1-声发射技术及应用-1

声发射技术及应用东北石油大学戴光￭教授、博士生导师￭无损检测学会副主任￭邮箱：[e-mail]￭手机：[phone]声发射技术及应用东北石油大学戴光什么是声发射？声发射检测原理声发射技术的特点主要研究内容传统声发射的定义声发射(AcousticEmission，简称AE)是指物体在受到形变或外力作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。一、什么是声发射？一、什么是声发射？广义的声发射随着声发射研究领域的扩大，声发射的含义已广义化，比如泄漏过程、轴承的磨损、钻井过程、骨关节的损伤和木材干燥时发出的声音等也都被称为AE。这些广义解释的AE情形很多，而且有大量的研究成果。二、声发射检测技术原理声发射检测技术原理图声发射源材料中传播换能器背景噪声耦合界面综合分析研究数据显示信号处理声发射仪（接收信号）其它辅助信息推断声发源状态或严重度由于声发射技术具有动态检测与分析的特点，从50年代以来，声发射技术得到许多发达国家工业的重视，在理论研究、实验研究和工业实用三个方面进行大量的工作，取得了相当的进展。综合分析不同发展阶段的大量文献可以看出，声发射理论和技术研究主要围绕、正反两个问题进行—即声发射源识别和声发射源评价，具体研究内容可概括为几个方面:三、声发射技术的主要研究内容不同声发射源模式或物理机制的理论与实验研究。声发射波在固体材料中的传播理论。机械声发射信号与电信号的转换—高灵敏度、多频带宽度和用途的换能器。声发射信号特征与源定位。多参量、多功能、高速度和实时分析的数字式新型声发射检测分析仪。三、声发射技术的主要研究内容声发射信号处理（如利用神经网络技术对声发射源特性进行模式识别，模糊综合评价等）的新理论、新方法。声发射检测/监测、评价的新方法及标准。声发射含义的广义化——扩展新的研究和应用领域。三、声发射技术的主要研究内容不同声发射源模式或物理机制的理论与实验研究声发射是一种常见的物理现象。树枝在它真正断裂之前会发出断裂的声音，踏上薄冰时冰会发出声音，预示着即将的塌陷。五十年代初，德国人凯塞尔(Kaiser)通过对多种金属材料声发射现象的研究，发现了声发射不可逆效应－凯塞效应：即声发射现象在第一次加载时产生，如果第二次及以后各次加载载荷小于等于第一次加载载荷，此时不产生声发射，但当载荷大于第一次加载载荷时，又将产生声发射。三、声发射技术的主要研究内容凯赛尔博士试验用的仪器和设备DrKaiser’sAE-sensorandspecimensetup(Dissertation,1949)KaiserEffect:AmaterialproducesAEnotbeforeexceedingthehighestloadpreviouslyexperienced.(seepointZ)Kaiserwasthefirstwhousedtheacousticemissionmethodtodeterminethemaximumstressaspecimenexperiencedinthepast凯赛尔效应凯塞尔认为晶界的变形不协调引起的摩擦是声发射的主要来源。六十年代，在美国出现了声发射技术的研究高潮。Schofield提出了声发射来源于材料内部机制－位错运动。连续型声发射信号来源于位错钉扎和交叉滑移；突发型声发射信号与堆垛层错的形成和机械孪晶的快速变形机构有关。三、声发射技术的主要研究内容声发射波在固体材料中的传播理论三、声发射技术的主要研究内容回想一下石子或小鸟落进池塘时所产生的波纹，就可以想象出声发射波的形象。波纹从源处向外扩散最终到达岸边，以一种很复杂的方式反射并最终消失。由于波纹的作用，靠近池塘岸边的漂浮软木塞会以一种很复杂的韵律上下振动几秒钟，即使石子的作用在不到一秒的时间内已经消失。声发射波的传播具有相同的原理。来自于源事件的短脉冲仅仅是声发射过程的开始。在传感器处的运动已大不同于源处的原始振动。三、声发射技术的主要研究内容池塘中波纹和构件中声发射波的主要差别是声发射过程的发生要快许多倍。