 Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2013, 3, 73-78 http://dx.doi.org/10.12677/ag.2013.32011 Published Online April 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ag.html) Study on the Characteristics of Acoustic Emission Signals Transmitted through Waveguide Rod in a Simulation of Deep Well Water Feng Wang1, Zhen Lv1, Bing Liu1, Chong Chen1, Xiangbin Kong2, Musen Li1,3 1Shandong Engineering Research Centre for Superhard Materials, Zoucheng 2Zoucheng Seismological Bureau, Zoucheng 3School of Materials Science and Engineering, Shandong University, Jinan Email: wzzf_cn@163.com Received: Jan. 21st, 2013; revised: Feb. 25th, 2013; accepted: Mar. 6th, 2013 Copyright © 2013 Feng Wang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The waveform and spectroscopy characteristics of acoustic emission signals generated by the broken lead tests through the cylindrical rod shape of waveguide in a simulation of deep well water have been studied in this article. The attenuation regulations of the acoustic emission signals in the water-acoustic coupling system have also been dis- cussed. The results show that the maximum amplitude, duration time, ringing count and energy of the acoustic emission signals through the cylindrical rod waveguide in the simulation of deep well water were lower than that of the acoustic emission signals only through the waveguide rod. The former signals show an obvious frequency dispersion phenome- non and its frequency band energy is mainly in the fourth and fifth bands. Keywords: Acoustic Emission Signal; Simulation of Deep Well Water; Waveguide Rods; Time-Domain Waveform; Frequency-Domain Spectroscopy 在模拟深井水中经波导杆传播的声发射信号特征研究 王 风1，吕 震1，刘 兵1，陈 冲1，孔祥斌 2，李木森 1,3 1山东省超硬材料工程技术研究中心，邹城 2邹城市地震局，邹城 3山东大学材料科学与工程学院，济南 Email: wzzf_cn@163.com 收稿日期：2013 年1月21 日；修回日期：2013年2月25 日；录用日期：2013 年3月6日 摘 要：本文对由断铅产生的声发射信号在模拟深井水中经圆柱形波导杆传播的波形、波谱特征进行了实验研 究，并探究了声发射信号在水–声耦合系统中的衰减规律。结果表明，在模拟深井水中经波导杆传播的声发射 信号比单一波导杆传播声发射信号的最大幅值、持续时间、振铃计数、能量等均相应减小，而且声发射信号发 生明显的频散现象，其频率段能量主要分布在第四、五波段。 关键词：声发射信号；模拟深井水；波导杆；时域波形；频域波谱 1. 