全 文 ：第 wu卷 第 |期
u s s y年 | 月
林 业 科 学
≥≤Œ∞‘׌„ ≥Œ∂ „∞ ≥Œ‘Œ≤„∞
∂²¯1wu o‘²1|
≥ ³¨qou s s y
动态载荷下基于声发射技术的杨木破坏过程检测
孙建平 王逢瑚 朱晓东 杨亮庆
k东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 利用声发射检测和力学试验相结合的方法 o研究山杨木材在动态载荷下的声发射演变过程 ~结合木材粘
弹性特点 o通过声发射参数分析研究在不同受力阶段木材的声发射特点 ∀结果表明 }tl声发射信号幅值不连续 o是
跃迁的 ~材料断裂前声发射信号的幅值和能量比断裂后小 o在断裂点对应声发射信号幅值和能量的局部极大值 ∀
ul随时间和载荷的变化 o声发射累计撞击数和累计能量增加快慢可以体现杨木在受力条件下的完全弹性 !弹性为
主的弹塑性共存 !塑性为主的弹塑性共存 v种状态 ∀vl声发射率和幅值参数可以预测材料纤维开始断裂进入危险
期的第一/临界点0和材料大量纤维断裂进入严重危险期的第二/临界点0 o如果继续加载材料将会破坏断裂 ∀
关键词 } 声发射 ~临界点 ~无损检测 ~山杨
中图分类号 }≥z{t1v{ 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyls| p ss{| p sw
收稿日期 }ussx p st p ux ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助kvsxztwxzl ∀
Τεστινγ ∆αµαγε Προχεσσ οφ ∆αϖιδ Ποπλαρ υνδερ τηε ∆ψναµιχ
Λοαδσ Βασεδ ον Αχουστιχ Ε µισσιον Τεχηνιθυε
≥∏±¬¤±³¬±ª • ¤±ªƒ ±¨ª«∏ «∏÷¬¤²§²±ª ≠¤±ª¬¤±ª´¬±ª
k ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον o Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ} ׫¨ ¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²± k„∞l √¨²¯∏·¬²± ³µ²¦¨¶¶²© ⁄¤√¬§°²³¯¤µk Ποπυλυσ δαϖιδιαναl ¶¤°³¯ ¶¨º¤¶¬±√¨ ¶·¬ª¤·¨§¥¼
¦²°¥¬±¬±ª·«¨ ·º² °¨ ·«²§¶²© °¨ ¦«¤±¬¦¶·¨¶·¬±ª¤±§ „∞ ·¨¦«±¬´∏¨ º«¨ ±·«¨ ¶¤°³¯ ¶¨ º¨ µ¨ ¬°³²¶¨§·²·«¨ §¼±¤°¬¦ ²¯¤§¶q…¼
¤±¤¯¼¶¬¶²©„∞ ³¤µ¤°¨ ·¨µ¶¤±§·«¨ ¨¯¤¶·¬¦2√¬¶¦²¶¬·¼ ²© º²²§o·«¨ „∞ ¦«¤µ¤¦·¨µ¬½¤·¬²± ∏±§¨µ§¬©©¨µ¨±·¯²¤§¶º¤¶ ¬¨³¯²µ¨§q ׫¨
