AE-Ⅱ培训重点知识点

1、声发射检测复习题第一章 绪论声发射：材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象；也称为应力波反射。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。直接与变形和断裂机制有关的源被称为声发射源。声发射源的实质是指声发射的物理源点或发生声发射的机制源。声发射事件：引起声发射的局部材料变化。凯赛尔效应：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。声发射检测基本原理：从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。声发射检测的主要目的 ：确定声发射源的部位； 分析声发

2、射源的性质； 确定声发射发生的时间或载荷； 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，以精确确定缺陷的性质与大小。 声发射检测方法的特点：动态无损检测方法；几乎不受材料的限制；可以长期、连续监测；对缺陷进行定性分析。声发射技术的优点：(1) 声发射检测是一种动态检验方法； (2) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感； (3) 声发射检测在一次试验过程中能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态； (4) 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； (5) 适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，

3、如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境； (6) 对于在役压力容器的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产； (7) 对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力； (8) 适于检测形状复杂的构件。 声发射技术的缺点 (1)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。因为声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰。 (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) 声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺

4、陷的性质和大小，仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。 第二章 声发射检测的物理基础晶体材料：固体材料中原子按一定的规则进行排列，则这些材料被称为晶体材料。如金属、陶瓷、各种无机盐和各种岩石（包括钻石、矿石）；非晶体材料：原子以无序状态进行排列或者原子之间互相形成长链的大分子而大分子以无序状态进行排列，则这些材料被成为非晶体材料，比如玻璃、各种有机固体材料（包括塑料、橡胶、木材）。液态急冷产生 面心立方：（有色金属、 奥氏体） 体心立方：（碳钢、低合金钢、铁素体）位错：晶体中的原子在排列时会有缺陷产生（点、线缺陷），将产生的线缺陷称之为位错。位错是晶格中原子范围大小的线缺陷；位错的形成：结晶中的

5、位错是由熔融状态下固化过程中形成的，典型的工程应用金属材料在每个微观的晶粒中就有几百万个位错；位错的形式：刃型位错与螺型位错； 晶体中的点缺陷：空位 、间隙原子 、点缺陷 、杂质原子；晶界：晶粒之间的界面称为晶界。典型晶粒的大小为几微米到几百微米之间。 晶间腐蚀：贫Cr现象应力：材料单位面积上所受的作用力。物体内的应力称为应力场 。应力的单位：Kg/cm2 和 Mpa。与压强的单位相同。 应力的种类：拉应力、压应力和剪切应力。根据物体的结构和加载方式的不同，物体内出现的应力状态也不同，分别有拉应力、压应力和剪切应力。实际物体结构中的应力要复杂得多，通常是这三种应力的组合。 应变：应力所产生的变

6、形称为应变。应变的计算：应变是无量纲，即无单位，应变通过分数或百分数表示。 应力与应变的关系：在应力和应变很小的条件下，固体材料呈弹性的性质，应力与应变成正比；当作用应力达到较高值的条件下，应力与应变不成正比关系。 弹性模量：材料在弹性变形范围里，应力与应变的比值。 弹性变形：材料在应力作用下产生变形，当应力消逝后，材料的变形也将消逝，材料完全回复到原来的状态，这种变形即称为弹性变形。 塑性变形：材料在应力作用下产生变形，当应力消逝后，即使材料的应力全部解除，材料也不能回复到原来的状态，即永久变形，这种变形即称为塑性变形。这时，材料的应力达到或超过了材料的屈服点，材料产生的塑性变形，材料也不能

7、回复到原来的状态。 声发射检测主要讨论材料的塑性变形。 材料的塑性变形（金属）机理：由位错运动和孪生变形所引。 位错运动：位错在晶体内的移动。 孪生变形：在晶粒大小范围内整个晶格截面取向改变为两个完全相同的“孪生”（镜面）晶体 。大量位错运动的结果将导致材料产生如下的结果： 滑移；屈服；留德尔斯线（钢）；裂纹尖端塑性区；空隙增长和聚结；韧性斯裂。孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，但不发生在钢与铝中。临界裂纹：是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩展，并且迅速地使部件断裂。 断裂韧性：材料抵抗断裂的能力。用KIc来衡量材料的断裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过“应力强度因子”K来

8、描述，K值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。K的临界值就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹将很快扩展，同时部件将立刻断裂。用KIc来表示K的临界值。 亚临界裂纹：就是发生在临界裂纹发生以前的裂纹。 “亚临界”裂纹扩展：就是发生在裂纹临界扩展发生以前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下： a) 不断上升的载荷作用 ；b) 疲劳（循环或重复载荷）； c) 应力腐蚀开裂； d) 氢脆开裂 e) 腐蚀疲劳亚临界裂纹扩过程中，声发射主要来自于两种声源： a) 塑性区、主开裂和夹杂的脱层； b) 裂纹前沿本身的向前运动。 材料的断裂的形式可分为：脆性断裂和韧性断裂；而在金属组织晶粒的尺度上又

