声发射检测技术

null声发射检测技术声发射检测技术机电学院测控系 魏 莉 Weili@whut.edu.cnnull一. 声发射检测的原理 　　声发射(Acoustic Emission， AE)是指材料或结构受内力或外力作用产生形变或破坏，并以弹性波形式释放出应变能的现象。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时都有声发射现象产生，如果释放的应变能足够大，就产生可以听得见的声音，如在耳边弯曲锡片，就可以听见噼啪声，这是锡受力产生孪晶变形的声音。 1 声发射检测的原理及特点null声发射技术基本原理 1 声发射检测的原理及特点null　　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， 要用其他无损检测进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。 1 声发射检测的原理及特点null二． 声发射信号 　　1. 声发射源 　　材料在应力作用下的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，通常称为典型声发射源。近年来，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，也被划到声发射源范畴， 称为其他声发射源或二次声发射源。 1 声发射检测的原理及特点null　　2. 声发射信号的传播 声发射源处的声发射波形， 一般为宽频带尖脉冲， 包含着声发射源的定量信息。然而， 所测得的信号波形，由于介质的传播特性和传感器频响特性的影响而变得非常复杂，与原波形有很大差异，从而大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主要问题。  　　（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、面波、板波等不同的传播模式。 1 声发射检测的原理及特点null　　（2） 波的反射、 折射与模式转换。固体介质中局部变形时，不仅产生体积变形，而且产生剪切变形，因此将激起两种波，即纵波(压缩波)和横波(切变波)。当遇到不同介质的界面时会产生反射和折射，在全内反射时则会出现非均匀波；在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波； 厚度接近波长的薄板中，还会产生板波。 1 声发射检测的原理及特点null波的反射与模式转换 1 声发射检测的原理及特点null　　若在半无限大固体中的某一点产生声发射波，当传播到表面上某一点时，纵波、横波和表面波相继到达，互相干涉而呈现复杂的模式。与地震的情况一样，首先到达的是纵波，其次到达的是横波，最后到达的是表面波。在实际的声发射应用中，经常遇到的是像高压容器那样的厚钢板。声发射波在厚钢板中传播时，在两个界面上发生多次反射， 每次反射都要发生模式变换。 1 声发射检测的原理及特点null声发射波在厚板中的传播示意图 1 声发射检测的原理及特点null波形的分离与持续时间1 声发射检测的原理及特点null　　(3) 衰减 　　衰减是指波的幅度随传播距离的增加而下降的现象。引起声发射波衰减的三个主要机制为： 波的几何扩展、材料吸收和散射。 1 声发射检测的原理及特点null　　 3. 凯塞效应和费利西蒂效应 　　（1） 凯塞效应。材料受载时，重复载荷到达原先所加最大载荷以前不发生明显的声发射现象，这种声发射不可逆的性质称为凯塞效应。多数金属材料中，可观察到明显的凯塞效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其他可逆声发射机制， 则凯塞效应会消失。  　　凯塞效应在声发射技术中有着重要用途，包括：在役构件的新生裂纹的定期过载声发射的检测；岩体等原先所受最大应力的推定；疲劳裂纹起始与扩展声发射的检测；通过预载措施消除夹具的噪声干扰；加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别等。 1 声发射检测的原理及特点null　　（2） 费利西蒂效应。对某些材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应，也可认为是反凯赛效应。重复加载时的声发射起始载荷(PAE)对原先所加最大载荷(Pmax)之比，称为费利西蒂比(PAE／Pmax)。  　　费利西蒂比作为一种定量参数，可较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据。 1 声发射检测的原理及特点null费利西蒂效应 1 声发射检测的原理及特点null　　4. 声发射信号分析 　　声发射信号有突发型和连续型两种基本类型。 　　突发型信号是指在时域上可分离的波形。实际上，所有声发射源的发射过程，均为突发过程，如断续的裂纹扩展、 复合材料的纤维断裂等。不过，当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来， 如塑性变形声发射过程前期的信号、泄漏信号、燃烧信号等。在实际检测中， 也会出现其混合型。对不同的信号类型，要采用不同的信号处理方法。 近年来的通用系统， 可同时采集两类信号。 1 声发射检测的原理及特点null声发射信号类型 (a) 突发型； (b) 连续型 null　（1） 信号特征参数。超过门槛的声发射信号由特征提取电路变换为几个信号特征参数。连续信号参数包括：振铃计数、 平均信号电平和有效值电压。突发信号参数包括： 撞击(事件)计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差等。 常用突发信号特征参数的示意如下图所示。 