µ¨¶∏¯·¶¤µ¨ }tl „∞ ¤°³¯¬·∏§¨¶¤µ¨ ±²·¦²±·¬±∏²∏¶¤±§¯¨ ¤³©µ²° ²±¨ ¤±²·«¨µq ׫¨ „∞ ¤°³¯¬·∏§¨¶¤±§ ±¨¨ µª¼ ¥¨©²µ¨ ©µ¤¦·∏µ¨
§¤°¤ª¨ ¤µ¨ ²¯º¨ µ·«¤± ·«²¶¨ ¤©·¨µ©µ¤¦·∏µ¨ §¤°¤ª¨ q ²µ¨²√¨ µo º«¬¯¨ ·«¨ °¤·¨µ¬¤¯ ¬¶©µ¤¦·∏µ¬±ª·«¨ ²¯¦¤¯ °¤¬¬°∏° ²© „∞
¤°³¯¬·∏§¨¶¤±§„∞ ±¨¨ µª¼ ¤³³¨¤µ¶qul •¬·«·«¨ ·¬°¨ ¤±§ ²¯¤§¶¦«¤±ª¬±ªo·«¨ ¬±¦µ¨¤¶¨ ¶³¨ §¨²© „∞ ¦∏°∏¯¤·¬√¨ «¬·¶¤±§ „∞
¦∏°∏¯¤·¬√¨ ±¨¨ µª¼ ¦¤± ¬¨¤¦·¯¼¬§¨±·¬©¼ ¦²°³¯ ·¨¨ ¨¯¤¶·¬¦¬·¼o§²°¬±¤±·¨ ¤¯¶·¬¦¬·¼ º¬·«·«¨ ¦²¨ ¬¬¶·²©¨¯¤¶·¬¦2³¯¤¶·¬¦¬·¼ ¤±§§²°¬±¤±·
³¯¤¶·¬¦¬·¼ º¬·«·«¨ ¦²¨ ¬¬¶·²©¨¯¤¶·¬¦2³¯¤¶·¬¦¬·¼ ²© º²²§oº«¬¦«²©·«¨ ·«µ¨¨¶·¤ª¨¶¤µ¨ ·«¨ °²¶·¬°³²µ·¤±·©¨¤·∏µ¨ ²© º²²§∏±§¨µ
²¯¤§¶qvl ׫¨ „∞µ¤·¨ ¤±§¤°³¯¬·∏§¨ ¦¤± ¥¨ °¨³¯²¼¨ §·²³µ¨§¬¦··º² / ¦µ¬·¬¦¤¯ ³²¬±·¶0 ²©º²²§©µ¤¦·∏µ¨ §¤°¤ª¨ q׫¨ ©¬µ¶·³²¬±·
µ¨³µ¨¶¨±·¶·«¤··«¨ ©¬¥¨µ¶¥¨ª¬±·²³¨ ¨¯ ²©©©µ²° ¤¨¦«²·«¨µ¤±§¤©¨ º ²©©¬¥¨µ¶¥¨ª¬±·²µ∏³·∏µ¨ oº«¬¦« °¨ ¤±¶·«¨ °¤·¨µ¬¤¯ ¬¶¬±·«¨
¶·¤·¨ ²©¶¯¬ª«·§¤±ª¨µq׫¨ ²·«¨µ³²¬±·µ¨³µ¨¶¨±·¶¯ ²·¶²©©¬¥¨µ¶¥¨ª¬±·²µ∏³·∏µ¨ oº«¬¦« °¨ ¤±¶·«¨ °¤·¨µ¬¤¯ ¬¶¬±·«¨ ¶·¤·¨²©¶¨µ¬²∏¶
§¤±ª¨µqŒ© ²¯¤§¨§¦²±·¬±∏²∏¶¯¼·«¨ °¤·¨µ¬¤¯ º¬¯¯ ©µ¤¦·∏µ¨ q
Κεψ ωορδσ} ¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²±k„∞l ~¦µ¬·¬¦¤¯ ³²¬±·¶~±²±2§¨¶·µ∏¦·¬√¨ ·¨¶·¬±ª~ Ποπυλυσ δαϖιδιανα
材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射k¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²±o„∞lk ¬¯¯ µ¨ ετ αλqo
t|{zl ∀材料在受力变形破坏时所发射的声发射波的频率范围很宽 o从次声频 !声频直至超声频 o其频率主要
集中在 tss ®‹½至 t  ‹½之间k曹平祥 ot||xl ∀材料在破坏前会发出人耳听频范围之外的声波 o并以应力波
