近年來(lái)，家具行業(yè)在環(huán)保意識(shí)高漲、木材資源有效利用、適當(dāng)?shù)募庸た刂?、生產(chǎn)自動(dòng)化以及產(chǎn)品的[1]等觀念下，無(wú)損檢測(cè)之需求有增多的趨勢(shì)，只是在實(shí)用上仍有待進(jìn)一步研究。
聲發(fā)射技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外許多行業(yè)內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。家具是各種木質(zhì)材料的終端產(chǎn)品，其附加值，消費(fèi)者對(duì)其品質(zhì)也相對(duì)要求較為嚴(yán)格，再加上國(guó)際家具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，因此家具工業(yè)的發(fā)展，有賴(lài)于制造技術(shù)之提高及產(chǎn)品品質(zhì)之改善，因此結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)探討一下其在家具質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用前景是十分有必要的，在國(guó)內(nèi)中國(guó)臺(tái)灣國(guó)立中興大學(xué)對(duì)其進(jìn)行了研究[2]。
1 聲發(fā)射技術(shù)簡(jiǎn)介
聲發(fā)射，acousticemission,簡(jiǎn)稱(chēng)ae，是材料中局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[3]。聲發(fā)射技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，形象地講，就像醫(yī)生“聽(tīng)診”一樣，只不過(guò)醫(yī)生是用對(duì)人體進(jìn)行病情診斷，而聲發(fā)射是用傳感器對(duì)材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行故障或破壞檢測(cè)。
1.1 聲發(fā)射現(xiàn)象
聲發(fā)射是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。裂紋的形成和擴(kuò)展產(chǎn)生聲發(fā)射，是一種主要的聲發(fā)射源，一旦裂紋形成，材料局部地區(qū)的應(yīng)力集中得到卸載，即產(chǎn)生聲發(fā)射，如釋放的應(yīng)變能足夠大，就可產(chǎn)生聽(tīng)得見(jiàn)的聲音。實(shí)際上，裂紋在穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)，也能產(chǎn)生人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲音，這也是目前聲發(fā)射技術(shù)的主要研究范圍。
1.2 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理
聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理是利用耦合在材料表面上的傳感器將材料內(nèi)部聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),然后用電子設(shè)備將電信號(hào)進(jìn)行放大和處理,使之特性化,并予以顯示和記錄,從而獲得材料內(nèi)聲發(fā)射源的特性參數(shù).通過(guò)分析檢驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射儀器所得的各種參數(shù),即可知道材料內(nèi)部的缺陷情況.如果用多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng),還可以確定聲發(fā)射源即缺陷的具體部位[4]。
聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)一般由傳感器、前置放大器、信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成,如圖1所示：
2 聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用
獲取家具材料或構(gòu)件的聲發(fā)射信號(hào)源特征（源定位、破壞類(lèi)型，破壞程度等）是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到無(wú)損檢測(cè)中的主要目的之一，而獲取聲發(fā)射源特征的最可行方法是對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理和分析。聲發(fā)射技術(shù)對(duì)檢測(cè)瞬態(tài)不穩(wěn)定性是十分靈敏的，人們就是利用了這種靈敏性，對(duì)材料的斷裂或其它行為進(jìn)行分析和研究。
2.1 聲發(fā)射源的定位
聲發(fā)射源即破壞源，對(duì)破壞源進(jìn)行精確定位，從而做出及時(shí)有效的修補(bǔ)措施是聲發(fā)射技術(shù)的主要目的之一。
目前，聲源的定位方法很多，較常見(jiàn)的有：區(qū)域定位法和時(shí)差定位法[5]。
（1）區(qū)域定位法的定位結(jié)果是表示一定區(qū)域內(nèi)的缺陷，所以具有不確性，但該方法靈活且檢測(cè)范圍大。
（2）時(shí)差定位法是指將幾個(gè)傳感器按一定幾何關(guān)系放在固定點(diǎn)上，測(cè)定源聲波傳播到各傳感器的時(shí)差，將這些時(shí)差代入滿(mǎn)足該陣列幾何關(guān)系的方程求解，即可得到缺陷的位置坐標(biāo)，可分為線(xiàn)定位、面定位及三維定位等。