引言 地震因其频发性和破坏性，成为人类面临的严重 自然灾害之一。但是，人类至今尚未完全掌握地震的 孕育和发生规律，地震预报仍然是国际上未能攻克的 重大科学难题。因此，研究新的地震活动信息实时采 集方法，对地震活动信息进行科学表征、计算和分析， Copyright © 2013 Hanspub 73  在模拟深井水中经波导杆传播的声发射信号特征研究 探索地震的孕育和演变规律，为地震的短临预报提供 科学依据和定量判据，具有十分重要的现实意义。邹 城市地震局 2004 年在岳庄建立了一个地震监测站， 该站主要由一口深 800米水井改造而成，处于峄山断 裂带的支一和支二小断层间。自2004 年以来积累的 大量水位监测资料显示，该井所记录到的水位固体潮 曲线规律性比较好，对地下应力响应灵敏，且有较好 的放大功能。课题组拟以此深井井水作为耦合介质， 基于水–声耦合方法和合理的波导杆，通过联接区域 地质结构与声发射传感器，采用声发射动态无损检测 技术建立新型地震波实时监测、采集和处理系统。在 前期实验阶段，实验室在模拟深井水中，通过波导杆 进行了声发射信号传播的基本特征实验研究，为水– 声耦合法检测地震波信号奠定了重要的实验依据。 2. 实验原理和方法 2.1. 声波在波导杆中的传播 在声发射检测中，对于高温高压、特殊器具、液 态物质等，不能直接将传感器耦合到其表面进行检 测，采用波导杆辅助检测技术可以完成声发射检测 [1-4]。选用的波导杆长度L与直径 d的比值应大于 10， 同时材料均匀且各向同性，并服从虎克定律。在波导 杆一端施加的声信号产生的振动位移很小，在纵向振 动时，波导杆的端面保持为平面，应力均匀分布在每 一个截面上。因此，波导杆可以认为是一个有限长细 杆，满足纵波在细杆中的传播方程[5]： 22 2 0 2 u C tx 2 u (1) 式中 u是声能，t是传播时间，x是传播距离，C0是常 数。 声波在细杆中传播时，声波能量的一部分将通过 内摩擦、热传导及散射等物理过程转化为热能。因此， 波在传播中其强度和振幅都将逐渐减小。声波沿 x轴 传播一段距离x后，平面波的振幅、强度分别按下式 衰减[6]： 0 x A Ae (2) 2 0 x IIe (3) 式中 A0、I0、α均为常数。 声波在传播过程中，随着波导杆长度的变化，通 过垂直于波传播方向任意截面dS时声波的能量流为 [6]： d ss pIS d (4) 对其取时间的平均值，可以得到声波的平均能量 流表示式为： d S I S (5) 对于简谐波而言， 22 1 2 I uA (6) 国际单位是 W/m2。 在波导杆端面进行断铅实验，产生的平面简谐波 以速度 μ在波导杆中传播，则垂直于传播方向的某一 截面的平均能量流为： 22 1 2 PISA S (7) 式中 ω为声波的角速度。 对于截面半径为 r的圆柱型波导杆而言，截面积 S = πr2，则声波在到达某一截面的振幅为： 12 π P Ar (8) 由式(8)可以看出，在平均能量流 P一定的情况 下，声波到达某一截面时其振幅与波导杆的半径 r、 声波的角速度ω成反比。 2.2. 模拟深井水–声耦合实验 本实验采用直径0.5 mm的铅芯，铅芯伸出长度 为2.5 mm，铅芯端与波导杆或模拟深井井壁成 30˚夹 角，然后均匀用力压断铅芯。断铅产生的声信号沿着 波导杆传递，并被声发射传感器接收、记录。假如每 次断铅所产生的声信号能量相同，由式(2)、(3)、(8) 可以推出声信号经过波导杆传递到达某一截面时的 幅值、波强。波导杆越长，声波被吸收的能量就越大， 声波到达某一截面时的幅值、波强就越小。 本实验所用波导杆均为直径25 mm 的45#钢，长 度分别为20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm。传 感器为北京声华兴业科技有限公司生产的 SR150 M 型压电陶瓷传感器，前置放大器为增益 40 dB，采用 Copyright © 2013 Hanspub 74  在模拟深井水中经波导杆传播的声发射信号特征研究 Copyright © 2013 Hanspub 75 部分完成：一是单一采用波导杆进行检 测， 、经波导杆传播的断铅声 发射 杆一端与传感 器耦 m、 80 c 采集的声发射信号进行小波 分析 由表 数据(多次实验重复 性较 DS2-8A型全波形声发射检测仪进行声发射信号的记 录和分析。 实验分两 均相应减小。而随波导杆入水深度的增加，波形数据 只呈现略微增加的趋势，这是由于波导杆与水之间的 接触面积增大的缘故。由图2(a)、图 3(a)可以看出， 两种对比的实验波形相近，说明在水–声耦合系统中 能够有效接收到经模拟深井水传播的声发射信号。 波导杆的一端与声发射传感器耦合，在另一端的 端面圆心处进行断铅；二是采用不同长度的圆柱形波 导杆，在模拟深井水条件下进行声发射信号检测，模 拟试验装置如图 1所示。 