海水對海洋平臺聲發(fā)射傳播特性影響研究

賈 光，楊國安，沈 江，張 淼

(北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100029)

在全球能源需求不斷增長和石油價格居高不下的背景下，各國都將目光轉(zhuǎn)向蘊藏著巨大能源儲備的海洋。海洋平臺作為開發(fā)海洋資源的重要裝備正被廣泛應(yīng)用于海洋石油資源的開發(fā)。由于海洋環(huán)境的隨機性及海洋平臺的復(fù)雜性，海洋平臺及其附件發(fā)生損壞、甚至傾覆等事件時有發(fā)生。其主要原因為常用的無損檢測無法及時發(fā)現(xiàn)海洋平臺潛在的結(jié)構(gòu)危險［1］。聲發(fā)射檢測技術(shù)因其自身的特點能對海洋平臺實施實時監(jiān)測，對降低危險、減小經(jīng)濟損失具有重要意義。

幅值和能量是評價鋼結(jié)構(gòu)損傷程度的重要聲發(fā)射參數(shù)。Rogers L M［2］在利用聲發(fā)射技術(shù)對海洋平臺易疲勞點及存在缺陷的焊縫進行監(jiān)測的基礎(chǔ)上，闡述了一種遠(yuǎn)距離監(jiān)測裂紋的方法;李江全［3］等研究了聲發(fā)射技術(shù)檢測管道時，管道受不同結(jié)構(gòu)特征和材料本身的影響而產(chǎn)生的衰減。上述研究都是針對空氣環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射檢測，而海水對聲發(fā)射檢測影響的研究還未見報道。針對陸地設(shè)備的聲發(fā)射檢測技術(shù)比較成熟，而海洋平臺水下鋼結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射檢測技術(shù)研究不足的現(xiàn)象，重點研究以空氣、淡水及海水為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波幅值和能量與傳播距離的關(guān)系，從而為針對海洋平臺的聲發(fā)射檢測提供理論和實驗依據(jù)?；诓澈澈Ｋ}度約為2.9% ～3.1%，實驗選取淡水和濃度為3%的海水作為液體耦合介質(zhì)。

1 實驗裝置

實驗裝置由鋼板、任意波形發(fā)生器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集器和壓電傳感器組成。任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的單頻信號，激勵壓電傳感器，從而在鋼板中產(chǎn)生特定頻率的聲發(fā)射波;聲發(fā)射波在鋼板中傳播時，被固定在鋼板上的接收傳感器接收，并通過數(shù)據(jù)線輸入到數(shù)據(jù)采集器中進行處理。本實驗中，任意波形發(fā)生器參數(shù)設(shè)置如下:頻率135 kHz，上升時間40 μs，下降時間160 μs，峰值80 dB。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置分別為:前置放大器增益40 dB，采樣頻率2.5 MHz，采樣長度8 k，門檻值45 dB。

實驗鋼板尺寸為800 mm×800 mm×30 mm，鋼板材料為低碳鋼，傳感器在鋼板上布置如圖1 和圖2 所示。實驗共用到8 個傳感器，其中S0 為模擬聲發(fā)射源激勵傳感器，型號為WSA;R1-R7 為1-7 號聲發(fā)射信號接收傳感器，型號為R15-ARPHA。這8 個傳感器的間距均為50 mm。

圖1 實驗方案布置示意Fig.1 Schematic of experimental program

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental device

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 時域波形

限于篇幅，這里未列出全部事件的時域波形圖，僅列出以空氣和海水作為耦合介質(zhì)的情況下7 個傳感器接收到第一個聲發(fā)射事件的時域波形圖，如圖3 和4 所示。

2.2 特性參數(shù)

當(dāng)以空氣為耦合介質(zhì)，聲發(fā)射源進行一次激勵時，接收傳感器接收到多次聲發(fā)射事件，表1 列出了各接收傳感器接收到聲發(fā)射波的相關(guān)特性參數(shù)及事件數(shù)。表2 和表3 分別列出了以淡水和海水作為耦合介質(zhì)時接收傳感器接收到聲發(fā)射波的相關(guān)特性參數(shù)及事件數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果作出以空氣、淡水和海水為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波幅值和能量與傳播距離的變化趨勢圖，如圖5 和圖6 所示。

表1 空氣為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波的相關(guān)特性參數(shù)及事件數(shù)Tab.1 Characteristic parameters and events of AE wave in air as coupling medium

表2 淡水為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波的相關(guān)特性參數(shù)及事件數(shù)Tab.2 Characteristic parameters and events of AE wave in fresh water as coupling medium

圖3 空氣為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波的時域波形Fig.3 Waveform of AE wave in air as coupling medium

圖4 海水為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波的時域波形Fig.4 Waveform of AE wave in sea water as coupling medium