的形式通过介质传播到材料表面被传感器接受 o这就是通常所研究的 „∞信号 ∀声发射信号中隐含着有关
声发射源特性的重要信息 o通过对这些信号的处理与分析来获取材料和结构内声发射源的状态信息 o实现对
检测对象的实时动态无损评价 ∀声发射检测技术的主要特点在于能对材料断裂破坏进行实时动态分析 o以
及动态检测和评价材料的完整性 o这也是声发射技术同传统的无损检测技术的本质区别 ∀
木材的无损检测对木材合理利用 !保证木材产品质量和木材的安全使用等方面有着重要的意义 ∀由于
声发射检测技术有其他检测方法无法比拟的优势 o已经被应用到木材科学领域 o如 }木材干燥的声发射过程
k谢力生 ousstl !木材在拉伸过程中的声发射情况k•¤¦´®²º¶®¬ετ αλqot||| ~„¬¦«¨µετ αλqousstl !木材的蠕变破
坏k…¨ ¤¯¯oussul !木材断裂过程中的声发射k• ¬¨·¨µ¨µ ετ αλqousssl !木材切削过程中的声发射k曹平祥 ot||x ~
≤¼µ¤ ετ αλqousssl !污染木材的断裂破坏特性k≥·¤±½¯2׶¦«¨ªª ετ αλqot||| ~•¤¦½®²º¶®¬ετ αλqot|||l !刨花板回弹
过程k…¨ ¤¯¯ot|{yl及木质复合材料的声发射k‘¬¨°½ ετ αλqot|{vl ∀从已经进行的研究看 o对木材在动态受力
条件下材料内部的实时声发射信号空间演变特性没有进行系统深入地研究 o利用声发射检测技术对木质材
料在动态载荷条件下进行动态性能检测的研究还未见报道 ∀而对木材进行动态的 !非破坏的可靠性无损评
估是木材无损检测的重要内容之一 o也是进行木质结构材料设计的重要依据 ∀而且同应力 !应变参量一样 o
声发射参量也应该属于材料的一个可测的本构参量k纪洪广等 oussvl o用于评估 !推断和模拟其内部结构的
变化情况 ∀本文以东北常见的阔叶材树种山杨k Ποπυλυσ δαϖιδιαναl木材为研究对象 o从材料在动态荷载条件
下声发射信号参数的角度探讨山杨声发射的动态演变特征 o尝试利用声发射检测技术寻找预测材料受力破
坏失稳的声发射临界参数的可行性 ∀
t 材料与方法
山杨木材试件的长 ≅宽 ≅高为 vss °° ≅ us °° ≅ us °° o纹理通直 o无缺陷 o常温下干燥使试件内部与表
层含水率趋于一致 o并使含水率稳定在 z h左右 ∀
利用声发射信号采集器k • „∞ussu o广州声华l和力学实验机k• Š× p usz o深圳l相结合 o采用 v点弯曲对
试件进行径向受力 o加载速度为 x °°#°¬±pt o当试件开始受力时 o声发射信号采集器也开始进行信号采集 ∀
具体的试验原理如图 t所示 }试件放置于 u个水平支点上 o支点间的距离为 uss °° ~载荷压斗位于 u个传感
器的中间 o传感器距离压头 xs °° ~传感器通过真空硅胶耦合在试件表面 ∀试验在安静 !隔音效果好的实验
室进行 o尽可能避免噪音 ∀
图 t 试验原理图
ƒ¬ªqt ׫¨ ·«¨ ²µ¼ ²© ¬¨³¨µ¬° ±¨·¶
利用耦合在试件表面的高灵敏度k中心频率
txs ®‹½l声发射压电传感器 o实时接受和采集来
自于材料的声发射信号 ~当力学实验机对试件施