为确定在模拟深井水中 模拟深井水中经波导杆传播的断铅声发射信号 与单一波导杆传播的断铅声发射信号，其波形都表现 为典型的突发型信号。前者波形较后者波形在时间轴 上衰减较快，这是由于经单一波导杆传播的波形有纵 波和横波，纵波在前横波在后，横波和纵波之间有一 个到时差(图2有标注)，声信号较为完整。而模拟深 井水中经波导杆传播的断铅信号只有纵波，故表现为 时间轴上幅值低、衰减快。 信号基本特征，将直接在长度为 20 cm 波导杆一 端面圆心的断铅声发射信号特征参数作为对比参照， 以此对比分析模拟深井水条件对直接检测的断铅声 发射信号的影响[7]。具体实验如下： 1) 将直径 25 mm、长 20 cm的波导 合，在其另一端的端面圆心处进行断铅，然后记 录声发射信号的波形，并提取相关的波形参数。 2) 在将直径 25 mm、长度分别为 40 cm、60 c 3.2. 声发射信号的频谱特征 由图 2(b)、图 3(b)可以看出，模拟深井水中经波 导杆传播的断铅声发射信号发生了明显频散现象。而 经单一波导杆传播的断铅信号则不明显。这与模拟深 水井环境较为复杂有关，因断铅信号在水和井壁、水 m、100 cm的波导杆放进模拟深水井的井筒中， 波导杆水面以上部分为20 cm，波导杆水面以下部分 分别为 20 cm、40 cm、60 cm、80 cm，并使传感器保 持距断铅产生的声源 100 cm。在模拟水井底部圆周固 定一位置进行断铅，然后记录声发射信号的波形，并 提取相关的波形参数。 3) 用Matlab 软件对 ，并作出时域波形和频域波谱图，进行波形特征 的纵向和横向比较。 3. 实验结果与分析 3.1. 声发射信号的波形特征 1断铅实验采集的波形 好)可知，与直接经单一波导杆传播的断铅声发射 信号相比，模拟深井水中经波导杆传播的断铅声发射 信号波形的最大幅值、持续时间、振铃计数、能量等 Figu r e 1. Exp er ime nta l ap pa rat us of ac ou sti c em iss ion si gn als trans- mitted through waveguide rod in a simulation of deep well water 图1. 模拟深井水经波导杆传播声发射信号的实验装置示意图 Table 1. Characteristic parameters of acoustic emission signals transmitted through waveguide rod in a simulation of deep well water 波导杆长度/(cm) 幅度(mV) 上升计数 能量(mV·mS) 表1. 模拟深井水中经波导杆传播的声发射信号特征参数 持续时间(uS) 上升时间(uS) 振铃计数 20( 铅) 波导杆端面圆心断 9550.79 35367.67 285.33 771 35 24635.08 40 462.34 4084.67 29.00 78 3 276.31 60 535.89 6395.33 490.33 203 35 509.09 80 533.45 7588.00 409.33 174 14 524.13 100 545.65 10978.00 411.33 609 32 875.91  在模拟深井水中经波导杆传播的声发射信号特征研究 (a) (b) Figure 2. Time-domain waveform (a)f section when the length of the and frequency-domain spect roscopy (b) of break lead on center o waveguide rod is 20 cm 图2. 20 cm波导杆端面圆心断铅的时域波形(a)和频域波谱(b) (a) (b) Figure 3. Time-domain waveform (a) aence of bottom when the length of 波导杆界面会形成多次 射信号的频率段能量分布 在50~200 kHz 近似部分，反映了声发射信号的变化趋势；而 d1~d6 频成分的组成和变化规 [8] 量主 一波导杆传播声发射信号的最大幅值、持续时间、振 nd frequency-domain spectroscopy (b) of break lead on circumfer the waveguide rod is 40 cm in a simulation of deep well water 图3. 模拟深井水中经 40 cm波导杆传播井底断铅的时域波形(a)和频域波谱(b) 和反射或折射，改变了波的频 层为细节部分，反映了信号高 率。