2.3 實驗結(jié)果分析

聲發(fā)射波在鋼結(jié)構(gòu)中的傳播可簡化為平面彈性波在鋼結(jié)構(gòu)中的傳播［4］。當(dāng)平面縱波以某一角度入射到鋼板中時，在鋼板上下表面會發(fā)生多次反射、折射和波形轉(zhuǎn)換，使得平面縱波在鋼板中沿著多個路徑傳播，即固體板中存在多徑效應(yīng)［5］。當(dāng)平面縱波入射到鋼板側(cè)面邊界時，會產(chǎn)生反射回波。入射縱波經(jīng)界面反射與折射后不僅含有縱波還有橫波。由Snell 定律可以分別求出縱波與橫波的反射角和折射角。根據(jù)彈性界面反射系數(shù)公式可以計算出縱波與橫波的反射系數(shù)，為研究彈性波在不同彈性介質(zhì)中的傳播提供了理論依據(jù)。

圖5 幅值與傳播距離的變化趨勢Fig.5 Trend of amplitude and propagation distance

表3 海水為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波的相關(guān)特性參數(shù)及事件數(shù)Tab.3 Characteristic parameters and events of AE wave in seawater as coupling medium

圖6 能量與傳播距離的變化趨勢Fig.6 Trend of energy and propagation distance

圖7 為耦合介質(zhì)為空氣和水時，聲發(fā)射波在固體中的傳播模型［6］。從圖7 中可以看出，隨著傳播距離的增加，聲發(fā)射波在鋼板上下表面不斷發(fā)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換［7］，在鋼板側(cè)面產(chǎn)生反射回波。隨著傳播距離的增加，聲發(fā)射波在側(cè)面和上下表面反射次數(shù)不斷增加，使得聲發(fā)射波不斷被展寬。由圖4 和圖5 中的時域波形可以看出，從4 號傳感器開始波形因分離變得尤為雜亂。對時域波形中每個分散的波包進行頻率分析［8］，可以得到時域波形中各個分散的波包所對應(yīng)的頻率成分相同，從而進一步證明時域波形發(fā)生離散是由反射引起的。

圖7 聲發(fā)射波傳播模型Fig.7 Propagation model of AE wave

當(dāng)聲發(fā)射波入射到不同介質(zhì)的交界面時，界面對波的傳播具有重要的影響。一般情況下，在固體介質(zhì)的表面會發(fā)生波形轉(zhuǎn)換、傳播方向的改變和能量的再分配。比較圖7 中(a)、(b)情況可知聲發(fā)射波在固體—液體界面?zhèn)鞑r除發(fā)生反射外還有折射現(xiàn)象。在固體—液體界面因折射縱波的產(chǎn)生而加大了鋼板中聲發(fā)射波能量的衰減。文獻［9］采用作圖法給出了一些反射系數(shù)的曲線實例。由反射系數(shù)曲線可以得到反射系數(shù)隨著兩種介質(zhì)波阻抗差的減小而減小。例如當(dāng)縱波入射角為10°時，由反射系數(shù)曲線可以查得固體—液體界面縱波反射系數(shù)約為0.7，而根據(jù)固體—空氣界面縱波反射系數(shù)公式［9］計算縱波反射系數(shù)為0.959 5。上述兩種不同界面所得到的縱波反射系數(shù)可以說明聲發(fā)射波在固體—液體界面因折射損失了較大能量。因此，比較以空氣、淡水和海水為耦合介質(zhì)時縱波在鋼板中的反射系數(shù)，對提高海洋平臺水下鋼結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測中聲發(fā)射源的定位精度和故障特征分析具有一定參考價值。

通過比較表1、表2 和表3 可以發(fā)現(xiàn)在以空氣為耦合介質(zhì)，聲發(fā)射源進行一次激勵的情況下，1 號、2 號、4 號及5 號傳感器接收到多次聲發(fā)射事件;而以水為耦合介質(zhì)時，各個傳感器均只接收到一次聲發(fā)射事件。這是因為以水為耦合介質(zhì)時，聲發(fā)射波能量因折射而損失較大，經(jīng)多次反射后聲發(fā)射波幅值低于系統(tǒng)設(shè)置的門檻值而未被接收;而以空氣為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波能量較以水為耦合介質(zhì)時損失小，聲發(fā)射波經(jīng)多次反射后其幅值仍高于系統(tǒng)設(shè)置的門檻值而被接收。由表1、表2 和表3 還可以得到，以水為耦合介質(zhì)時傳感器接收到的聲發(fā)射波能量明顯低于以空氣為耦合介質(zhì)時傳感器接收到的聲發(fā)射波能量。

通過比較表2 和表3 可以發(fā)現(xiàn)海水鹽度對聲發(fā)射波幅值和能量影響很小。水的鹽度會對聲發(fā)射波在水中的傳播速度產(chǎn)生一定的影響，但對鋼結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射波幅值和能量影響較小。由圖5 和圖6 中的(b)、(c)也可以看出，淡水和海水為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波幅值及能量具有完全一致的變化趨勢。因此，在海洋平臺聲發(fā)射檢測中可以忽略海水鹽度的影響。