加载荷 o声发射采集器也开始工作 o由传感器接
受试件因受力变形而产生的声发射信号 o通过声
发射信号采集器把接受到信号储存 !分析处理 ∀
本研究使用参数分析法 o主要选择能反映声
发射活动强度和频度的幅值k¤°³¯¬·∏§¨ l !能量
k ±¨¨ µª¼l !累计能量k¦∏°∏¯¤·¬√¨ ±¨¨ µª¼l !累计撞击
数k¦∏°∏¯¤·¬√¨ «¬·¶l !声发射率k„∞µ¤·¨l以及试件
所受的载荷k¯ ²¤§¶l ∀
u 结果与讨论
在动态加载条件下试件因变形和局部应力
集中导致声发射信号的产生 o通过声发射参数分
析方法对信号进行分析处理 ∀幅值是信号波形
的最大振幅值 o幅值与撞击事件强弱有直接关
系 o不受门限阈值的影响而直接决定事件的可测
性 o常用于波源的类型鉴别 !强度及衰减的测量 ∀
随时间变化声发射信号的幅值见图 u ∀从图中
可以看出 }幅值主要集中在 v|1z| !wx1{t和 xt1{v §…左右 o每一个值都是直接跃迁到另外一个值 o中间没有
其他的值出现 ∀在破坏前声发射的幅值比较低 o一般都在 xx §…以下 o最高不超过 zs §…o在试件破坏以后 o
声发射幅值比较高 o有许多值超过 ys §…o而且在试件断裂破坏点及其附近出现最大幅值 |v1|y §…∀
声发射信号的能量表示发射源产生振荡的强弱程度 o从能量的大小可以对声发射源的模式进行识别 o从
而判断材料所处的物理状态 ∀图 v为试件在动态载荷下的时间 p能量和时间 p载荷图 o从图中可以看到试
件的载荷变化过程以及与此过程相对应的声发射信号的能量变化 ∀发现当试件的载荷突然降低时对应声发
射信号能量的局部极大值 o而且试件破坏断裂以后出现许多高能量的信号 o而在此点之前声发射信号的能量
s| 林 业 科 学 wu卷
都比较低 o主要都集中在 xs sss °√#Λ¶左右 ∀
图 u 随时间变化的 „∞信号幅值
ƒ¬ªqu ׫¨ ¤°³¯¬·∏§¨ ²© „∞¶¬ª±¤¯¶º¬·«·«¨ ¦«¤±ª¨ ²©·¬°¨
图 v 动态载荷下的时间 p能量和时间 p载荷
ƒ¬ªqv ׬° 2¨ ±¨¨ µª¼ ¶¬ª±¤¯¶¤±§·¬° 2¨¯ ²¤§¶¬ª±¤¯¶∏±§¨µ
·«¨ §¼±¤°¬¦ ²¯¤§¶
声发射累计撞击数反映声发射活动的总量和频度 o常用于声发射活动性评价 ∀图 w是随时间变化试件
所受载荷与声发射信号累计撞击数的对照图 ∀可以看出 o累计撞击数随时间变化呈增加趋势 ∀在试件断裂
后 o累计撞击数大致呈线性增加 ~在试件断裂前 o累计撞击数的增加趋势大致可以分为 v个阶段 }没有撞击或
只有零星的撞击 !撞击次数缓慢增加和撞击次数急剧增加 ∀结合图中的载荷曲线可以看出 o这 v个阶段大致
对应了木材受动态载荷而经历的 v个阶段 }完全弹性阶段 !弹性为主的弹塑性共存阶段 !塑性为主的弹塑性
共存阶段 o分别对应图中的 u条虚线所分割的/ ´ 0 !/ µ0和/ ¶0v个区域 ∀这样木材在弯曲受载荷条件下的
弹塑性特征的不同阶段通过声发射的累计撞击数充分地表现出来 ∀图 x是随时间变化试件所受的载荷与声
发射信号的累计能量计数的对照图 o同图 w一样能充分地体现木材的弹塑性特点 ∀
