为7 mm（其中碳纤维板厚4.5 mm，铝板厚2.5 mm），共制作5块试件。

冲击实验仪器选择CLC-A型落锤式冲击实验机，有效冲击高度为1.5 m，层合板试件表面布置有传感器，布点如图1所示。

图1 传感器在层合板上的布置图

冲击能量选择10、20、30、45、60 J。实验前，先将试件固定在冲击夹具上，将所选取的传感器通过耦合剂贴于试件上，并将冲头位置对准试件的冲击点位置。检查周围环境，在确保没有影响声发射检测的噪声下，启动冲击实验机，在冲击实验机控制系统界面中输入冲击能量，冲击实验机将自动调节落锤高度，当落锤达到指定能量高度后释放落锤，完成相应的落锤冲击实验。

2 CFRP层合板冲击损伤形态结果分析

冲击能量20、30、45 J下的试件冲击损伤表观形态如图2所示，相应的试件冲击损伤B、C扫描图 像如图3、4所示。

图2 不同冲击能量下的试件冲击损伤表观形态

图3 不同冲击能量下的试件冲击损伤B扫描图像

由图2可以看出：在20 J冲击能量下试件无明显损伤，30 J冲击能量下试件出现明显凹坑损伤，45 J冲击能量下试件凹坑损伤更加明显且凹坑深度加大。

由图3可以看出：随着冲击能量的增加，试件纵向的微小形变逐渐严重，且3种冲击能量下均能看出明显的纤维断裂损伤情况。

由图4可以看出：20 J冲击能量下试件面内出现了小面积的损伤区域，30 J冲击能量下试件面内的损伤区域面积较20 J时的有所增加，45 J冲击能量下试件出现大面积损伤区域并且可以明显看到纤维断裂损伤与分层损伤。

图4 不同冲击能量下的试件冲击损伤C扫描图像

3 CFRP层合板损伤声发射信号特征提取

3.1 参数-时间关系图

绘制30、60 J冲击能量下冲击损伤声发射信号多种参数-时间关系图（图5、6）。声发射信号幅值的变化反映了试件损伤发生的强弱和损伤产生的数量，声发射撞击数仅反映试件中损伤产生的数量，声发射能量的变化率反映试件损伤的严重程度。

图5 30 J冲击能量下参数-时间关系图

图6 60 J冲击能量下参数-时间关系图

3.2 声发射信号频谱分析

首先对声发射信号进行傅里叶变换并进行频谱分析，找到主要频带的分布情况，为后续小波包分解时确定分解层数提供依据［5，6］。

经过处理和分析大量声发射信号发现，实验中采集到的声发射信号波形的主要形式有单峰值突发型和多峰值突发型。其中，多峰值突发型信号极为复杂，并且不同损伤类型的声发射信号发生次序、频率等都是无规律且随机的，需在单峰值突发型信号分析完成后，再分析处理解释多峰值突发型信号。

在采集的众多损伤声发射单峰值突发型信号中选取了3个极具代表性的信号（A、B、C），其时域和频域图像如图7所示。

图7 信号A、B、C的时域和频域图像

从图7中可以看出，信号A频率主要集中在90～120 kHz，峰值频率为95 kHz；信号B频率主要集中在175～200 kHz，峰值频率为180 kHz；信号C频率主要集中在90～120 kHz与190～230 kHz。根据碳纤维复合材料损伤信号基本特征可知，纤维断裂信号频率应高于分层损伤信号频率，因此可以判断出信号A为分层损伤信号，信号B为纤维断裂信号，信号C中既存在分层损伤信号又存在纤维断裂信号。

3.3 小波包能量提取分析

3.3.1 小波基函数的选择

对信号进行小波包分解时，小波基函数的选取是非常重要的。小波基函数不是唯一的，常用的小波基函数包括Daubechies系列小波、Haar系列小波及Symlets系列小波等，选取不同的小波基函数会导致分解效果的不同。在选择小波基函数时需要考虑以下几个因素：正交性、紧支性、衰减性、对称性、正则性和消失矩阶数。db小波族具有紧支性，正交性和正则性随着序号N的增加而增加，消失矩阶数为2N，因此非常适合处理突发型信号。在选择db小波族时，需要考虑小波基形状与待分析信号的波形是否相似且具有一定的相关性，经过分析发现，当N=8时，db小波与所研究的信号相似，且具有良好的相关性，能够较好地保留信号中的有效成分，剔除冗杂信息的干扰。

3.3.2 小波包分解层数的确定

当小波包分解层数过低时，信号特征不明显甚至会被埋没；当分解层数过高时，会增加计算量，导致运算速度变慢［7，8］。根据信号频谱分析所得结论，当分解层数为5时，可有效提取信号特征且计算量较少。设信号采样频率为2 MHz，可检测信号频带0～1 MHz，根据小波包分解树节点与信号子空间频带的对应关系，得到小波包重构信号分量的频率范围（表1）。

表1 小波包重构信号分量的频率范围

3.3.3 小波包信号能量特征提取

利用小波包对信号进行特征提取的步骤如下：

a.将断铅和摩擦信号分别进行5层小波包分解，Xij为小波包分解后的第i层第j个节点的小波包分解系数；

b.对小波包分解系数进行重构，提取第i层中低频到高频信号S5j的特征，对应总信号为S=S51+S52+…+S5j；

由3.2节的分析结果可知，信号主要频率的最高值小于512 kHz，因此在绘制小波包能量谱时，只取小波包重构信号分量的前16段进行分析，经过小波包变换后各频带上的能量分布如图8所示。由图8可知，分层损伤信号小波包能量主要分布在信号分量（5，2）和（5，3），其对应信号频率范围为64～96 kHz和96～128 kHz；纤维断裂信号小波包能量主要分布在信号分量（5，5），其对应信号频率范围为160～192 kHz，因此利用小波包局部频段能量占比值的范围对信号类型进行划分。通过对碳纤维复合材料层合板冲击实验所得信号进行小波包能量谱分析并统计其规律，发现相同类型的声发射信号其小波包局部频带能量占比呈现一定的规律性：信号分量（5，2）和（5，3）对应频带64～128 kHz的小波包能量占比值大于75%，此时信号为分层信号；信号分量（5，5）、（5，6）和（5，7）对应频带160～256 kHz的小波包能量占比值大于70%，此时信号为纤维断裂信号。因此，利用小波包能量谱分析法能够直观地表现出各频带能量的变化情况，可以有效提取CFRP层合板损伤声发射信号的特征。

图8 信号小波包能量分布图

4 结束语

搭建CFRP层合板落锤冲击实验系统，利用声发射采集系统对CFRP层合板落锤冲击过程中产生的不同损伤类型的声发射信号进行采集。实验所得信号通过小波包分解得到信号的小波包能量谱，通过分析不同频段能量的分布情况，可有效对不同损伤信号进行区分，实现了对不同损伤信号的特征提取。