9、分为沿晶断裂和穿晶断裂；从断口的形貌来看又可分为解理断裂和疲劳断裂。声发射源分类：稳态源、动态源。 稳态源模型：将源看作一个能量发射器, 并用应力应变等宏观参量来得到这一问题的稳定解, 叫稳态源模型。 动态源模型：是应用局域在源附近随时间变化的应力应变场，计算与源的行为有关的动力学变化，叫动态源模型。 声发射的能量来源：一般由外加负载、相变潜热、外加磁场等来提供。 突发声发射信号：声发射事件信号是断续，且在时间上可以分开，那么这种信号就叫突发声发射信号。 连续声发射信号：如果大量的声发射事件同时发生,且在时间上不可分辨，这些信号就叫做连续声发射信号。实际上连续型声发射信号也是由大量小的突发型信

10、号组成的，只不过太密集不能单个分辨而已 。 声发射信号动态范围：材料内产生的声发射信号具有很宽的动态范围，其位移幅度可以从小于10-15 m到10-9 m, 达到106量级（120dB）的范围。 非金属材料中的声发射源：这些材料均为脆性材料，其强度很高，但韧性很差，因此其声发射源主要为微裂纹开裂和宏观开裂。 复合材料是由基体材料和分布于整个基体材料中的第2相材料所组成的。根据第2相材料的不同，复合材料分为3类：扩散增强复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料。与常规材料相比，复合材料具有强度高、疲劳性能和抗腐蚀性能好等优点，而且容易制造出结构较复杂的部件。 扩散增强和颗粒增强复合材料的声发

11、射源主要包括：基体开裂和第2相颗粒和基体的脱开。 纤维增强复合材料中的声发射源主要包括以下7类： 基体开裂 纤维和基体的脱开 纤维拔出 纤维断裂 纤维松弛 分层 摩擦。其它声发射源： 流体介质的泄漏 氧化物或氧化层的开裂 夹渣开裂 摩擦源 液化和固化 元件松动、间歇接触 流体和非固体 裂纹闭合 腐蚀。波：就是材料质点离开平衡位置的运动（振动）在材料中的传播。 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12个波长的固体近表面传播，

12、波的能量随传播深度增加而迅速减弱。 兰姆波（板波）：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（扩展波）和非对称型（弯曲波）两种。 点力阶跃脉冲力源F0H(t)作用于板时，板表面将产生相当复杂的运动，在材料表面上产生的位移迅速变化，这是理论与实验相符的唯一的情况。 Knopoff给出了在力作用点对面的垂直方向质点位移，这一情况对声发射技术是十分有意义的，它通常用于声发射传感器的预标定。 点脉冲加载的源：具有一般形状的短脉冲力源f（t），该处的速度响应为纵波的速度响应与力的变化率成正比，而切变波的速度响应与力的大小成正比。

13、 表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移。 各种反射波和折射波方向都符合反射、折射定律。以下是纵波入射时的反射折射定律公式： sinL /CL1 = sin L /CL1 = sin S /CS1 = sinL /CL2 = sins /Cs2 CL1 、 CS1 第一介质中的纵波、横波波速。 CL2 、 CS2 第二介质中的纵波、横波波速。 L 、 L 纵波入射角、反射角。横波。 L 、 s 纵波、横波折射角。 'S 横波反射角。 声发射波经传播到探头后，声发射信号波形的上升时间变慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份向低频偏移。波速频率×波长 （C =f

14、5;）波速: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。 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。 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。 传播速度主要用于声发射源的时差定位计算，影响定位精度。实际中，难以理论计算，需用实验测量。实测波速计算出的定位精度一般在传感器间距的1%10%。 常见容器类属于二维结构（薄壁），表面波或板波的传播衰减远小于纵波和横

15、波，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3000 m/s。在无法测得波速的情况下，可用此值作为初设置。复合材料中，声波的传播存在各向异性，时差定位精度较差。 衰减：信号的幅值随着离开声源距离的增加而减小。 衰减与声发射检测的关系：衰减控制了声源距离的可检测性，对于声发射检验来说它是确定传感器间距的关键因素。 衰减的分类：几何衰减 、材质衰减、色散衰减、散射与衍射衰减、。 几何衰减：当波由一个局域的源所产生时，波动将从源部位向所有的方向传播。即使在无损耗的介质中，整个波前的能量保持不变，但散布在整个波前球面上，随着波传播距离的增加，波的幅度必定下降。（平面波无几何衰减）。 材质

16、衰减：由材料内摩擦引起的衰减。 如果固体为弹性介质, 声发射波的总机械能保持不变。然而，在实际的介质中，波传播的总机械能不能保持不变，而是逐渐衰减。由于质点振动内摩擦产生的热弹效应，机械能可以被转变为热能。如果应力超过介质的弹性极限，塑性变形也引起机械能的损失。裂纹扩展将波的机械能转换为新的表面能，波与介质中位错的相互作用也可引起能量的损失和衰减。塑性材料的粘性行为、界面之间的摩擦和复合材料中非完全结合的夹杂物或纤维都能引起波的能量损耗和衰减。磁弹相互作用、金属中的电子相互作用、顺磁电子或核子的自旋机制等都能引起波的能量损失和衰减。无论上述那一种机制引起机械能的损耗，波的幅度都将随波通过介质中