图 w 载荷信号与声发射信号的累积撞击计数对照
ƒ¬ªqw ≤²°³¤µ¬¶²± º¬·«·¬° 2¨¦∏°∏¯¤·¬√¨«¬·¶¶¬ª±¤¯ ¤±§
·¬° 2¨¯ ²¤§¶¬ª±¤¯¶∏±§¨µ§¼±¤°¬¦ ²¯¤§¶
图 x 载荷信号与声发射信号的累积能量对照
ƒ¬ªqx ≤²°³¤µ¬¶²± º¬·«·¬° 2¨¦∏°∏¯¤·¬√¨ ±¨¨ µª¼ ¶¬ª±¤¯ ¤±§
·¬° 2¨¯ ²¤§¶¬ª±¤¯¶∏±§¨µ§¼±¤°¬¦ ²¯¤§¶
图 y是随时间变化试件所受的载荷与声发射信号撞击计数率的对照图 ∀可以看出 }声发射率主要集中
在 {以下 o声发射率第 t次出现局部极大值 {以前 o声发射率都特别低 o对应试件的弹性变形 ∀此后 o随着载
荷的增加声发射率的值也增大 o表明声发射源的活性增强 o对应试件内部纤维与纤维剥离 !少量的纤维开始
拉伸断裂 ~也意味着试件开始发生永久变形 o可称为材料纤维开始断裂进入危险期的第一/临界点0 o对应图
中声发射率和载荷曲线的第/ ´ 0个/十0 o此时对应的载荷约为最大载荷的 zs h ∀随着载荷的继续增大 o声
发射率出现更大的值 o声发射试件发生的频率更快 o这可以认为试件内部有很多的纤维发生断裂 o对应试件
有大量纤维断裂而进入严重危险期的第二/临界点0 o对应图中声发射率和载荷曲线的第/ µ0个/十0 o这时对
应的载荷约为最大载荷的 |s h左右 o从这一点开始如果继续施加载荷 o材料就会断裂 ∀
t| 第 |期 孙建平等 }动态载荷下基于声发射技术的杨木破坏过程检测
图 y 载荷信号与声发射信号的声发射率对照
ƒ¬ªqy ≤²°³¤µ¬¶²± º¬·«·¬° 2¨„∞µ¤·¨ ²© „∞¶¬ª±¤¯¶¤±§
·¬° 2¨¯ ²¤§¶¬ª±¤¯¶∏±§¨µ§¼±¤°¬¦ ²¯¤§¶
图 z 载荷信号与声发射信号的幅值对照
ƒ¬ªqz ≤²°³¤µ¬¶²± º¬·«·¬° 2¨¤°³¯¬·∏§¨ ²© „∞¶¬ª±¤¯¶¤±§
·¬° 2¨¯ ²¤§¶¬ª±¤¯¶∏±§¨µ§¼±¤°¬¦ ²¯¤§¶
图 z是随时间变化试件所受的载荷与声发射信号幅值的对照图 ∀可以看出 }声发射信号幅值在载荷急
剧降低时出现局部极大值 o载荷急剧下降标志着试件的断裂破坏 o也就是说在试件断裂时信号幅值急剧升
高 ∀同声发射率参数一样 o通过声发射幅值参数也可以判断材料在受载条件下所处的物理状态 o也能明显地
预测材料破坏程度的 u个/临界点0 ∀另外 o研究发现图 w !x中 v种状态的 u个分界点和图 y !z中 u个临界点
没有重合 o这可能是因为木材从一个阶段向另一个阶段过渡过程中 o由于木材的粘弹性而使声发射强度和频
度低 o致使声发射幅值和声发射率滞后 ∀
v 结论
声发射信号参数能体现动态载荷下山杨的力学性能状态 ∀通过对动态载荷下山杨木材声发射信号参数
分析以及信号参数与相同条件下试件载荷的对照得出结论 }tl声发射信号幅值是不连续的 !跃迁的 o在材料
断裂前声发射信号的幅值和能量都比材料断裂后要小 o而且在材料断裂点对应幅值和能量的局部极大值 ∀
ul随时间和载荷的变化 o声发射累计撞击数和累积能量值增加快慢可以体现山杨在受力条件下的完全弹性 !
