不同温度的水对海洋平台声发射传播特性的影响

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在全球能源需求不断增长和石油价格居高不下的背景下，各国都将 目光转向蕴藏着巨大能源储备的海洋。海洋平台作为开发海洋资源的重要装备正被广泛应用于海洋石油资源的开发。由于海洋环境的随机性及海洋平台的复杂性，海洋平台及其附件发生损坏，甚至倾覆事件时有发生，其主要原因为常用的无损检测无法及时发现海洋平台潜在的结构危险。声发射检测技术因其 自身的特点能对海洋平台实施实时监测，对降低危险、减协济损失具有重要意义 。

幅值和能量是评价钢结构损伤程度的重要声发射参数。Aggelis等 运用仿真软件，研究了声发射波在卞中传播时其幅值与传播距离间的变化趋势 ；李江全等 研究 了声 发射技术检 测管道时 ，管道受不同结构特征和材料本身的影响而产生的衰减；龚仁荣等 利用 Gabor小波时频分析对声发射源进行平面定位，并研究了弹性波在卞中的传播特性；梁宏宝等 研究了温度对声波在钢中传播速度的影响。上述研究都是针对空气环境中钢结构的声发射检测，未研究水对声发射检测的影响。

针对陆地设备的声发射检测技术比较成熟，而收稿 日期 ：2012～07-23基金项 目：国家 自然科学基金(50875016)第-作者：男，1990年生，硕士生通讯 联系人E-mail：ygapublic### 163.COB海洋平台水下钢结构的声发射检测技术研究不足的现象，本文重点研究以空气和不同温度的水为耦合介质时声发射波幅值和能量与传播距离间的关系，从而为针对海洋平台的声发射检测提供理论和实验依据。

1 实验装置1.1 声发射系统实验使用的采集软件为AewinTM。数据采集卡参数设置分别为：前置放大器增益 40 dB，采样频率2.5 MHz，采样长度 8 k，门槛值 45 dB 整套声发射采集系统如图 1所示。信号发生软件采用 PAC基于 Windows系统开发的专用软件 WaveGen，该软件可以通过设置波形参数产生任意符合实验要求的声发射源信号♂合传感器性能特性曲线，本实验所采用的声发射源信号波形参数为：频率 135 kHz，上升时间40 s，下降时间 160 s，峰值 80 dB。

图 1 声发射采集 系统示 意图Fig.1 Schematic view of the acoustic emissionacquisition system1.2 传感器布置实验采用尺寸为 800 mm×800 mm×30 mm的钢板，钢板材料为低碳钢，传感器在钢板上布置如图2～3所示。鉴于海水温度不高于 35℃，实验水温选为 22℃(常温)、30℃和 35℃。实验共用到 8个传感器，其中s0为模拟声发射源激励传感器，型号北京化工大学学报(自然科学版)之四之趔之迥L - - - 时间/ s(a)1号传感器波形- . - - 时间 /s(c)3号传感器波形.u-II··-.--- I1rw - 1 --时间/us(e)5号传感器波形之j四馨之迥粤、 趔- - . . . - 1r-- 时间 / s(b)2号传感器波形I .- - 。r- -。- -时间 /(d)4号传感器波形时间/(f)6号传感器波形 . -.. 。

1r'r丫 -时间 ，s( 7号传感器波形图 5 22℃水为耦合介质时声发射波的时域波形Fig.5 Waveforms of acoustic emissions wave in water at 22℃ as the coupling medium钢板上下表面会发生多次反射、折射和波形转换，使得平面纵波在钢板中沿着多个路径传播，即固体板中存在多径效应 。当平面纵波入射到钢板表面边界时，会产生反射回波及折射波，由 Snel定律可以求 出反射角和折射角。