17、的传播而下降。 色散衰减：色散是在某些物理系统中波速随频率变化引起的一种现象。 散射和衍射衰减：波在具有复杂边界或不连续(如空洞、裂纹、夹杂物等)的介质中传播将与这些几何不连续产生相互作用产生散射和衍射现象。 其他因素素起的衰减：相邻介质“泄漏”，即由于波向相邻介质“泄漏”而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介质， 障碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。 实际工作中声发射的衰减测量与应用：实际结构中，波的衰减机制很复杂，难以用理论计算，只能用试验测得。随着频率的增加内摩擦也增加，衰减加快。 实际工作中传播衰减的大小，关系到每个传感器可监视的距离范围，在源定位中成为确定传感器间

18、距或工作频率的关键因素。在实际应用中，为减少衰减的影响而常采取的措施包括：降低传感器频率或减小传感器间距，例如，对复合材料的局部监视通常采用150kHz的高频传感器，而大面积监视则采用30kHz的低频传感器，对大型构件的整体检测，可相应增加传感器的数量。 凯赛尔效应：重复载荷到达原先所加最大载荷以前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为凯赛尔效应。多数金属材料和岩石中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。 凯赛尔效应在声发射检测中的应用：在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测；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

19、射检测；通过预载措施消除加载销孔的噪声干扰；加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。 费利西蒂效应：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，也可认为是反凯赛尔效应。 费利西蒂比：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（PAEPmax），称为费利西蒂比。 费利西蒂效应的应用：费利西蒂比作为一种定量参数，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。树脂基复合材料等粘弹性材料，由于具有应变对应力的迟后效应而使其应用更为有效。费利西蒂比大于1表示凯赛尔效应成立，而小于1则表示不成立。在一些

20、复合材料构件中，费利西蒂比小于0.95作为声发射源超标的重要判据。 对于凯赛尔效应和费利西蒂效应的判别：关键是如何定义“明显”声发射。 美国CARP（增强塑料声发射监测委员会）推荐的规范，提出了三项判据：1）当负载增加10%，声发射超过5个事件计数；2）当负载增加10%，声发射多于20个振铃计数；3）在恒定载荷下的持续声发射。 我国航天部QJ2914-1997提出的确定二次加载声发射起始载荷的判据：1）在恒载一分钟周期内事件计数不小于5；2）在10%的载荷增量中事件计数不小于10。 必须指出的是：这些判据并不是通用的，不同的材料、实验条件、通道数、检测灵敏度，判据可能相差较大。因此，还需从实际

21、出发，根据经验作出自己的判定。 声发射技术的应用均以材料的声发射特性为基础。影响声发射特性的因素：1、材料，材料不同的声发射特性差异很大。即使对同一材料而言，影响声发射特性的因素也十分复杂，如热处理状态、组织结构、试样形状、加载方式、受载历史、温度环境和气氛等。试件，尺寸和形状。2、应力，应力状态、应变率、受载史。环境，温度、腐蚀介质。对同一试样作声发射试验，在同样的内部和外部条件下，由于试样的声发射源不同，也会表现出不同的声发射特性。 第三章 声发射波的探测声发射波（即声发射信号）就是声发射源在某种激励作用下发出的一种应力脉冲波，通常与某缺陷的产生与发展过程有关。多数情况下这种激励都是指外力

22、，如容器的加压过程等可能激发缺陷产生声发射波。也有诸如腐蚀、金属相变等微观过程也会发出声发射波。声发射检测就是检测接收声发射信号并进行分析得到声发射源（缺陷）的信息。声发射信号的波形：声发射信号的相关定义和术语：声发射（Acoustic emission AE）：材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。 声发射信号 (AE signal）：传感器将检测到的弹性波转化为电压信号。 通道（Channel）： 用于传送、处理、探测和测量信号的单个声发射传感器及相关的仪器组件。 声源（Source）：一个或多个声发射事件的物理源。定位（Lacation）：以多个声发射传感器确定声源的位置。衰减

23、(Attenuation）：声源在材料中传播时引起的能量减少。突发型声发射信号（Burst emission）：在时间上可以区分开的快速上升、缓慢衰减的声发射信号。连续型声发射信号 (Continuous emission）：在时间上难以区分开且幅值相近的声发射信号。撞击（Hit）： 超过门槛并使某一通道获取数据的任何信号称之为一个撞击。撞击数（总数或计数率）主要反映声发射活动的总量和频度，常用于声发射活动性的评价。事件（Event）：来自同一声源的声发射信号在介质的各个方向传播时，以撞击的形式被多个通道检测到并形成定位，此时的撞击信号就称为事件（区域定位时，某一通道最先收到的撞击也称为事件）

24、。也可定义为，产生声发射的一次材料变化为一个声发射事件。事件数（总数或计数率）主要反映声发射事件的总量和频度，用于声源的活动性和定位集中度评价。活度（Activity）： 声发射源的事件数随着加压过程或时间变化的程度，如撞击率、事件率、定位聚类等。强度（Intensity）：表征声发射信号的大小，如平均幅值、平均能量或平均计数。噪声（Noise）： 与被检测信号无关的声发射信号。 门槛（Threshold）： 一个预先设定的电压值，只有声发射信号的幅值超过该电压值才能被检测到。增益（Gain）： 仪器放大器对声发射信号的放大倍数。振铃计数（Counts）：一个声发射信号中振铃超过门槛的次数，即