典型的声发射运动在百万分之几秒就能完成。波或许通过千分之一秒就可以到达传感器，再经过百分之一秒就能消失。在池塘和构件之间的另外一个不同点就是，通常情况下构件中波的传播更复杂。首先，构件有许多表面会对波进行反复的反射。其次，固体既可以承受剪切力又能承受压缩力。这导致了可以同时被激发出几种不同类型（模式）的波。三、声发射技术的主要研究内容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、板波等不同传播模式。1．纵波波的传播方向是与质点的运动方向相一致的，这样的波称为纵波。纵波在介质中传播时会产生质点的稠密部分和稀疏部分，故又称疏密波。纵波传播示意图三、声发射技术的主要研究内容2.横波各质点的运动情况与纵波情况相似。但由于质点的振动方向对波的传播方向是横方向的，这种波称为横波。横波在介质中传播时介质会相应地产生交变的剪切形变故又称剪切波或切变波。横波纵波传播示意图三、声发射技术的主要研究内容3．表面波(瑞利波)在半无限大固体介质与气体介质的交界面上，可产生瑞利波，这是瑞利(Rayleigh)于1887年首先研究并证实其存在的。表面波沿深度约为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。椭圆运动可视为纵向振动和横向振动的合成，即纵波和横波的合成，因此瑞利波和横波一样只能在固体介质中传播不能在液体或气体介质中传播。瑞利波传播示意图三、声发射技术的主要研究内容4.板波如果固体物质的尺寸进一步受到限制而成为板状，则当板厚小到某一程度时，瑞利波就不会存在而只能产生各种类型的板波。板波中最主要的一种是兰姆波，狭义地讲，通常所说的板波即指兰姆波。兰姆波是纵波与横波组合的波，它只能在固体薄板中传播，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。反对称模式，a0对称模式，s0板中Lamb(兰姆)波的基本形式三、声发射技术的主要研究内容a0Lamb波模式（弯曲模式）是声发射检测中最重要的波型。它通常情况下会产生一种比s0（对称模式）波幅度高的波，且在典型的结构（薄板）中它传播得也更快（约3000米／秒），因此会先到达传感器。这两族Lamb波中的其它成员（称为a1或s1，等等）可比a0或s0传播得都快，但是它们的幅度都较低，因此，它们相对不重要。靠近声源时，即在一或两倍板厚内，按纵波和剪切波考虑会更好一些。声发射波在固体材料中的传播理论是理解各种变量和评价每个检测结果或状态的关键。机械声发射信号与电信号的转换—高灵敏度、多频带宽度和用途的传感器。三、声发射技术的主要研究内容外壳接头压电晶体耐磨板声发射传感器结构示意图为了感觉到声发射波，使用了压电晶体传感器。当受到挤压（变形）时，压电材料会产生一个电压值和一个相应的分离电荷。在声发射传感器中，变形是由振动引起的。当压电晶体受到进入的应力波撞击时的弹性反应。压电元件被固定在传感器壳内。电压是由元件材料本身产生的。元件不需要额外的电源。高灵敏度、多频带宽度和用途的传感器三、声发射技术的主要研究内容传感器的类型、特点和适用范围类型特点适用范围单端谐振传感器谐振频率，在50—300kHz内，典型应用为150kHz，主要取决于晶片的厚度，敏感于位移速度。响应频带窄，波形畸变大，但灵敏度高，操作简便，价格便宜，适于大量常规检测大多数材料研究和构件的无损检测宽频带传感器响应频率，约为100—1000kHz，取决于晶片的尺寸和结构设计。灵敏度低于谐振传感器，幅频特性不甚理想，但操作简便，适于多数宽带检测频谱分析，波形分析等信号类型或噪声的鉴别差动传感器由两个压电晶片的正负极差接而成，输出差动信号：与单端式相比，灵敏度较低，但对共模电干扰信号有好的抑制能力，适于强电磁噪声环境强电磁干扰环境下，要替代单端式传感器高温传感器采用居里点温度高的晶片，如铌酸锂晶片。