图6为耦合介质为空气和水时，声发射波在固(a)空气为耦合介质空气水(b)水为耦合介质图6 声发射波传播模型Fig.6 Propagation model of acoustic emission wave体中的传播模型 。从图 6可以看出，随着传播距离的增加，声发射波在钢板上下表面不断发生反射、折射和波形转换 ，在钢板表面产生反射回波。随着传播距离的增加，声发射波在侧面和上下表面反射次数不断增加 ，使得声发射波不断被展宽。

2.2 声发射波的特性参数表 1列出了以空气、22℃水和 3O℃水为耦合介质，声发射源进行-次激励时，接收传感器接收到声发射波的相关特性参数及事件数。表 1中幅值计算公式如式(1)所示，能量是-个无量纲量，可以通过包络和积分求得。

÷ (1)1t./U 式(1)中： 为幅值，dB；V为电压峰值， V。

由表 1可以看出在以空气为耦合介质，声发射源进行-次激励的情况下，1号、2号、4号及 5号传感器接收到多次声发射事件；而以水为耦合介质时，各个传感器均只接收到-次声发射事件。当声发射第 3期 沈 江等：不同温度的水对海洋平台声发射传播特性的影响1233O℃水 46波入射到不同介质的交界面时，界面对波的传播具有重要的影响。-般情况下，在固体介质的表面会发生波形转换、传播方向的改变和能量的再分配。

比较图6中两种耦合介质的情况可知，声发射波在固体-液体界面传播时除发生反射外还有折射现象。在固体-液体界面因折射纵波的产生而加大了钢板中声发射波能量的衰减。文献[10]采用作图法给出了-些反射系数的曲线实例。由反射系数曲线可以得到反射系数随着两种介质波阻抗差的减小而减校例如当纵波入射角为 10。时，由反射系数曲线可以查得固体-液体界面纵波反射系数约为0.7，而根据固体-空气界面纵波反射系数公式 计算纵波反射系数为 0.9595。上述两种不同界面所得到的纵波反射系数可以说明声发射波在固体-液体界面因折射损失了较大能量。因此，以水为耦合介质时，声发射波能量因折射损失较大，经多次反射后声发射波幅值低于系统设置的门槛值而未被接收；而以空气为耦合介质时声发射波能量较以水为耦合介质时损失小，声发射波经多次反射后其幅值仍高于系统设置的门槛值而被接收。此外，由表 1还可以得到，以水为耦合介质时传感器接收到的声发射波能量明显低于以空气为耦合介质时传感器接收到的声发射波能量。

通过比较表 1中22℃水和30℃水的幅值及能量可以发现，温度对声发射波幅值和能量影响较校当环境温度变化时，金属材料中声波的特征参数如声速会发生变化 。随着温度的升高，声波的传播速度降低，探头、耦合剂、被检材质等都会受到-定的影响 ，从而使声发射波在不 同水温时具有 不同的幅值和能量。水温对声发射波幅值和能量影响很小但对声速影响较大，因此，在以幅值和能量为主要特征参数的声发射检测中可以忽略水温的影响，但对于利用声速进行声发射源定位的声发射检测中则应考虑水温的影响。

在声发射检测中，首先依据有限元分析或使用情况确定出易损部位，将声发射传感器安装在这些易损部位处。在损伤源附近声发射波成分复杂，幅值和能量变化明显，这些都将影响到对损伤性质和程度的准确识别。对海洋平台声发射检测的研究可近似简化为以水为耦合介质时对钢板中声发射波传播特性及其幅值和能量变化的研究。因此，比较空气及不同温度的水为耦合介质时声发射波幅值和能量的变化，对以水为耦合介质的情况下声发射波幅值、能量参数的检测修正具有-定参考价值，为有效利用成熟的陆地设备声发射检测技术提供参考。

3 结论(1)水为耦合介质时，声发射波幅值和能量比以空气为耦合介质时损失大，因此 ，在海洋平台声发射检测中应合理设置声发射信号阈值并对测量信号进行修正。

(2)22℃到 35 c范围的水温对钢结构中声发射波幅值和能量几乎没有影响，但对声速影响较大。