以的線(xiàn)定位舉例如下：
在一維空間放置兩個(gè)傳感器，如圖2，聲發(fā)射波從聲源q到達(dá)傳感器s1和s2的時(shí)間差為△t,聲速為v，根據(jù)幾何關(guān)系容易得到如下關(guān)系式：
由上式可見(jiàn)，聲發(fā)射源位于一條雙曲線(xiàn)上，即此雙曲線(xiàn)上所有的點(diǎn)離兩個(gè)傳感器的距離差相等，兩傳感器即為雙曲線(xiàn)的焦點(diǎn)。
2.2.聲發(fā)射信號(hào)的處理技術(shù)
總體來(lái)說(shuō)，ae信號(hào)處理方法可分為參數(shù)分析法和波形分析法[6]。
（1）常用的聲發(fā)射信號(hào)的表征參數(shù)主要有聲發(fā)射事件數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、聲發(fā)射振幅值、事件持續(xù)時(shí)間等。如圖3所示：
（2）波形分析方法是指對(duì)ae信號(hào)波形進(jìn)行記錄分析，理論上來(lái)說(shuō)，波形分析應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)定量分析的確的方法，因?yàn)樗寺暟l(fā)射事件的所有信息。如：我國(guó)學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)區(qū)別缺陷類(lèi)型，并判斷出裂紋的危害程度。
3.聲發(fā)射技術(shù)在家具質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用探討
3.1.聲發(fā)射技術(shù)與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的比較
通過(guò)以上介紹，我們知道ae檢測(cè)技術(shù)是判斷內(nèi)部損傷程度的一種新型動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比。其優(yōu)勢(shì)如下：
（1）適用范圍廣，幾乎所有材料在變形和斷裂時(shí)均產(chǎn)生聲發(fā)射聲發(fā)射；
（2）檢測(cè)靈敏度高，聲發(fā)射波來(lái)自缺陷本身，可以得到有關(guān)缺陷的豐富信息；
（3）可對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行精確定位，從而進(jìn)行及時(shí)有效的修復(fù)工作；
（4）對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感，可對(duì)缺陷的產(chǎn)生、擴(kuò)展、破壞進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的在線(xiàn)監(jiān)控，并據(jù)此評(píng)價(jià)缺陷的實(shí)際危害程度、結(jié)構(gòu)的完整性和預(yù)期使用壽命，因而適用于工業(yè)過(guò)程在線(xiàn)監(jiān)控及對(duì)可能出現(xiàn)的缺陷提前預(yù)警；
（5）對(duì)被檢工件的幾何形狀不敏感,適用于其它方法不能檢測(cè)的復(fù)雜形狀構(gòu)件等。
通過(guò)對(duì)聲發(fā)射技術(shù)特點(diǎn)的總結(jié)分析，我們可以預(yù)見(jiàn)其在家具質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用的適用性及實(shí)用性。
3.2.聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在家具行業(yè)中的應(yīng)用研究
如上述聲發(fā)射技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用所說(shuō)，就聲發(fā)射技術(shù)本身而言，它已日趨成熟；又如上述所歸納總結(jié)的特點(diǎn)可以看出其具有其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)難以匹及的優(yōu)勢(shì)，但由于各方面的原因，其在家具行業(yè)的應(yīng)用還尚為罕見(jiàn)，筆者總結(jié)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，認(rèn)為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在以下幾個(gè)方面有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值。
3.2.1傳統(tǒng)家具如:明清紅木家具等的無(wú)損鑒定評(píng)估
通過(guò)ae技術(shù)我們有望對(duì)流傳下來(lái)的名貴傳統(tǒng)家具的完整性,破損程度，破壞源等進(jìn)行無(wú)損鑒定，還可以根據(jù)其ae信號(hào)波形特征和參數(shù)特征對(duì)其進(jìn)行量化的等級(jí)劃分，即如完好無(wú)損，輕度損壞，嚴(yán)重?fù)p壞等。同時(shí)，有文獻(xiàn)報(bào)道，根據(jù)ae檢測(cè)技術(shù)還可以推測(cè)材料或構(gòu)件的剩余壽命，因此，推算已經(jīng)有一定使用年限的名貴家具的剩余壽命也是我們可預(yù)見(jiàn)的，以求對(duì)這些家具進(jìn)行更好的維修與防護(hù)。
