华中科技大学机械科学与工程学院, 湖北 武汉 430074
针对Al5083纳秒激光划片过程中产生沟槽和凸起两种轮廓的问题, 研究了不同工艺参数下产生轮廓与映射声信号的关系。开展Al5083薄板纳秒紫外脉冲激光划片试验, 观察轮廓的微观形貌, 探究轮廓形成机制; 采集声发射信号, 小波包变换后分析声信号的差异性, 并开展支持向量机分析。微观观测结果表明, 凸起轮廓的成形机制包括熔融金属溅出受阻和凝固时产生的大量气孔。声信号分析结果显示, 沟槽轮廓对应的小波包分解系数的方差和包络面积显著高于凸起轮廓; 以小波包分解后的频谱为特征向量, 添加标签后使用高斯核支持向量机分类, 分类准确度达92.57%, 验证了小波包变换和支持向量机的结合在基于声信号的轮廓监测中的可行性, 为构建基于声发射的激光划片监测系统提供可行的技术路径。
激光划片 声发射 小波包变换 支持向量机 laser scribing acoustic emission wavelet packet transformation support vector machine
1 1.上海理工大学 材料与化学学院, 上海200093
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
3 3.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 结构陶瓷与复合材料工程研究中心, 上海 200050
SiCf/SiC陶瓷基复合材料在航空航天领域具有广阔的应用前景, 其界面层设计是研究重点。研究表明, 复合界面层可以有效提升陶瓷基复合材料的抗氧化性能, 但其对材料力学性能及损伤机制的影响尚不明确。本研究利用化学气相渗透法(CVI)制备得到具有BN及(BN/SiC)3复合界面层的小复合材料, 探究了复合界面层对SiCf/SiC复合材料失效机制的影响。基于两种力学加载实验结合声发射探测分析了两种界面层小复合材料的损伤过程。实验结果表明, 利用CVI制备的小复合材料界面结构清晰, 基体致密。两类小复合材料均具有SiCf/SiC陶瓷基复合材料的典型力-位移曲线, 不同界面层小复合材料损伤过程具有不同的力声特征。通过两类力学加载试验的声发射特征能够有效分析小复合材料各阶段损伤发展情况。本实验中BN及(BN/SiC)3复合界面层SiCf/SiC小复合材料最大承受载荷分别为139和160 N, 复合界面层小复合材料中的多层界面具有更强的偏转裂纹能力, 降低裂纹延伸至纤维的速度, 进而提高材料的力学性能。
复合界面层 小复合材料 单调拉伸 损伤分析 声发射 multilayered interfaces minicomposite monotonic tensile damage analysis acoustic emission
基于三点弯曲试验，研究了高吸水性树脂(SAP)混凝土缺口梁在不同加载速率下的损伤特性。采用声发射(AE)技术监测断裂损伤过程，通过荷载-裂缝张开口位移(P-CMOD)曲线计算峰值能量和累积能量的变化，采用RA-AF关联分析法对缺口梁损伤时释放的AE信号进行了损伤模式分析。试验结果表明：随着加载速率的增加，SAP混凝土强度增加，拉伸型裂缝的比例显著降低；而随着SAP含量的提升，相同加载速率下SAP混凝土的强度降低，拉伸型裂缝的比例呈先增加后降低的趋势，适当的SAP可以增加拉伸型裂缝的比例。研究结果可为SAP混凝土在工程中的实际应用提供参考。
高吸水性树脂 混凝土 内养护 三点弯曲试验 声发射 损伤演化 super absorbent polymer concrete internal curing three-point bending test acoustic emission damage evolution
1 河北工业大学土木与交通学院, 天津 300401
2 中交基础设施养护集团有限公司, 北京 100020
钢纤维混凝土(SFRC)中钢纤维方向对其力学性能有显著影响, 楼板、地坪、路面等工程中, 竖直方向的钢纤维有害无益, 钢纤维水平随机分布最为有利。为改善钢纤维混凝土结构的力学性能, 提高钢纤维的增强效率, 通过旋转磁场对基体中的钢纤维进行调控定向, 制备出水平定向钢纤维混凝土(2D-SFRC)。测试比较了2D-SFRC和随机乱向钢纤维混凝土(RD-SFRC)的劈拉性能、棱柱体试件和圆板试件的弯曲性能, 同时利用断面纤维分布特征和声发射技术揭示了水平定向钢纤维的增强机理。结果表明, 与RD-SFRC相比, 2D-SFRC的各项力学性能显著提升。钢纤维分布统计和声发射分析表明, 2D-SFRC力学性能提高的主要原因是, 断面纤维数量增加、纤维方向有效系数提高。水平定向钢纤维混凝土具有高性能和低成本的特点, 对于提高工程质量、节约材料具有重要意义。
钢纤维混凝土 二维定向钢纤维 力学性能 纤维分布 声发射 steel fiber reinforced concrete 2D - aligned steel fiber mechanical property fiber distribution acoustic emission
1 厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建 厦门 361005
2 中国福建能源材料科学与技术创新实验室，福建 厦门 361005
为了提高抗反射硅表面制备的加工质量、缩短研制周期，提出了一种基于时频域处理的面向激光加工过程的声波信号在线监测及分析方法。利用声信号的时频谱图分析了0~30 kHz内的声信号与激光烧蚀形成的表面微结构特征尺寸之间的相关性，具体分析了激光功率及加工次数对微结构深度及声信号各频率幅值变化的影响。以声信号作为输入，基于人工神经网络对加工质量进行预测。实验结果表明：通过监测激光加工时产生的声信号能够明确反映被烧蚀硅表面是否形成周期性微结构，且微结构宽度不同，其对应的声信号频率组成也不同。在微结构宽度固定的情况下，归一化后的声信号特征参数随微结构深度线性变化，且受到激光功率变化的影响忽略不计。以硅基表面5%的反射率作为加工质量分界线，采用人工神经网络对加工质量的预测结果与实际测量结果的准确率可以超过90%。结果表明：声波在线监测可以有效应用于评估表面加工质量，为抗反射硅表面制备过程的实时监测提供了理论依据。
