风电塔筒上声发射信号的衰减研究

风电塔筒上声发射信号的衰减研究
张鹏林;姜宜成;王汝姣;李梅
【摘要】研究了声发射(AE)信号在风电塔筒中的传播衰减规律,测定了实际的距离衰减关系,并采用小波分析方法对所采集的AE信号进行分层分析.结果得出,AE信号在焊缝处较母材处明显,漆面对信号的传播距离有一定的影响,在塔筒中最远可达6 m;断铅信号通过焊缝的能量频段主要在d4和d3频段,断铅信号未通过焊缝的能量频段主要在d3和d1频段;低频信号在通过焊缝时能量急剧降低,漆面使低频信号和d3频段信号的能量有一定降低.以上结论可以作为现场塔筒动态监测中传感器的布置依据,并可以作为信号源分析和定位的参考条件.%We mainly study spread decay rule of acoustic emission (AE) signal in wind power tower drum,test real relation between distance and decay,and analyze collected AE with stratification by wavelet analysis.We have conclusion that AE at welding joint is more obvious than that at base metal;paint has some effect on propagation distance of signal,up to 6m in tower drum;energy frequency band of lead-break signals through welding joint is at d4 and d3,lead-break signals blocked before welding joint is at d3 and d1;energy of low frequency dramatically drops when travelling through welding joint;paint makes energy of low frequency signal and d3 frequency band lower.Above conclusions can be as basis of sensor during site tower dynamic monitoring,also be reference condition of signal source analysis and location.
【期刊名称】《甘肃科学学报》
【年(卷),期】2017(029)004
【总页数】5页(P101-105)
【关键词】风电塔筒;衰减;声发射;小波分析
【作者】张鹏林;姜宜成;王汝姣;李梅
【作者单位】兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050
【正文语种】中文
【中图分类】TK83
随着全球能源告急和环境恶化等问题的日渐突出，风能作为可再生清洁能源，已受到世界各国的广泛关注和大力投资[1]。

风电产业迅速发展的同时，风电塔筒的检测技术也越来越重要。

风电塔筒主要用于支撑机舱和叶片，它将机舱和叶片托举到所需的高度来获得足够的风能，从而使风机能够正常运转[2]。

对于在用设备的定期检验，声发射(AE，acoustic emission)技术可缩短停产时间甚至无需停产，节约了生产成本，所以AE技术具备用于风电塔筒动态监测的基本条件[3]。

AE技术对动态缺陷检测敏感，能够及时捕捉到缺陷萌生和扩展过程中的信息，可有效检测材料结构整体质量水平，评价缺陷的实际危害程度[4]。

AE技术应用于风电塔筒的检验方法研究中，有一个关键的问题需要解决，即声发射检测系统对微小信号的检测能力，除了系统本身的能力以外，还主要取决于探头
间距和检测门槛设置[5]。

门槛设置、探头间距布置的主要依据为现场背景噪声水平、缺陷，特别是裂纹源信号因衰减而引起的幅度降低到何种程度而不会引起漏检。

当声波在材料内部传播时，会随着距离的增加而逐渐衰减，衰减的程度关系到每个传感器可监视的距离范围，在源定位中成为确定探头间距的关键因素。

检测门槛越低，采集信息越多,但易受噪声的干扰，若门槛设置过低，通道将被信号流堵塞。

因此，研究信号衰减幅度和距离的关系显得尤为重要。

声发射波在介质的传播过程中，能量或幅度随着离开声源距离的增大逐渐降低的特点称之为声发射波的衰减[6]。

引起衰减的机制主要是：几何扩展、波的散射、材
料吸收以及其他影响因素[7]。

(1)波的几何扩展衰减。

从波源发出的声发射波会向不同方向扩展，随着传播距离
的增大，波阵面的面积随之变大，致使单位面积上的能量分布逐渐减少，幅度也会降低。

(2)散射衰减。

声发射波在传播中，当经过声阻抗不均匀的界面时，声发射波产生
不规则反射使原传播方向上能量减少的现象称之为散射衰减。

引发散射衰减的主要因素有晶粒粗大、气孔、夹杂物、异相物等。

(3)材料吸收衰减。

声发射波在传播时，受质点与质点之间的内摩擦以及热传导等
因素的影响，由于热弹效应，一部分声发射波的机械能被转变为热能等其他形式能量，使其幅度随着传播距离的增大成指数式下降。