而断铅信号的波速依赖于波的频率，从而导致信 号的幅频和功率谱展宽，在幅频谱图上则表现出波的 频散。 3.3. 声发 由图 2、图 3可以看出，声发射信号频率 范围内的幅值较高，但不能分清某个频率下信号 的幅值情况。应用Matlab 软件的小波分析程序，采用 小波函数db5 对断铅声发射信号进行 6级小波分解， 可以看到声发射信号在某个时间段、频率段上幅值变 化情况。在各分解尺度中，每个尺度的信号都表示一 定频率范围内的信号。其中，a6为信号的第 6层低频 律。图 4为20 cm波导杆端面圆心断铅产生的声发 射信号在各尺度下分解的重构波形信号及其所对应 的频谱、频段能量。图 5为在模拟深井水中经波导杆 传播声发射信号经分解后的各频带所占能量比例。 在图 5中，1~7分别代表分解信号 a6 和d1~d6。 可以看出，不同尺度下分解信号所占的能量不同。单 一波导杆端面圆心断铅产生的声发射信号的频率段能 要集中在第四波段；而模拟深井水经波导杆传播 的声发射信号频率段能量主要集中在第四、五波段。 4. 结论 1) 在模拟井水中经波导杆传播声发射信号比单 Copyright © 2013 Hanspub 76  在模拟深井水中经波导杆传播的声发射信号特征研究 (a) (b) (c) Figure 4. Reconstructed waveform (a), spectroscopy (b) and fre- quency band energy (c) of wavelet decomposition signal of break lead on center of section when the length of the waveguide rod is 20 cm 图4. 20 cm波导杆端面圆心断铅 发射信号经小波分解后各尺度 的重构波形(a)、频谱 (b)、频段能量(c) 声 (a) (b) (c) Figure 5. Frequency band energy of wavelet decomposition signal in each scale of acoustic emission signals transmitted through dif- ferent waveguide rod in a simulation of deep well water: (a) 40 cm; (b) 60 cm; (c) 80 cm 图5. 模拟深井水中不同长度波 传播声发射信号经小波分解后 各尺度的频段能量：(a) 4；(b) 60 cm；(c) 80 cm 导杆入水深度的增加，波形数据呈现略微增加的趋 势， 2) 在模拟深井水中经波导杆传播声发射信号发 导杆 0 cm 铃计数、能量等均相应减少。在模拟深井水中，随波 这是波导杆与水之间接触面积增大的缘故。 生明显的频散现象，这是由于信号在水和井壁、水和 波导杆界面会形成多次反射或折射所致。 Copyright © 2013 Hanspub 77  在模拟深井水中经波导杆传播的声发射信号特征研究 Copyright © 2013 Hanspub 78 率段 . 波导 杆对声发射信号的影响[J]. 无损检测, 2006, 1-52. [2] 袁振明. 声发射技术及其应用[M]. 北京: 机械工业出版 1985. 报, 2006, 30(5): 65-68. olution for leakage detection and location on water pipe- 杆中声发射源传播特性实验研究[J]. 化 变换在 应用 3) 在模拟深井水中经波导杆传播声发射信号频 [3 能量主要集中在第四、五波段；而单一波导杆圆 心断铅产生的声发射信号频率段能量主要集中在第 四波段。 参考文献 (References) [1] 蒋仕良 28(1): 5 [8] 社, ] 李善春, 戴光等. 波导杆中声发射信号传播特性实验[J]. 大 庆石油学院学 [4] M. Fantozzi, E. Fontana. Acoustic emission technique the opti- mum s lines. 15th World Conference on Nondestructive Testing, Rome, 15-21 October 2000. [5] J. L. 罗斯, 著, 何存富, 吴斌, 王秀彦, 译. 固体中的超声波 [M]. 北京: 科学出版社, 2004. [6] 张海澜. 理论声学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007. [7] 李伟, 郭福平. 波导 工机械, 2007, 34(4): 179-183. 张平, 施克仁, 耿荣生等. 小波 声发射检测中的 [J]. 无损检测, 2002, 24(10): 436-439, 442. |