25、振铃计数。受门槛值大小的影响。计数率（Count rate）：单位时间的累计个数。持续时间（Duration）： 信号从第一次超过门槛到最终下降到门槛的时间长度。其作用与振铃计数相似，但常用于特殊声源类型和噪声的鉴别。能量（Energy ）： 声发射信号释放的总弹性能，一般以信号包络线下方图形的面积。由于单个声发射信号的绝对能量很小，数值上表达不方便，因此仪器中也经常使用相对能量，即能量计数。主要反映声发射信号的相对能量或强度，不受门槛值大小的影响，对工作频率和传播特性不敏感，有时可以代替振铃计数，也可用于于声源的类型鉴别。初始频率（Initial frequency）： 信号超过门槛和到达峰

26、值时波形的平均频率，单位为kHz。幅值（Amplitude）：声发射信号的最大峰值电压。由于数值很小，习惯上以dB表示，dB=20lgV/1v，V为信号最大峰值的原始电压，单位为伏特，0 dB对应1v。声发射信号的幅度与事件的大小直接相关，直接决定事件的可测性，不受门槛的影响，常用于声源的类型鉴别和强度及衰减的测量。上升时间（Rise time）： 信号第一次超过门槛至最大振幅所经历的时间间隔。由于受传播的影响，其物理意义不明显，但可用于机电类噪声的鉴别。特征数据（Signal features）： 检测数据仅储存声发射的特征参数（幅值、能量等），而不存储波形。RMS（Root mean sq

27、uare）： 有效值电压（v），即采集时间内，信号的均方根电压值。与声发射的大小有关，测量简便，不受门槛的影响，适用于连续型信号的检测及声发射活动性评价。ASL（Average signal level）： 平均信号电平（dB），即采集时间内，信号电平的均值。ASL=20lg（RMS）/1uv，RMS的单位为伏特。ASL的作用与RMS相似，尤其适合于测量对幅度动态范围要求高而时间分辨率要求不高的连续型信号，也用于背景噪声水平的测量。压缩波或纵波（Compression wave, Longitudinal wave）： 在固体弹性介质中压缩变形以波形形式传播，称为弹性介质中的压缩波。由于质点振

28、动位移和波的传播方向一致，压缩波也称为纵波。切变波或横波（Shear wave, Transverse wave）：在固体弹性介质中剪切变形以波形形式传播，称为弹性介质中的切变波。由于质点振动位移和波的传播方向垂直，切变波也称为横波。液体中不存在横波。表面波或瑞利波（Surface wave, Rayleigh wave）： 在半无限大固体物质的平面状或曲面状界面上存在的界面波称为表面波或瑞利波。 板波（Plate wave, Lamb wave ）： 板状固体的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。兰姆波是最主要的一种板波形式，即当板厚与波长相当的情况下产生的波。波

29、速（Wave velocity ）： 声波在介质中的传播速度，m/s。不同的波型以不同的速度在介质中传播。横波速度VT = 0.6VL（纵波速度）；表面波速度VS = 0.9VT（横波速度）；板波速度VP = 2/(1-)1/2，为材料系数。传感器（Sensor）：又称换能器（Transducer），压电元件将机械波转化为电压信号的装置。宽频传感器（Broadband sensor）：传感器在较宽的频率范围内具有较平坦的响应曲线。谐振传感器（Resonant sensors）：在一定频率范围内具有高灵敏度响应的传感器。 前置放大器（Preamplifier）： 将传感器转换后的信号进行放大，以

30、便将传送到较远距离的声发射主机中。耦合剂（Couplant）：在传感器和被检测构件表面间提供声耦合的物质。 压电效应：材料或结构中的缺陷产生与发展过程会发出声发射波，并沿各方向传播。检测仪器应具有高相应速度、高灵敏度、高增益、宽动态范围、强阻塞恢复能力和频率检测窗口可选择等性能。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面会产生正负电荷，当外力去掉后又恢复到不带电荷的状态，这种现象就被称为正压电效应。压电效应是可逆的，习惯上将正压电效应称为压电效应。电介质受力产生的电荷与力的大小成正比，比例系数为压电系数，与机械形变方向有关，特定材料一定方向上为常量。电介质受力产生电荷的极性取

31、决于形变的形式（压缩或伸长）。压电材料：具有明显压电效应的材料称为压电材料，常用的有石英晶体、铌酸锂、镓酸锂、锗等单晶，以及经极化处理后的多晶体，如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT。新型压电材料有高分子压电薄膜和压电半导体。单晶体材料的压电效应是由于其单晶受外应力时内部晶格结构变形，使原来宏观表现的电中性状态破坏而产生电极化；经极化处理后的压电陶瓷、高分子压电薄膜的压电性是电畴、电极偶子取向极化的结果。逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤除后，变形和应力也随之消失，这种物理现象就称之为逆压电效应。利用逆压电效应可制成超