(4)其他影响因素。

①频散，在某些构件中，不同频率的声发射波以不同速度传播
会产生频散效应，导致波形的分离或扩张，引起声发射波峰幅度的降低；②“泄露”，声发射波向相邻介质“泄露”亦会引起波幅度值的下降；③障碍物，如人孔、接管等障碍物同样会引起幅度的下降。

声发射波在实际结构中的衰减机制极为复杂，依据理论计算非常困难，只能通过试验探索衰减特性。

2.1 试验仪器与方案
试验采用由北京声华兴业科技有限公司生产的SAEU2S声发射系统，传感器采用35～100 kHz型谐振式传感器，采用Olympus-PMG3型光学显微镜观察试样的显微组织。

在平放的风电塔筒上，以一点作为断铅试验点，将探头平行放置于断铅试验点的2.5 m、5 m处。

试验前，进行声发射系统的调试过程，以确定声发射系统每个通道的连接正确性及灵敏度。

试验过程用国产HB铅笔芯断裂信号为模拟信号源，铅芯伸出约2.5 mm，与工件成30°夹角，距离传感器10 mm，三次断铅信号幅值的平均值即为该通道的灵敏度，当每个通道的响应幅值与所有通道响应幅值的平均值之差小于3 dB时符合要求。

试验开始后，记录各个探头的试验数据，变换探头位置，再次记录试验数据。

在塔筒表面焊缝左侧1 m、3 m、5 m、6 m、7 m处用球磨机打磨塔筒表面漆面，将Q345E钢暴露出来，打磨出大小为5 cm×5 cm 的正方形。

再次开始试验，记录各个探头的试验数据，变换探头位置，再次记录试验数据。

探头摆放实际情况如图1所示。

图1中O点处断铅，S1、S2为声发射信号传感器，传感器在一直线上，将采集到的信号进行分析处理，得到声发射在风电塔筒中的衰减特性。

2.2 声发射信号的衰减性能研究
以O点为声发射信号源，分别采集距离声发射源信号1 m、3 m、5 m、6 m、7 m处的幅值与能量数据，每组试验重复断铅3次，每次断铅尽量保持一个力度，以保证数据的可靠性。

声发射信号的幅值与能量数据如图2所示。

根据图2(a)和图2(c)可知声发射信号的幅值在经过焊缝时比无焊缝时衰减快；探头在母材时的衰减幅值比探头在塔筒漆面时衰减幅值降低的程度小；从数值上得出一条焊缝对幅值的影响大概在5～7 dB之间，一条焊缝对声发射信号的传输距离的影响为1 m左右。

根据图2中幅值曲线走势可以预测声发射信号的最远传播距
离，当探头在漆面时可以传播15 m，而当探头在母材时可以传播17 m。

根据图2(b)和图2(d)得出过焊缝的声发射信号能量衰减比无焊缝时快；探头在母
材时的衰减能量比探头在塔筒漆面时衰减能量降低的程度小；从数值上得出一条焊缝对能量的吸收在1 500 eu左右，一条焊缝对声发射信号的传输距离的影响为1 m左右。

根据能量图知，探头在漆面时声发射信号在6 m处能量几乎衰减完(过1条焊缝)，而探头在母材时声发射信号在7 m处能量几乎衰减完(过1条焊缝)。

O点是声发射信号源，距S1点10 mm，S1、S2、S3是声发射传感器，3个传感器在一条直线上，其中S1与S2的距离为1 m，S2与S3之间是环焊缝，且S2
与S3两个传感器紧靠在环焊缝两侧，环焊缝的宽度为3 cm，忽略S2与S3两个传感器之间的距离，传感器S3还存在焊缝衰减。