弹性为主的弹塑性共存 !塑性为主的弹塑性共存 v种状态 ∀vl声发射信号的声发射率和幅值参数可以预测
材料纤维开始断裂进入危险期的第一/临界点0和材料大量纤维断裂进入严重危险期的第二/临界点0 o如果
继续加载材料将会破坏断裂 ∀wl声发射信号是材料破坏的先驱现象 o它作为一种无损评估手段适用于木材
受力条件下性能的动态监测和安全性能的评估 ∀
参 考 文 献
曹平祥 qt||x q木材切削过程中的声发射 q木工机床 ou }t p y
纪洪广 o蔡美峰 qussv q混凝土材料声发射与应力 p应变参量耦合关系及应用 q岩石力学与工程学报 ouukul }uz p vt
谢力生 qusst q声发射法在木材干燥中的应用 q林产工业 ou{kvl }v{ p wu
„¬¦«¨µ≥ o‹²©©¯¬± o⁄¬¯¯2¤±ª¨µŠ qusst q⁄¤°¤ª¨ √¨²¯∏·¬²± ¤±§¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²± ²©º²²§¤··¨±¶¬²± ³¨µ³¨ ±§¬¦∏¯¤µ·²©¬¥¨µq‹²¯½ ¤¯¶•²«2∏±§ • µ¨®ox| }tsw p tty
…¨ ¤¯¯ ƒ ≤ qt|{y q∞©©¨¦·²© °²¬¶·∏µ¨ ¦²±§¬·¬²±¬±ª²± ¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²±©µ²° ³¤µ·¬¦¯ ¥¨²¤µ§q „¦² ∞°¬ox }zt p zy
…¨ ¤¯¯ ƒ ≤ qussu q’√¨ µ√¬¨º ²©·«¨ ∏¶¨ ²©∏¯·µ¤¶²±¬¦·¨¦«±²¯²ª¬¨¶¬± µ¨¶¨¤µ¦«²± º²²§³µ²³¨µ·¬¨¶q• ²²§≥¦¬¤±§× ¦¨«ovy }t|z p utu
≤¼µ¤ Š oפ±¤®¤ ≤ qusss q׫¨ ©¨©¨¦·¶²© º²²§2©¬¥¨µ§¬µ¨¦·¬²±¶²± ¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²±¬±µ²∏·¬±ªq• ²²§≥¦¬¤±§× ¦¨«ovw }uvz p uxu
¬¯¯ µ¨• Žo¦¯±·¬µ¨ ° qt|{z q„¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²± ·¨¶·¬±ªq„°¨ µ¬¦¤± ≥²¦¬¨·¼©²µ‘²±§¨¶·µ∏¦·¬√¨× ¶¨·¬±ªo≤²¯∏°¥∏¶}’‹
‘¬¨°½ ° o• ¤ª±¨ µ o׫¨¬¶Žqt|{v q≥·¤·∏¶¤±§³²¶¶¬¥¯¨¤³³¯¬¦¤·¬²±¶²©¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²± ¤±¤¯¼¶¬¶¬± º²²§µ¨¶¨¤µ¦«q‹²¯½·¨¦«±²¯ ouw }|t p |x
•¤¦½®²º¶®¬o∏·²°¶®¬Žo²¯¬±&¶®¬ • oετ αλqt||| q⁄¨ ·¨¦·¬²± ²© ¤¨µ¯¼ ¶·¤ª¨¶²© º²²§§¨¦¤¼ ¥¼ ¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²± ·¨¦«±¬´∏¨ q• ²²§≥¦¬¤±§× ¦¨«ovv }vxv p vx{
• ¬¨·¨µ¨µ„ o≥·¤±½¯2׶¦«¨ªª≥ ∞o׶¦«¨ªª∞ Žqusss q²§¨ Œ©µ¤¦·∏µ¨ ¤±§¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²± ²©¶²©·º²²§¤±§«¤µ§º²²§q• ²²§≥¦¬¤±§× ¦¨«ovw }wtz p wvs
≥·¤±½¯2׶¦«¨ªª≥ ∞oƒ¬¯¬²± o׶¦«¨ªª∞ Žoετ αλqt||| q≥·µ¨±ª·«³µ²³¨µ·¬¨¶¤±§§¨±¶¬·¼ ²©≥’u ³²¯ ∏¯·¨§¶³µ∏¦¨ º²²§q‹²¯½ ¤¯¶•²«2∏±§ • µ¨®oxz }tut p tu{
k责任编辑 石红青l
u| 林 业 科 学 wu卷