表面光学 激光烧蚀 抗反射硅基表面 声发射信号 实时监测 人工神经网络
中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT), 其具有宽频带, 易与电子电路集成制作等优势, 在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征, 该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论, 由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性, 为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。
电容式微机械超声换能器 薄板振动 声场 声轴声压 指向性 声发射特性 CMUT thin plate vibration sound field axial sound pressure directivity acoustic emission characteristic
1 上海工程技术大学材料科学与工程学院, 上海 201620
2 中国科学院上海硅酸盐研究所集成计算材料研究中心, 上海 201899
由于热障涂层体系结构的复杂和服役环境的恶劣, 极易导致涂层发生界面分层、宏观断裂和剥落失效。首先利用声发射技术实时监测了热障涂层在三点弯曲载荷下的失效过程, 结合微观形貌特征、声发射参数分析、K-means聚类分析识别了热障涂层损伤失效模式。然后利用Fourier变换、小波包变换等分析了4种失效模式的波形特征, 其中宏观断裂或剥落失效信号无明显频带, 而基底变形、表面垂直裂纹、剪切型界面裂纹、张开型界面裂纹对应的频率分布范围分别在62.5~125.0 kHz、187.5~250.0 kHz、250.0~312.5 kHz、375.0~437.5 kHz。采用机器学习的方法对原位声发射信号进行了深度处理, 提取小波能量系数作为机器学习反向传播神经网络的特征向量, 结合收敛曲线、混淆矩阵、受试者工作特征曲线、F1值评价了该模型优劣性, 实现了对于热障涂层失效模式的判别, 为热障涂层失效预测和寿命评估提供参考价值。
热障涂层 三点弯曲 声发射 失效模式 反向传播神经网络 thermal barrier coating three-point bending acoustic emission failure mode back propagation neural network
河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 河海大学水利水电学院, 南京 210098
中国修建于20世纪的大批基础设施工程正逐渐达到高龄服役期, 随之带来了较突出的水泥基材料劣化问题。声发射作为一种材料在能量释放下所表现出的本征物理现象, 其蕴含的丰富信息为精敏感知材料及结构性态提供了有益基础。在简要阐述声发射感测基本原理与主要分析方法的基础上, 重点围绕水泥基材料的碱骨料反应、锈胀开裂、疲劳、冻融剥落等劣化行为, 评述了基于声发射现象进行水泥基材料劣化行为表征、性态判识评估、劣化致因剖析方面的研究现状, 考虑水工大尺度结构时变服役特征, 给出了声发射在水泥基材料劣化研究方面今后需着力加强的方向。
水泥基材料 劣化 表征 评估 声发射 cement-based materials degradation characterization evaluation acoustic emission
1 河海大学土木与交通学院, 南京 210098
2 南京水利科学研究院材料结构研究所, 南京 210029
3 浙江交工集团股份有限公司, 杭州 310051
为了揭示干湿界面状态下混凝土与环氧胶泥黏结损伤演化机理, 采用轴拉试验研究了环氧胶泥-混凝土复合体的黏结强度, 并通过声发射技术获得了复合体拉伸过程中振铃计数、b值以及声发射源空间位置, 分析了复合体黏结损伤的空间演化过程。通过数字图像相关法获得了干湿界面状态下复合体断裂表面的应变和位移损伤演变特征。结果表明: 干燥界面下黏结强度相比潮湿界面下高约60%。潮湿界面下混凝土-环氧胶泥的声发射源空间位置集中在界面处, 并在界面处形成1条规则的应变集中带, 表现出界面破坏特征; 而干燥界面下混凝土内部出现大量的声发射源, 断裂面存在多条不规则的应变集中带, 整体表现为混凝土基体破坏模式。
环氧胶泥 混凝土 干湿界面 黏结强度 声发射特征 表面应变 epoxy grout concrete dry-wet interface bonding strength acoustic emission characteristics surface strain
1 中国铁建投资集团有限公司, 北京 100085
2 西京学院陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室, 西安 710123
3 中铁建新疆京新高速公路有限公司, 乌鲁木齐 830022
为研究初始缝高比对钢纤维混凝土断裂性能的影响, 对三种不同初始缝高比(0.1、0.2、0.3)的钢纤维混凝土开展断裂韧性试验, 计算相关的断裂参数, 并借助声发射(AE)和数字图像法(DIC)分析了裂缝发展过程中AE能量和全场应变的变化规律。结果表明, 钢纤维混凝土的断裂韧性随初始缝高比的增大呈减小趋势, 当初始缝高比为0.3时钢纤维混凝土的断裂性能大幅下降。钢纤维混凝土的断裂过程可根据AE能量划分为弹塑性阶段、裂纹稳定扩展阶段和断裂阶段, 随初始缝高比增加, 弹塑性阶段持续时间减少。DIC分析结果表明, 在整个加载过程中, 预制裂缝尖端会产生较大的应力集中, 裂缝的横向应变较大。研究结果揭示了钢纤维混凝土裂缝发展机理, 可为其工程应用提供理论支持。
初始缝高比 钢纤维混凝土 断裂性能 声发射 数字图像法 initial notch-to-depth ratio steel fiber reinforced concrete fracture property acoustic emission digital image correlation