1 声发射检测的原理及特点null突发信号特征参数 1 声发射检测的原理及特点null常用信号特征参数的含义和用途 1 声发射检测的原理及特点null　　(2) 信号波形特征。 　　波形是声发射传感器输出电压随时间变化的曲线，它可以用示波器从前置放大器或主放大器的输出端观察到，也可以从瞬态记录仪或波形记录装置上记录下来。典型的突发信号的波形上升段比较迅速，而下降段呈现指数衰减振荡的现象，其包络线的形态则呈三角形。声发射源的一次突发发射实际上是一个突发脉冲，传感器输出的信号呈现复杂的波形，则是信号在介质中传播过程的反射、折射、波形变换、传感器的谐振等多种因素合成的结果。 1 声发射检测的原理及特点null突发型声发射信号波形和频谱曲线 (a) 波形； (b) 频谱 null连续型声发射信号波形和频谱曲线 (a) 波形； (b) 频谱 1 声发射检测的原理及特点null　　3． 声发射技术的特点 　　声发射检测是一种动态无损检测方法，可用来判断缺陷的性质。一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置和所受的应力状态不同时，对结构的损伤程度也不同，而其声发射特征也是有差别的。明确了来自缺陷的声发射信号，就可以长期连续地监视缺陷的安全性，这是其他无损检测方法难以实现的。  　　声发射技术与其他无损检测方法相比，具有两个基本差别： ① 检测动态缺陷而不是静态缺陷， 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。这种差别导致该技术具有以下优点和局限性。 1 声发射检测的原理及特点null　　声发射检测技术的主要优点有：  　　（1） 可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷。由于提供了缺陷在应力作用下的动态信息，因此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， 经一次加载或实验过程，就可以确定缺陷的部位，从而易于提高检测效率。 1 声发射检测的原理及特点null　　（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的在线监控及早期或临近破坏的预报。  　　（4） 对于被检件的接近要求不高、而其他方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及剧毒等环境。  　　（5） 由于对构件的几何形状不敏感，因此适宜检测其他检测方法受到限制的形状复杂的构件。 1 声发射检测的原理及特点null　　声发射检测技术的主要局限性有：  　　（1） 声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰。因此，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，但有时还需要特殊准备。  　　（3） 由于声发射的不可逆性，实验过程的声发射信号不可能通过多次加载重复获得，因此，每次检测过程的信号获取是非常宝贵的，应避免因人为疏忽而造成数据的丢失。 　　（4） 声发射检测所发现的缺陷的定性定量，仍需依赖于其他无损检测方法。 　　1 声发射检测的原理及特点null源定位分类2 声发射检测定位方法null1． 区域定位 　　区域定位是一种处理速度快、简便而又粗略的定位方式， 主要用于复合材料等由于声发射频度过高或传播衰减过大、 检测通道数有限、各向异性等难以采用时差定位的场合。区域定位主要包含两种方式：独立通道控制方式和按信号到达顺序定位方式。  　　独立通道控制定位方式是按信号衰减的影响将试件分为若干区域，每个区域的中心布置一个传感器，每个传感器主要接收其周边区域发生的声发射波，而来自该区的声发射波首先被该传感器接收。区域定位按各传感器监视各区域的方式粗略确定声发射源所处的区域。 2 声发射检测定位方法null区域定位 (a) 独立通道控制定位； (b) 按信号到达顺序区域定位 2 声发射检测定位方法null2． 时差定位 　　1） 一维(线)定位 　　一维(线)定位就是在一维空间中确定声发射源的位置坐标， 亦称直线定位法。一维定位是声源定位中最简单的方法，多用于焊缝缺陷的定位。一维定位至少要采用两个传感器和单时差。   　　若声发射波从波源Q到达传感器S1和S2的时间差为Δt，波速为v，则可得下式： |QS1-QS2|=υΔt 2 声发射检测定位方法null一维定位法2 声发射检测定位方法null　　2） 二维（平面）定位 　　二维定位至少需要三个传感器和两组时差，但为了得到单一解，一般需要四个传感器和三组时差。传感器阵列可任意选择，但为了运算简便，常采用简单阵列形式， 如三角形、 长方形、正方形、菱形等。近年来，任意三角形阵列及连续多阵列方式也得到了应用。就原理而言，波源的位置均为两组或三组双曲线的交点所确定。  　　由四个传感器构成的菱形阵列平面定位原理见下图。 2 声发射检测定位方法null二维(平面)定位法 2 声发射检测定位方法null　　若由传感器S1和S3间的时差ΔtX所得的双曲线为l，由传感器S2和S4间的时差ΔtY所得双曲线为2，波源Q离传感器S1和S3，S2和S4的各距离差分别为Lx和Ly，波速为υ，两组传感器间距分别为a和b，那么，波源就位于两条双曲线的交点Q(X，Y)上，其坐标可表示为： 2 声发射检测定位方法null　3）柱形、球面的定位 　柱面定位是一种常见的定位方式，许多压力容器都是圆柱体，柱面定位实际上是平面定位的一种特例。将一个圆柱面按某一母线剖开就是一个矩形，声音在柱面上的传播与在平面上的传播是相似的，只不过需要考虑的是矩形的两边是连接的，柱形的剖面AB与CD实际是连接的，声音从S点传到P点后不是反射，而是从P继续向Q传播，因此计算方法上要考虑信号传播AB和BD的接续。