使用温度可达540℃高温环境下的检测，如在线反应容器微型传感器一般为单瑞谐振传感器，因受体积尺寸限制，响应频带窄，波形畸变大小制件试样的试验研究和无损检测三、声发射技术的主要研究内容声发射信号特性与源定位非统计和统计参量的信号表征方法仪器输出的声发射信号是随机和不确定的复杂信号，选取哪些特征参量，正确地记录和描述这些信号，是声发射检测技术中遇到的第一个重要问题。到目前为止，还不能直接检测到声发射源发射出的原始波形，声发射检测还只能以传感器的输出为基础。构件中的典型声发射波形声发射信号的处理与表征方法通常用非统计参量和统计参量两种。一个信号的表征用非统计参量，例如，声发射信号的幅度、能量、振铃、计数、事件、上升时间、持续时间和门槛等。多个信号及它们之间的关系用统计参量表征，如总振铃计数、总事件数、总能量、计数率、RMS、幅度分布和定位点分布等，再利用辅助参量(如压力、温度、时间、位移和应变等)，就可得到数十个相关图。三、声发射技术的主要研究内容在实际的声发射检测中，检测到的单个信号是经过多次反射和波型变换的复杂脉冲信号。在声发射检测分析仪中，对单个声发射信号常用以下6个表征参量。（1）声发射事件与振铃计数一个突发型信号的时域波形，通过包络检波后，波形超过预置的阀值电压(也称门槛值)形成一个脉冲，该脉冲就是一个事件计数。一般，一个声发射事件反映了声源一次应变能的释放。若将时域波形中超过门槛值的振铃次数形成矩形脉冲，则计数这些振铃脉冲就是振铃计数，如图所示，跃过门槛值的振铃计数为7。三、声发射技术的主要研究内容声发射信号特征参量三、声发射技术的主要研究内容VoltsordBTimeAmplitudeThresholdandFirstthresholdcrossingDuration幅度（峰值幅度）幅度是指时域波形中超过门槛值的峰值电压。能量将声发射信号的幅度平方，然后进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，并依此作为信号所包含能量的量度。上升时间在时域波形中，第一次超过门槛的振铃脉冲到峰值幅度的时间为上升时间。持续时间时域波形中第一次超过门槛值的振铃脉冲到最后一个超过门槛值振铃脉冲之间的时间为持续时间。三、声发射技术的主要研究内容三、声发射技术的主要研究内容统计参量的表征方法在材料测试和压力容器声发射检测过程中，将采集到大量的声发射信号，对这些信号进行处理和分析需采用统计参量的表征方法。（1）事件总计数、事件计数率、振铃总计数和振铃计数率在声发射信号处理中，将试验开始到结束(或某一阶段)的事件计数进行累积，称为事件总计数。也可以计单位时间内的事件数目，称为事件计数率。事件计数方法着重声发射事件出现的数目和频度，而不注意事件的幅度。它相当于裂纹扩展过程中释放应变能的次数和变化率。三、声发射技术的主要研究内容从试验开始到结束(或某一阶段)的振铃计数的累积，称为振铃总计数。而单位时间内的振铃数称为振铃计数率。这两统计参量也与裂纹状态和变化率有关。但是，由于振铃计数受传感器的特性和试件、结构的几何形状等因素的影响很大，所以测试中更常用事件总计数和事件计数率。（2）幅度分布幅度分布是指按声发射信号峰值幅度的大小分别进行事件累积计数。试验表明，不同的声发射源具有不同的幅度分布，主要有随幅度增加而事件数单调减少的高斯分布和对数正态分布两种。它也是反映声发射源本质的重要统计特征参量。三、声发射技术的主要研究内容（3）总能量和总幅度从试验开始到某一阶段测得的声发射信号能量或幅度累积，称为总能量或总幅度。通常取X轴为时间或载荷，Y轴为总能量或总幅度。由测试数据所绘出的曲线可以反映出试件或结构内活性缺陷的破坏过程。三、声发射技术的主要研究内容声发射源定位在声发射检测中，声发射源(简称声源)主要为裂纹的萌生和扩展、屈服和塑性变形、夹渣物的断裂和脱开等。这些声发射源多数表现为点源，并以球面波的形式向四面八方发射能量。因此，一个声发射传感器的检验是无取向性的。两个声发射传感器通过时差计算对声发射源可以进行线定位，而三个以上传感器通过时差计算