例如，對(duì)一把明代黃花梨圈椅進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)以上聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，理論上只要安置足夠多的高靈敏度傳感器，就能通過(guò)分析ae檢測(cè)所反應(yīng)的信號(hào)特征對(duì)其損傷部位進(jìn)行定位，同時(shí)對(duì)其完整性以及損傷程度進(jìn)行鑒定，對(duì)其剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。
3.2.2完善現(xiàn)代家具質(zhì)量量化檢測(cè)體系
根據(jù)現(xiàn)有家具行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前我國(guó)的家具質(zhì)量力學(xué)性能檢測(cè)主要還是依靠人工來(lái)定性觀察破壞試驗(yàn)后家具是否出現(xiàn)明顯裂痕，構(gòu)件是否脫離或松動(dòng)，尺寸是否變化[9]等等，這需要有足夠?qū)I(yè)知識(shí)的工作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去評(píng)定，而且不同的人由于主觀的因素所得出的結(jié)果也不同。從聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及已經(jīng)應(yīng)用的領(lǐng)域可以看出其在量化缺陷評(píng)定方面有其的優(yōu)勢(shì)，許多研究已經(jīng)表明，在材料斷裂很早之前就產(chǎn)生聲發(fā)射，聲發(fā)射技術(shù)能靈敏的檢測(cè)動(dòng)態(tài)裂紋的起始點(diǎn)，同時(shí)聲發(fā)射的發(fā)生率隨著時(shí)間而變化，裂紋的擴(kuò)展速率與聲發(fā)射振幅總和存在一定的關(guān)系，不同的裂紋長(zhǎng)度所得到的ae信號(hào)也有所不同且具有一定的規(guī)律[10][11]等等，因此應(yīng)用ae檢測(cè)技術(shù)使得對(duì)家具力學(xué)性能的量化檢測(cè)評(píng)定成為可能，同時(shí)可以比較準(zhǔn)確的檢定家具的有效使用壽命。
3.2.3家具板材的各種力學(xué)性能檢測(cè)
材料的力學(xué)性能是材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性評(píng)估的重要參數(shù)，同時(shí)也有助于預(yù)測(cè)其剩余壽命，因此各種板材的力學(xué)性能強(qiáng)度是家具質(zhì)量好壞的基礎(chǔ)。近年來(lái)，聲發(fā)射技術(shù)在家具行業(yè)方面的應(yīng)用研究已經(jīng)涉及到對(duì)各種家具板材進(jìn)行力學(xué)性能的檢測(cè)，如徐慧等人在2004年對(duì)多種木材及木制品加載進(jìn)行ae檢測(cè)等。
3.2.4木材干燥過(guò)程的自動(dòng)化控制以及機(jī)械加工監(jiān)測(cè)
木材的干燥質(zhì)量及切削質(zhì)量對(duì)于家具的整體質(zhì)量有著尤為重要的影響，因此將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于木材木材干燥與機(jī)械加工方面也是十分必要的。在干燥過(guò)程中,木材內(nèi)部會(huì)在溫度變化的情況下產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而釋放應(yīng)變能,因此產(chǎn)生大量的ae信號(hào)。將*的信號(hào)分析技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合,深入研究干燥過(guò)程中木材含水率、變形和開(kāi)裂與ae特征參數(shù)之間的關(guān)系,建立模型,基準(zhǔn)和工藝參數(shù)便可以自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整,從而使得整個(gè)干燥過(guò)程得以自動(dòng)監(jiān)控。通過(guò)切削過(guò)程中產(chǎn)生的ae信號(hào),研究切削狀態(tài)、含水率等對(duì)聲發(fā)射的影響,可實(shí)現(xiàn)控制切削過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生和對(duì)刀具損耗情況的監(jiān)測(cè)。而事實(shí)上，國(guó)內(nèi)外科研人員也早已開(kāi)始了在這方面的研究，例如：r.honeycutt等人利用聲發(fā)射技術(shù)，特別是ae計(jì)數(shù)率控制紅橡的窯干速率等。
3.3.ae技術(shù)的檢測(cè)裝置及基本應(yīng)用程序
ae技術(shù)的主要檢測(cè)裝置如圖4-圖9。其基本應(yīng)用步驟首先是準(zhǔn)備工作，確定傳感器陣列，并放置好各傳感器，保證良好的耦合；然后是檢查接好的線(xiàn)路，并設(shè)定條件；接著是校準(zhǔn)檢測(cè)的系統(tǒng)并除去干擾噪聲；再接著就可以進(jìn)行檢測(cè)和信號(hào)收集了，最后處理信號(hào)、評(píng)定結(jié)果，并出具檢測(cè)報(bào)告[12]。
4.結(jié)語(yǔ)
聲發(fā)射是材料破壞的現(xiàn)象，是材料內(nèi)部狀態(tài)的真實(shí)反映，而且聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在材料和構(gòu)件的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面是其他無(wú)損檢測(cè)方法*的,所以筆者相信聲發(fā)射技術(shù)定將成為家具質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的有效手段。
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