32、声波发生器、压电扬声器、频率高度稳定的晶体振荡器（如石英钟表）。许多声发射仪器自带的标定信号源就是利用此原理产生的。压电转换元件的特点：优点：自发电和可逆性；体积小；重量轻；结构简单；固有频率高；灵敏度和信噪比高。广泛应用在许多行业。缺点：无静态输出，需要很高的电输出电阻和低电容的低噪声电缆。传感器：组成：通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成，输出电学量。这些元件的功能为：敏感元件：直接感受和测量，并以确定关系输出某一物理量（包括电学量）。转换元件：将敏感元件输出的非非电物理量，如位移、应变、应力、光强等转换为电学量（如电路参数量、电压、电流）。转换电路：将电路参数（如电阻、电感、电容等）量

33、转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。有些传感器只有敏感元件，如热电偶；有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需转换电路，如压电式加速度传感器；还有些传感器由敏感元件和转换电路组成，如电容式位移传感器；有些传感器要经多个转换器多次转换才输出电量。声发射传感器组成：通常由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线及高频插座组成。压电元件：通常采用锆钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂等。结构：根据不同的检测目的和环境采用不同结构和性能的传感器。谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最多的一种。传感器的灵敏度：传感器的输入端作用为力、位移或者速度，输出端为电压。可以认为力、位移或者速度转换为电压的整个系统为

34、线性系统。 T（）= U（）/D（）T为灵敏度，一般用对数表示；为频率； U为传感器的输出电压；D为表面原子的垂直位移分量或表面压力垂直分量。校准-灵敏度曲线：根据特定的校准方法，可以得到传感器的频率-灵敏度曲线，据此可根据检测目的和环境选择不同类型、不同频率和灵敏度的传感器。一般情况下传感器的灵敏度要求不低于0.5 KV/m.s-1 。传感器接收到的信号转换为电信号后，由同轴屏蔽电缆馈送给前置放大器，信号得到放大，提高信噪比。通常要求前置放大器具有40-60dB的增益，噪声电平不超过5微伏特，并有较大的输出动态范围和频率宽度。校准-标定方法：传感器的标定方法因激励源和传播介质的不同而不同。激

35、励源可分为噪声源、连续波源和脉冲源三种。噪声源有氦气喷射、应力腐蚀、金镉合金相变等；连续波源可由压电传感器、电磁超声传感器或磁致伸缩传感器等产生；脉冲源可以由电火花、玻璃毛细管破裂、铅笔芯断裂、落球和激光脉等产生。激光脉冲设备昂贵，应用受限；电火花法受气候、湿度和其他因素影响；玻璃毛细管破裂很难做到壁厚均匀，使用中难以获得良好的重复性；落球法获得的频率低；铅笔芯断裂法受操作人和材料表面条件的影响。耦合剂的作用：1）填充传感器表面与检测面之间的微小空隙，因为接触面间的微量空气会隔断信号的传输；2）通过耦合剂的“过渡”作用，使传感器与检测面之间的声阻抗差减小，从而降低信号能量在此界面的反射损失；3

36、）起到“润滑”作用，减少传感器表面与检测面之间的摩擦。耦合剂性能的要求：1）声衰减系数小，透声良好；2）声阻抗介于传感器表面材料与检测面之间，匹配良好；3）粘附力低，容易擦拭掉；4）粘滞性适中，使用时不会流淌，又容易挤出；5）保湿性适中，不容易干燥；6）外观上色泽鲜明，透明度高，不含气泡（有杂质和气泡容易看出）；7）均匀性好，不含颗粒或杂质，使用时不堵塞管口；8）稳定性好，不变色、不改变稠度、不分层、不析出、不变质、不腐蚀（检测面）；9）不腐蚀或损坏传感器。传感器的固定方法有机械固定、粘结固定和磁吸附方法。波导：有些情况下无法或很难将声发射传感器直接安装在被检测对象的表面，如高温、高压、低温或

37、深冷、表面疏松以及狭小空间等，此时往往可以借助波导方法实现声波的传导。常见的波导方法有金属棒或管组成的波导，一端固定（焊接或机械连接）在检测对象表面，另一端安装传感器。传感器的主要类型：谐振式传感器、宽带传感器、高温传感器、差动传感器。其他类型：特定传感器、微型传感器、磁吸附传感器、低频抑制传感器和电容式传感器等。谐振式传感器：最常用的一种传感器。尤其是中心频率为150KHz窄带谐振式传感器，灵敏度和信噪比均较高、价格便宜、规格多，常用于金属材料结构的检测。因为金属的结构较稳定和均匀，可认为是各向同性，声波衰减系数较小，频带范围一般在25KHz-750KHz，所以，选用谐振式传感器较合适。宽带