比較圖5 和圖6 可知，幅值和能量這兩個特征參數(shù)在以空氣和水為耦合介質(zhì)的情況下都隨聲發(fā)射波傳播距離的增加呈衰減趨勢［10］，并且傳播到一定距離后幅值和能量都逐漸趨于穩(wěn)定。由于頻散衰減、吸收衰減、散射衰減和擴散衰減等原因，聲發(fā)射波幅度和能量隨傳播距離的增加呈下降趨勢［11］。因此，以空氣為耦合介質(zhì)時，聲發(fā)射波幅值和能量隨傳播距離的增加也發(fā)生較大衰減。聲發(fā)射波傳播到鋼板上下表面時因反射與折射也會導(dǎo)致聲發(fā)射波幅值與能量隨傳播距離的增加呈衰減趨勢。水為耦合介質(zhì)時，因反射與折射造成的損失表現(xiàn)得更明顯。當(dāng)聲發(fā)射波在鋼板上下表面來回反射時，產(chǎn)生的縱波與橫波因耦合而形成Lamb波，而Lamb 波在本質(zhì)上是二維的，其衰減不如三維體波快［12-13］，因而可以傳播相當(dāng)長的距離，從而形成當(dāng)聲發(fā)射波傳播到一定距離后其幅值與能量趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。

在聲發(fā)射檢測中，首先依據(jù)有限元分析或使用情況確定出易損部位，將聲發(fā)射傳感器安裝在這些易損部位處。在損傷源附近聲發(fā)射波成分復(fù)雜，幅值和能量變化明顯，這些都將影響到對損傷性質(zhì)和程度的準(zhǔn)確識別。對海洋平臺聲發(fā)射檢測的研究可近似簡化為以水為耦合介質(zhì)時對鋼板中聲發(fā)射波傳播特性及其幅值和能量變化的研究。因此，比較空氣、淡水和海水為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波幅值及能量的變化，對海洋平臺聲發(fā)射檢測中聲發(fā)射波幅值、能量參數(shù)的修正具有一定參考價值，為有效利用成熟的陸地設(shè)備聲發(fā)射檢測技術(shù)提供參考。

3 結(jié) 語

通過精確控制聲發(fā)射源特性參數(shù)，研究了以空氣、淡水和海水為耦合介質(zhì)的情況下，聲發(fā)射波在鋼結(jié)構(gòu)傳播過程中信號的幅值和能量的變化，分析了在這兩種情況下聲發(fā)射波在鋼結(jié)構(gòu)中的傳播機制以及幅值和能量變化的原因。淡水和海水為耦合介質(zhì)時聲發(fā)射波幅值和能量較以空氣為耦合介質(zhì)時發(fā)生了明顯衰減，但海水鹽度對聲發(fā)射波幅值和能量幾乎沒有影響。上述實驗結(jié)果對海洋平臺水下鋼結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測中損傷程度的評判，以及聲發(fā)射信號閾值的設(shè)定和幅值、能量參數(shù)的修正具有重要參考價值，為海洋平臺水下鋼結(jié)構(gòu)在聲發(fā)射檢測過程中損傷源的精確定位以及損傷源特征的識別提供了理論和實驗依據(jù)。

［1］林 麗，趙德有.導(dǎo)管架海洋平臺聲發(fā)射信號識別系統(tǒng)［J］.無損檢測，2009，31(1):42-45.

［2］Roges L M.Detection and monitoring of cracks in structures，process vessels and pipe work by acoustic emission［J］.Institution of Chemical Engineers Symposium Series，Manchester，Engl，1986，97:201-214.

［3］李江全，焦敬品，何存富，等.基于小波變換和模態(tài)聲發(fā)射的管道中導(dǎo)波傳播特性的試驗研究［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2005 (4):14-16.

［4］孫成禹，張玉亮，萬學(xué)娟.平面波在粘滯性界面上的反射特征研究［J］.地球物理學(xué)進展，2007，22(2):609-616.

［5］吳 昊，張碧星，汪承灝.聲波在固體板中的多徑傳播及其時間反轉(zhuǎn)聲場［J］.聲學(xué)學(xué)報，2005，30(3):215-221.

［6］David W Greve，Irving J Oppenheim，Peng Zheng.Lamb waves and nearly-longitudinal waves in thick plates［ED/OL］.http:∥www.usrs.ece.cmu.edul ～dwglresearch/lamb.htmc.

［7］Joseph L Rose.Ultrasonic Wave in Solid Media［M］.Cambridge:Cambridge University Press，1999:101-103.

［8］楊國安.信號處理基礎(chǔ)［M］.北京:中國石化出版社，2012:62-65.

［9］陸基孟.地震勘探原理(下冊)［M］.北京:石油大學(xué)出版社，2001:155-167.

［10］Aggelis D G，Matikas T E.Effect of plate wave dispersion on the acoustic emission parameters in metals［J］.Computer and Structures，2012:17-22.

［11］孫立瑛，李一博，靳世久，等.液體載荷對聲發(fā)射波傳播特性的影響分析［J］.儀器儀表學(xué)報，2008，29(8):1617-1621.

［12］景永剛，張海燕，劉鎮(zhèn)清.板材厚度變化對Lamb 波透射系數(shù)的影響［J］.聲學(xué)技術(shù)，2006，25(1):26-29.

［13］Peter Cawley，David Alleyne.The use of lamb waves for the long range inspection of large structures［J］.Ultrasonics，1996(34):287-290.