采集到的幅值与能量数据如表1
所列。

衰减率公式为
其中：Pi表示第i个传感器的幅值或能量，使用式(1)对表1中的数据进行计算得
出S2、S3的衰减率，再求平均值。

由计算可得，S2幅值衰减率为0.066，能量
衰减率为0.167；S3幅值衰减率为0.091，能量衰减率为0.281。

根据计算的衰减率可知，声发射信号在塔筒(无焊缝)之内的衰减较小，幅值与能量的降低量都较低。

母材衰减并不明显；声发射信号经过一条环焊缝之后衰减量很大，幅值与能量的数值大幅下降，其中能量参数比幅值下降更快。

焊缝是引发声发射信号衰减的主要因素。

S1、S2是声发射传感器，分别布置在内外侧的同一地方(S1在塔筒外侧，S2在塔筒)。

在塔筒内侧断铅，声发射信号源距离S2为10 mm，采集到的幅值与能量数据分别为：S1:90.5/4 765、89.9/4 472、91.8/4 814、88.4/4 232、90.2/4 678；S2:91.3/4 876、90.6/4 569、92.9/4 951、89.5/4 348、91.1/4 762。

声发射信号在发出后经过防腐层和金属母材后才被S1采集到，声波在传播过程中
被防腐层和金属母材吸收一部分，同时还会发生波的折射、漫射等，这引起了声发射信号的衰减。

由表2可知，S2到S1幅值和能量都降低很少，因此在距离很短的情况下，防腐层和漆面对声发射信号的衰减并不明显。

2.3 经小波变换后的声发射衰减信号分析
详细分析各个频段的声发射信号的衰减情况，对采集到的试验数据利用小波分析法[8]进行4层小波处理，观察其在不同频率段内的能量分布情况，其中小波基为db10。

根据传感器的频率范围，选取5段频段重构信号。

试验的5段频段的能量分布状况如图3所示。

从图3可以看出，AE信号在传播过程中，低频信号呈减弱趋势。

在断铅信号不通过焊缝的条件下，波衰减点信号主要能量集中在d3和d1频段，而当断铅信号通过焊缝时，衰减点主要能量集中在d4和d3频段。

塔筒外断铅信号能量变化小，这是由于在传输过程中传感器采集到的反射折射信号比较少。

塔筒内断铅信号能量变化大，这是由于信号要经过塔筒的内部漆面、母材和外部漆面才能被传感器采集到，其间波经过了多次反射和折射作用。

当探头布置在母材上时，进行小波分解后的信号如图4所示。

从图4可以看出，塔筒母材上断铅的AE信号在传播过程中，在不通过焊缝的情况下，低频信号(Ea)的能量减弱趋势很缓慢。

但是在过焊缝的情况下，低频信号(Ea)的能量急剧下降。

在断铅信号不通过焊缝的条件下，波的衰减点信号主要能量集中在d4和d3频段，而当断铅信号通过焊缝时，波的衰减点主要能量集中在d3和d1频段。

根据图4(a)和图4(c)得出漆面对低频信号和d3频段信号的能量比例降低起到了一定作用。

由图3、图4可知塔筒内断铅和塔筒外断铅以及是否过焊缝和探头摆放有无漆面，可得出不同方式的衰减AE信号在相同频率段内能量比例系数不同，因此可以将
AE信号经小波分解后的各层能量比例作为各个信号的特征值来进行表征，即可以
利用AE信号能量比例作为特征值来表征信号的差异性。

通过进行塔筒的AE信号衰减试验，并通过运用小波分析法对不同方式的衰减AE
信号在相同频率段内所占的能量比例系数进行提取，得到以下结论：
(1)AE信号在焊缝处的衰减较母材更加明显，漆面对信号的传播距离有一定的影响，且有效信号在塔筒中传递距离最远可达6 m，可以作为现场塔筒动态监测中传感
器的布置依据。

(2)不同方式的衰减AE信号在相同频率内所占的能量比例系数不同，断铅信号通
过焊缝的能量频段主要在第d4层和第d3层，断铅信号未通过焊缝的能量频段主
要在第d3层和第d1层，可以以此作为特征值来表征信号的差异性，并可以作为
信号源定位的参考条件。

(3)在信号通过焊缝的情况下，低频信号的能量比例急剧下降；而在通过漆面的情
况下，低频信号和d3频段的信号能量比例有一定的降低。

【相关文献】
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