38、传感器：通常由多个不同厚度的压电元件组成，或者由凹球面形与楔形压电元件达到张宽频带的目的。有时为了测量到更加接近真实的声发射信号，以研究声源的特性，就需要采用宽带响应的传感器来获取根广范围频率的信号。宽带传感器的主要优点是采集到的声发射信号丰富、全面，其缺点是可能包含了噪声信号。高温传感器：应用较少，价格昂贵、灵敏度较低。需要耐高温的材料和结构，以及耐高温的耦合剂。高温结构的声发射监测往往采用波导杆。特定传感器：特殊要求或特殊方法的传感器。如仅响应平行于测试物体表面的振动量或仅响应垂直于测试物体表面的振动量的传感器。差动传感器：由两只正负极差接的压电元件组成，输出相应的差动信号，信号因迭加而增

39、大。传感器的选择：根据被检测结构的材料特性及缺陷类型等判断声源可能发射出的信号频率范围和幅度，选择合适的传感器类型。如钢材中焊接缺陷产生的声发射源信号频率范围在25KHz-750KHz之间，同时考虑噪声源的频率范围，尽可能避开其主要频率范围。对于实验室小试样，可选择微型传感器。大型常压立式储罐，选择的传感器，频率范围20KHz-60KHz，以接收到远距离传播的信号。第四章 声发射检测仪器系统声发射检测仪由传感器、前置放大器、数据采集处理系统和记录分析显示系统4个部分组成。声发射仪器中传感器接收采集来自声发射源的声波信号转换为电信号，电信号经前置放大器放大，由信号采集采集处理系统对声发射信号做处

40、理，由记录显示系统进行记录分析显示达到检测声发射源的目的。声发射传感器用于接收声波，将声能转换为电能； 两个主要的指标：灵敏度；工作频宽；传感器灵敏度的表征： 灵敏度的标定有表面波声场校准、纵波声场校准两种； 表面波沿声介质表面传播，经历传感器敏感面时，各点振动的相位不同； 平面纵波垂直介质表面传播，经历传感器敏感面时，各点振动的相位相同传感器频带的选用： 声发射实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属结构，如压力容器等，这类材料的各向异性较小，声波衰减系数也小，这类对象的缺陷检测多选用谐振式传感器比较合适，最常使用通带频率150KHz的谐振式窄带传感器来测量工程材料的声发射信号。 对于腐蚀、泄漏

41、等二类声发射信号，多使用谐振频率40KHz的谐振式传感器； 带宽和灵敏度是一对互相矛盾的指标，带宽越大，灵敏度相对越低，窄带更容易获得更高的灵敏度；应用的最终目的是高灵敏度； 宽带传感器由于在较宽的频带内响应灵敏度相对一致，因此做谱分析原则上要用宽带传感器； 前置放大器：传感器输出的信号的电压水平为微伏、毫伏量级的微弱信号，若经过长距离的传输，信噪比必然要降低。在靠近传感器位置设置前置放大器，将信号放大到一定程度，再经过高频同轴电缆传输给数据采集设备，常用有34、40到60dB增益 。 前放的输入是传感器输出的模拟信号，输出是放大后的模拟信号，前放是模拟电路。前置放大器也常具有模拟信号滤波器的

42、功能和发射标定声发射信号的功能。 根据数据采集处理系统的形式需要，前置放大器可以有内置于传感器内和内置于数据采集系统如无线声发射采集模块/手持声发射系统等，也可独立外置于传感器和数据采集系统之间由电缆连接。前置放大器主要指标： 放大倍数：固定增益通常为40dB或34dB等，可调增益一般设置20、40、60dB三档可调； 带宽：一般为宽带前放，也有少量具有滤波器作用的窄带前放； 噪声水平：一般输入噪声小于20微伏。有些特殊用途的前置放大器，噪声电平应小于2微伏 供电电源：和采集主机配套使用时由采集卡直接提供28伏直流供电，单独使用时会配备信号供电分离器，专门的电源适配器给前放独立供电； 输入输出

43、阻抗：高阻输入阻抗，一般为50欧输出阻抗，与后端的采集卡输入阻抗相匹配； 滤波器的功能和脉冲标定功能：窄带前放也相当于一个前端模拟滤波器；可发射电脉冲实现传感器自动标定功能； 内置、外置：根据数据采集处理系统的形式需要，前置放大器可以有内置于传感器内和内置于数据采集系统如无线声发射采集模块/手持声发射系统等，也可独立外置于传感器和数据采集系统之间由电缆连接。前置放大器主要功能特性： 传感器的输出阻抗比较高，前置放大器需要具有阻抗匹配和变换的功能。 有时传感器的输出信号过大，要求前置放大器具有抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力。并且具有比较大的输出动态范围。对于单端传感器要配用单端输入前置放

44、大器，对于差动传感器要配用差动输入前置放大器，后者比前者具有一定的抗共模干扰能力。在声发射系统中，系统的噪声由前置放大器的性能所左右。前置放大器在整个系统中的作用就是要提高信噪比，要有高增益和低噪声的性能。 具有调节方便，一致性好，体积小等优点。 由于声发射检测通常在强的机械噪声（频带通常低于50KHz）、液体噪声(通常100KHz1MHz)和电气噪声的环境中进行，因此前放还应具有一定的强抗干扰能力和排除噪声的能力。传感器信号线用于连接传感器与前置放大器，一般采用屏蔽良好的同轴电缆。由于传感器的信号输出非常微弱且阻抗很高，信号在传输过程中非常容易受到来自外界电磁信号的干扰。通过尽量缩短传感器信