2 声发射检测定位方法null柱面定位示意图2 声发射检测定位方法null　　3） 三维空间定位 　　在现代声发射仪器中开发了三维空间定位的定位软件。这种定位方式主要用于大型物体内部的缺陷监测，如岩体、大坝、 变压器内部放电等。 2 声发射检测定位方法null　　4） 时差定位的局限性 　　时差定位通过对时差、波速、传感器间距参数的测量及复杂的算法运算，可确定波源的坐标或位置，是一种精确而又复杂的定位方式，广泛用于试样和构件的检测。不过，时差定位易丢失大量的低幅度信号，其定位精度又受波速、衰减、波形、 构件形状等许多易变量的影响，因而在实际应用中难以得到满意的结果，也受到种种限制。在复合材料中，特别是在纤维缠绕复合材料中，由于其各向异性， 声波在不同方向上传播的速度不相同，往往不能使用时差定位方法而采用区域定位方法。 2 声发射检测定位方法null　　自20世纪60年代末首台声发射仪问世以来，声发射仪已更新换代多次，它们在结构、功能、数字化程度和价格上均有很大差异。声发射仪一般可分为功能单一的单通道型(或双通道型)、多通道多功能的通用型、全数字化型和工业专用型，其特点与适用范围如下表所示。 3 声发射检测仪器null声发射仪的类型、特点与适用范围 null　　1． 声发射检测仪器的组成 　　典型的单通道声发射检测仪的基本组成如图所示， 一般由传感器、前置放大器、主放大器、信号参数测量、数据计算、 记录与显示等基本单元构成。 单通道声发射仪 3 声发射检测仪器null　　2. 单通道声发射仪 　　单通道声发射仪的基本组成见图。 　　传感器的输出信号，经前置放大器放大，滤波器频率鉴别，主放大器进一步放大，门槛电路探测、测量模块提取信号特性参数，分析模块运算，最后输出到记录与显示模块。 特征参数的测量、分析和显示，随检测仪的类型有很大差异。 例如，对于最早期的单通道仪器而言，主放大器的输出信号， 经门槛比较电路形成振铃计数脉冲，再经计数器计数及数模转换，便供x-y记录仪记录。这类最简单的类型已被淘汰， 逐步为多参数测量电路所取代。 3 声发射检测仪器null　　3. 多通道声发射系统 　　随着微机技术的发展，多通道声发射系统的应用从早期源定位计算，相继扩展到数据采集、存储、分析和显示等更为一般化的功能。与此同时，信号处理从计数类参数的测量发展到事件或撞击参数类的测量与分析，并在数字化程度、 实时性、精确性、综合性、通用性方面均有了很大进展。  　　微机控制式多通道系统如下图所示，它采用多处理器并行处理结构，由高速采集用独立通道控制器、协调用总通道控制器和数据分析用主计算机构成。 3 声发射检测仪器null计算机控制式多通道系统 3 声发射检测仪器null　　4. 数字式多通道声发射系统 　　随着数字信号处理技术的发展，数字式多功能声发射检测系统成功推广并将逐步成为今后的主流。其最大特点是经前置放大的信号不必再经过一系列模拟电路而直接转换成数字信号，再同时进行常规特性参数提取与波形记录。这不仅改善了电路的稳定性和可靠性，而且大大强化了系统信号处理能力。 3 声发射检测仪器null　　根据声发射的特点，现阶段声发射技术主要用于其他方法难以或不能适用的对象与环境、重要构件的综合评价、与安全性和经济性关系重大的对象等。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） 石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压贮罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。  　　（2） 电力工业：高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测与泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测， 变压器局部放电的检测等。 4 声发射检测的应用null　　（3） 材料试验：材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、 腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的磁声发射测试等。  　　（4） 民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。  　　（5） 航天和航空工业：航空器壳体和主要构件的检测与结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测， 固体推进剂药条燃速测试等。 4 声发射检测的应用null　　（6） 金属加工：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。  　　（7） 交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测与缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚子轴承与轴连轴承的状态监测， 火车车轮和轴承的断裂探测。 4 声发射检测的应用null　　（8） 矿山地质：边坡、巷道稳定性监测，山体滑坡监测。 　　（9） 其他： 硬盘的干扰探测，带压瓶的完整性检测， 庄稼和树木的干旱应力监测，磨损摩擦监测，岩石探测，地质和地震上的应用，发动机的状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测， 铸造过程的监测，Li／MnO2电池的充放电监测，耳鼓膜声发射检测、 人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验，骨关节状况的监测等　4 声发射检测的应用