声发射教材

声发射技术培训教材北京科海恒生科技有限公司1第一章概论1.1声发射技术概念声发射技术（AET—AcousticEmissionTechnique），是一种新兴的动态无损检测技术，其涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释与评定等基本概念，基本原理如图1-1所示。信号放大信号处理记录与显示解释与评定传播声电转换声发射源图1-1声发射技术基本原理声发射（AE—AcousticEmission,），是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象,这种现象叫声发射。在应力作用下，材料变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，通常称为传统意义上或典型的声发射源。另外，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，称为其它或二次声发射源。声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，可包括数Hz到数MHz；其幅度从微观的位错运动到大规模宏观断裂在很大的范围内变化；按传感器的输出可包括数V到数百mV。不过，大多数为只是使用高灵敏的传感器（Sensor）或称探头，才能探测到的微弱振动。目前，用最灵敏的传感器，可探测到约为1011mm表面振动。声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检物体的表面，引起表面的机械振动。经耦合在被测物体表面的声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号，声发射信号再经放大、处理后，形成其特性参数，并被记录与显示。最后，经数据的解释，评定出声发射源的特性。声发射检测的主要目标是：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以准确确定缺陷的性质与大小。1.2声发射技术的特点与其它无损检测方法相比，声发射技术具有两个根本的差别：①检测动态缺陷，而不是检测静态缺陷，如缺陷扩展；②缺陷本身发出缺陷信息，而不是用外部输入对缺陷进行扫查。这种差别使得该技术具有以下优点和局限性。优点：（1）可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷。由于提供缺陷在应力作用下的动态信息，适于评价缺陷对结构的实际有害程度；（2）对大型构件，可提供整体或大范围的快速检测。由于不必进行繁杂的扫查操作，而只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或试验过程，就可确定缺陷的部位，从而易于提高检测效率；（3）可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；2（4）由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；（5）由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。局限性：（1）声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰，因而，对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验，（2）声发射检测，一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要特作准备；（3）声发射检测所发现缺陷的定性定量，仍需依赖于其它无损检测方法。由于上述特点，现阶段声发射技术主要用于：①其它方法难以或不能适用的对象与环境；②重要构件的综合评价；③与安全性和经济性关系重大的对象。因此，声发射技术不是替代传统的方法，而是一种新的补充手段。1.3声发射技术发展概述声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象，尽管无法考证人们何时首次听到声发射，但逐如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象，因为纯锡在塑性形变期间机械栾晶产生可听得到的声发射，而铜和锡的冶炼可追朔到公元前3700年。现代的声发射技术的开始以Kaiser五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。五十年代末，美国人Schofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起，而且还得到一个重要的结论，即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作，首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具，并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。六十年代初，Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用，Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代，美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作，人们除开展声发射现象的基础研究外，还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。声发射作为无损检测技术，在美国原子能、宇航技术中兴起，在焊接延迟裂纹监视、压力容器与固体发动机壳体等检测方面出现了应用实例。七十年代初，Dunegan等人于开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提高到100KHz--1MHz的范围内，这是声发射实验技术的重大进展，现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。随着现代声发射仪器的出现，整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器、和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录，据他的统计，到1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇。八十年代初，美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统，设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器，并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件，通过微处理计算机控制，可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带，从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用，另一方面，由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息3存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。进入九十年代，德国Vallen（华伦）公司、美国PAC公司、美国DW公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。九十年中期，德国Vallen（华伦）公司首先开发了Windows运行环境下的声发射软件，使得数据分析更加方便、快捷。目前德国Vallen公司已经开发出了Windows2000运行环境下的声发射采集及分析软件，以及使计算机速度提高到1.0G。我国于七十年代初由中科院沈阳金属研究所、航天部621所等单位首先开展了金属和复合材料的声发射特性研究，八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用，目前我国已在声发射仪器制造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领域开展了广泛的研究和应用工作。航空部621所和航天部44所等单位主要开展复合材料及结构的声发射特性研究及检测应用工作。中科院沈阳金属研究所和武汉大学对金属材料和复合材料在受力形，变过程中的声发射开展了大量研究工作。航天部703所对钛合金及钛合金气瓶进行了系统的研究和应用工作。空军第一研究所对飞机构架的疲劳特性开展了大量的研究和应用工作。中国地球物理所、东北工学院、石油大学和石油勘探开发科学研究院等单位在岩石的声发射及应用方面作了大量的研究工作。武汉大学、华中理工大学和北京科技大学等在铁磁性材料的磁声发射方面进行了一系列研究。北京航空航天大学和清华大学等对声发射传感器进行了专题研究和制造。国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心、机械部合肥通用机械研究所、冶金部武汉安全环保研究院和大庆石油学院等对金属压力容器的声发射检测和评定方法进行了较深入的研究和广泛的应用。在仪器制造方面，沈阳电子研究所已有较成型的4通道声发射系统销售。国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心于95年研制出了采用PC—AT总线的多通道声发射检测分析系统,由北京科海恒生科技有限公司生产并且商品化。清华大学于1999年研制成功了多通道全波形声发射检测分析系统。从80年代起，随微机技术、基础研究的进展，声发射技术获得迅速发展，其研究与应用从实验室研究扩展到结构评价、工业过程监视等各领域，首先在金属与玻璃钢压力容器、储罐、管道等结构件中，进入工业应用和标准化阶段，成为一种新兴动态无损检测方法。4第二章声发射技术基础2.1声发射源引起声发射的材料局部变化称为声发射事件，而声发射源，是指声发射事件的物理源点或发生声发射波的机制源。在工程材料中，有许多种损伤与破坏机制可产生声发射波，概括起来如表2-1所示。表2-1声发射源2.2波的传播波源处的声发射波形，一般为宽频带尖脉冲，包含着波源的定量信息，然而，所测得信号波形，由于介质中的传播特性和传感器频响特性之影响而变得非常复杂，与原波形有很大不同，从而很大地淡化了所测得波形特性参数的物理意义。因此，波的传播对波形的影响，是在实验条件设置、数据分析及评价中均需考虑的基本问题。2.2.1波的传播模式声发射波在介质中的传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可构成纵波、横波、表面波、兰姆波等不同传播模式。5纵波（压缩波）：质点的振动方向与波的传播方向平行，可在固体、液体、气体介质中传播。横波（剪切波）：质点的振动方向与波的传播方向垂直，只能在固体介质中传播。表面波（瑞利波）：质点的振动轨迹呈椭圆形，沿深度约为1～2个波长的固体近表面传播，波的能量随传播深度增加而迅速减弱。兰姆波：因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动，按质点的振动特点可分为对称型（膨胀波）和非对称型（弯曲波）两种。2.2.2波的传播速度波的传播速度，是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性，因而不同的材料，波速也不同。不同的传播模式也具有不同的传播速度。在均匀介质中，纵波与横波的速度分别可用下式表达。）－）（＋（2111EVl；GEt＝）＋（121（2-1）式中Vt——纵波速度；t——横波速度；——泊松比；E——杨氏模量；G——切变模量；——密度。在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如，横波速度约为纵波速度的60%，表面波速度约为横波的90%。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，约分布在纵波速度和横波速度之间。在实际结构中，传播速度还受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、内容介质等多种因素的影响，因而传播速度实为一种易变量。传播速度，与波的频率和波长成正比，等于频率与波长的乘积。传播速度主要用于声发射源的时差定位计算，而其不确定性成为影响源定位精度的主要因素。在实际应用中，波速难以用理论计算，需要用实验测量，例如，在被检件表面上，用笔芯模拟源和声发射仪时差测量功能，测得两个传感器之间的时差，再用时差除以传感器间距即可得到波速。以实测波速算出的定位精度一般可在传感器间距的1～10%范围内变化。就常见容器类二维结构而言，表面波或板波的传播衰减远小于纵波和横波而可传播更远的距离，常成为主要的传播模式。多数金属容器中，典型传播速度约为3000m／s，在无法测得波速的情况下，常可以作为定位计算的初设值。2.2.3反射、折射与模式转换在固体介质中，声发射源处同时产生纵波和横波两种传播模式。它们传播到不同材料界面