45、号线的长度来降低干扰是主要方法，一般信号线的长度选择都在1米左右。传感器信号线的另一个重要技术指标是电容量。同轴电缆主要有50欧和75欧两种。声发射仪器多使用阻抗50欧的同轴电缆，电缆的长度一般选择在100米以内。其他配件：耦合剂：耦合剂一般选用真空脂，也可使用凡士林、黄油等具有良好声耦合性能的产品，对于高温环境应使用相应的高温耦合剂； 磁夹具：磁夹具用来将传感器固定到铁磁性检测对象上； 标定铅笔：最新的检测标准要求使用硬度为2H，直径为0.3的铅芯。 第五章 声发射信号处理方法目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大类，一种是以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征，然后对这些波形特征

46、参数进行分析和处理；一种是存贮和记录声发射信号的波形，对波形进行频谱分析。声发射信号的特点：瞬态性；多态性；易受噪声干扰。波形特性参数：波击（时间）计数；振铃计数；能量；幅度；持续时间；上升时间。声发射信号参数分析：事件计数；振铃计数；能量；幅度；持续时间；上升时间；平均信号电平；有效值电压。声发射信号的幅度通常以dBAE表示，定义传感器输出1mV时为0dB，则幅值为VAE的声发射信号的dBAE幅度。计数法是处理声发射脉冲信号的一种常用方法。目前应用的计数法有声发射事件计数率与振铃计数率及它们的总计数，另外还有一种对振幅加权的计数方式，称为“加权振铃”计数法。声发射事件是由材料内局域变化产生的

47、单个突发型信号，声发射计数(振铃计数)是声发射信号超过某一设定门槛的次数, 信号单位时间超过门槛的次数为计数率, 声发射计数率依赖于传感器的响应频率、换能器的阻尼特性、结构的阻尼特性和门槛的水平。 计数法的缺点是易受下列因素影响 ：样品几何形状；传感器的特性；耦合条件；门槛电压；接收仪器的响应。声发射能量反映声发射源以弹性波形式释放的能量；由于计数法测量声发射信号存在上述缺点，尤其对连续型声发射信号更明显，因而通常采用测量声发射信号的能量来对连续型声发射信号进行分析。目前，声发射信号的能量测量是定量测量声发射信号的主要方法之一。声发射信号的能量正比于声发射波形的面积，通常用均方根电压(Vrms

48、)或均方电压(Vms)来进行声发射信号的能量测量。 能量分析法的优点：Vrms和Vms对电子系统增益和换能器耦合情况的微小变化不太敏感, 且不依赖于任何阈值电压；Vrms和Vms与连续型声发射信号的能量有直接关系，但对计数技术来说，根本不存在这样的简单关系 ；Vrms与Vms很容易对不同应变率或不同样品体积进行修正。信号峰值幅度和幅度分布是一种可以更多地反映声发射源信息的处理方法，信号幅度与材料中产生声发射源的强度有直接关系，幅度分布与材料的形变机制有关。声发射信号幅度的测量同样受换能器的响应频率、换能器的阻尼特性、结构的阻尼特性和门槛电压水平等因素的影响。通过应用对数放大器，既可对声发射大信

49、号也可对声发射小信号进行精确的峰值幅度测量。不同的声发射源具有不同的幅度分布谱。声发射信号的幅度、事件和计数得到如下经验公式： N = 声发射信号累加振铃计数；P = 声发射信号事件总计数；f = 换能器的响应频率；t = 声发射事件的下降时间；b = 幅度分布的斜率参数。 声发射信号经历分析方法是通过对声发射信号参数随时间或外变量变化的情况进行分析，从而得到声发射源的活动情况和发展趋势 采用经历图分析方法对声发射源进行分析可达到如下目的： 声发射源的活动性评价；费利西蒂（Felicity）比和凯塞（Kaiser）效应评价； 恒载声发射评价；起裂点测量。声发射信号分布分析方法是将声发射信号撞击

50、计数或事件计数按信号参数值进行统计分布分析。 分布分析可用于发现声发射源的特征，从而达到鉴别声发射源类型的目的 。关联分析方法也是声发射信号分析中最常用的方法，对任意两个声发射信号的波形特征参数可以作它们之间的关联图进行分析，图中二维坐标轴各表示一个参数，每个显示点对应于一个声发射信号撞击或事件。通过作出不同参量两两之间的关联图，可以分析不同AE源的特征，从而能起到鉴别AE源的作用突发性信号定位:时差定位，是经对各个声发射通道信号到达时间差、波速、探头间距等参数的测量及复杂的算法运算，来确定波源的坐标或位置。时差定位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

51、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，在实际应用中也受到种种限制。 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或检测通道数有限而难以采用时差定位的场合。 平面定位柱面定位球面定位突发信号连续信号时差定位区域定位源定位幅度测量式区域定位衰减测量式定位互相关式时差定位干涉式时差定位一维定位二维定位三维定位独立通道监视信号到达次序当被检测物体的长度与半径之比非常大时，易采用线定位进行声发射检测，如管道、棒材、钢梁等。 影响声发射信号定位源精度的因素: 不唯一解；图形畸变 ；弱声发射源；强声源和多

52、声源；探头位置；波速 （多模态）；时差测量；硬件影响；门槛值设定；噪声影响；算法误差。连续声发射源定位的幅度测量方法：(1) 通过识别最高和第二高声发射输出信号，从声发射探头阵列中找到最靠近泄漏源的两个探头。在探头阵列之外的泄漏源不能采用幅度测量法进行定位。(2) 以分贝来确定两个探头输出的差值，并与被测物体的衰减特征进行比较。(3) 对于二维平面，两个探头确定了一条通过泄漏源的双曲线，因此需要第三个探头来得到另一条双曲线，两个双曲线的交点即为泄漏源部位。 幅度测量法定位的条件：(1) 必须将所有通道（包括探头和放大器）的灵敏度调整为相同。(2) 无任何电子或机械背景噪音。相关定位：对于任意一

53、函数A(t)和时间延迟为的函数B(t)，两个函数A(t)和B(t+)在有限时间间隔内的互相关函数RAB()在=肯定包含一个最大值，这一互相关方法可用于连续型声发射源的定位。干涉式定位方法：(1) 在感兴趣的二维或三维空间内定义一个位置；(2) 计算信号从定义位置到所有探头之间的传播路径长度，通过已知波速计算波到达阵列中所有探头的传播时间和各个探头的时间延迟；(3) 按预定的时间同时捕捉每一个探头的输出，按照第2步计算的延迟时间推迟各通道的采样时间；(4) 确定所有延迟的探头间的相干性，高水平的相干性指出在假设的源部位有泄漏发生；(5) 如果相干性较低，假设另外一个部位从第2步重复进行。波形分析

54、：指通过分析声发射（AE）信号的时域波形或频谱特征来获取信息的一种信号处理方法。理论上讲，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而波形也是表达AE源特征的最精确的方法，并可导致对AE的定量了解。时域分析：描述信号在时间域的完全信息，常用的统计特征参数有：波形时域特征描述参数，比如最大幅值，相关函数等。频谱分析方法：可以分为经典谱分析和现代谱分析两大类，它们都是声发射信号处理中最常用的分析方法。经典谱分析法以傅立叶变换为基础，简单、方便，但是其分辨率不高，且谱估计误差较大。现代谱分析法以合适的参数模型来拟合信号或用数学上正交处理方法分离信号，提高了谱的分辨率和谱估计的统计稳定性。两种谱分析方法都是

55、通过把声发射信号从时域转换到频域，在频域中研究声发射信号的各种特征，找到识别声发射源本征信息。因为从理论上讲，不同的声发射源发出的信号都含有反应其本质特征的信息。频谱分析就是要对时域信号不能发现的信息，以期在频域中得到反应。 声发射信号的小波多分辨分析就是把信号在一系列不同层次的空间上分解，从而以不同的层次显示信号的特征。第六章 声发射检测技术检测仪器选择的影响因素：(1) 被监测的材料：声发射信号的频域、幅度、频度特性随材料类型有很大不同，例如，金属材料的频域约为数kHz数MHz，复合材料约为数kHz数百kHz，岩石与混凝土约为数Hz数百kHz。对不同材料需考虑不同的工作频率。 (2) 被监

56、测的对象：被检对象的大小和形状、发射源可能出现的部位和特征的不同，决定选用检测仪器的通道数量。对试验室材料试验、现场构件检测、各类工业过程监视等不同的检测，需选择不同类型的系统，例如，对实验室研究，多选用通用型，对大型构件，采用多通道型，对过程监视，选用专用型。 (3) 需要得到的信息类型：根据所需信息类型和分析方法，需要考虑检测系统的性能与功能，如信号参数、波形记录、源定位、信号鉴别、及实时或事后分析与显示等。 声发射检测系统的校准包括在试验室内对仪器硬件系统灵敏度和一致性的校准与在现场对已安装好传感器的整个声发射系统灵敏度和定位精度的校准。模拟声发射信号的产生装置一般包括两种，一种是采用电

57、子信号发生器驱动声发射压电陶瓷传感器发射机械波，另一种是直接采用铅笔芯折断信号来产生机械波。校准的步骤：(1) 仪器硬件灵敏度和一致性的校准：对仪器硬件系统的校准直接采用专用的电子信号发生器来产生各种标准函数的电子信号直接输入前置放大器或仪器的主放大器，来直接测量仪器采集这些信号的输出。比如，GB/T18182-2000标准规定：仪器的门槛精度应控制在±2dB范围内；处理器内的幅度测量电路测量峰值幅度值的精度为±2dB；处理器内的能量测量电路测量信号能量值的精度为±5%，同时要满足信号能量的动态范围不低于40dB；系统测量外接参数电压值的精度为满量程的2%。 (2) 现场声发射检测系统灵敏度的校准：通过直接在被检构件上发射声发射模拟源信号来进行校准。灵敏度校准的目的是确认传感器的耦合质量和检测电路的连续性，各通道灵敏度的校准为在距传感器一定距离（压力容器规定为100mm）发射三次声发射模