1-声发射技术及应用-1-(1)解析

声放射技术及应用东北石油高校戴光￭教授、博士生导师￭无损检测学会副主任￭邮箱：Gdai126@126￭手机放射技术及应用东北石油高校戴光什么是声放射？声放射检测原理声放射技术的特点主要探讨内容传统声放射的定义声放射(AcousticEmission，简称AE)是指物体在受到形变或外力作用时，因快速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。一、什么是声放射？

一、什么是声放射？广义的声放射随着声放射探讨领域的扩大，声放射的含义已广义化，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。这些广义说明的AE情形很多，而且有大量的探讨成果。二、声放射检测技术原理声放射检测技术原理图声放射源材料中传播换能器背景噪声耦合界面综合分析探讨数据显示信号处理声放射仪（接收信号）其它辅助信息推断声发源状态或严峻度由于声放射技术具有动态检测与分析的特点，从50年头以来，声放射技术得到很多发达国家工业的重视，在理论探讨、试验探讨和工业好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，声放射理论和技术探讨主要围绕、正反两个问题进行—即声放射源识别和声放射源评价，具体探讨内容可概括为几个方面:三、声放射技术的主要探讨内容不同声放射源模式或物理机制的理论与试验探讨。声放射波在固体材料中的传播理论。机械声放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。声放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放射检测分析仪。三、声放射技术的主要探讨内容声放射信号处理（如利用神经网络技术对声放射源特性进行模式识别，模糊综合评价等）的新理论、新方法。声放射检测/监测、评价的新方法及标准。声放射含义的广义化——扩展新的探讨和应用领域。三、声放射技术的主要探讨内容不同声放射源模式或物理机制的理论与试验探讨声放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。五十年头初，德国人凯塞尔(Kaiser)通过对多种金属材料声放射现象的探讨，发觉了声放射不行逆效应－凯塞效应：即声放射现象在第一次加载时产生，假如其次次及以后各次加载载荷小于等于第一次加载载荷，此时不产生声放射，但当载荷大于第一次加载载荷时，又将产生声放射。三、声放射技术的主要探讨内容凯赛尔博士试验用的仪器和设备DrKaiser’s

AE-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放射的主要来源。六十年头，在美国出现了声放射技术的探讨高潮。Schofield提出了声放射来源于材料内部机制－位错运动。连续型声放射信号来源于位错钉扎和交叉滑移；突发型声放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、声放射技术的主要探讨内容声放射波在固体材料中的传播理论三、声放射技术的主要探讨内容回想一下石子或小鸟落进池塘时所产生的水纹，就可以想象出声放射波的形象。水纹从源处向外扩散最终到达岸边，以一种很困难的方式反射并最终消逝。由于水纹的作用，靠近池塘岸边的漂移软木塞会以一种很困难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逝。声放射波的传播具有相同的原理。来自于源事务的短脉冲仅仅是声放射过程的起先。在传感器处的运动已大不同于源处的原始振动。三、声放射技术的主要探讨内容池塘中水纹和构件中声放射波的主要差别是声放射过程的发生要快很多倍。典型的声放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逝。在池塘和构件之间的另外一个不同点就是，通常状况下构件中波的传播更困难。首先，构件有很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、声放射技术的主要探讨内容波的传播模式声放射波在介质中的传播，依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样的，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、声放射技术的主要探讨内容2.横波各质点的运动状况与纵波状况相像。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、声放射技术的主要探讨内容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年首先探讨并证明其存在的。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快速减弱。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、声放射技术的主要探讨内容4.板波假如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、声放射技术的主要探讨内容a0Lamb波模式（弯曲模式）是声放射检测中最重要的波型。它通常状况下会产生一种比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。声放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。机械声放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、声放射技术的主要探讨内容外壳接头

压电晶体耐磨板声发射传感器结构示意图

为了感觉到声放射波，运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别电荷。在声放射传感器中，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。元件不须要额外的电源。高灵敏度、多频带宽度和用途的传感器三、声放射技术的主要探讨内容传感器的类型、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、声放射技术的主要探讨内容声放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放射信号是随机和不确定的困难信号，选取哪些特征参量，正确地记录和描述这些信号，是声放射检测技术中遇到的第一个重要问题。到目前为止，还不能干脆检测到声放射源放射出的原始波形，声放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放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，声放射信号的幅度、能量、振铃、计数、事务、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、总事务数、总能量、计数率、RMS、幅度分布和定位点分布等，再利用帮助参量(如压力、温度、时间、位移和应变等)，就可得到数十个相关图。三、声放射技术的主要探讨内容

在实际的声放射检测中，检测到的单个信号是经过多次反射和波型变换的困难脉冲信号。在声放射检测分析仪中，对单个声放射信号常用以下6个表征参量。（1）声放射事务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，该脉冲就是一个事务计数。一般，一个声放射事务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、声放射技术的主要探讨内容声放射信号特征参量三、声放射技术的主要探讨内容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。能量将声放射信号的幅度平方，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终一个超过门槛值振铃脉冲之间的时间为持续时间。三、声放射技术的主要探讨内容三、声放射技术的主要探讨内容统计参量的表征方法在材料测试和压力容器声放射检测过程中，将采集到大量的声放射信号，对这些信号进行处理和分析需接受统计参量的表征方法。（1）事务总计数、事务计数率、振铃总计数和振铃计数率在声放射信号处理中，将试验起先到结束(或某一阶段)的事务计数进行累积，称为事务总计数。也可以计单位时间内的事务数目，称为事务计数率。事务计数方法着重声放射事务出现的数目和频度，而不留意事务的幅度。它相当于裂纹扩展过程中释放应变能的次数和变更率。三、声放射技术的主要探讨内容从试验起先到结束(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更率有关。但是，由于振铃计数受传感器的特性和试件、结构的几何形态等因素的影响很大，所以测试中更常用事务总计数和事务计数率。（2）幅度分布幅度分布是指按声放射信号峰值幅度的大小分别进行事务累积计数。试验表明，不同的声放射源具有不同的幅度分布，主要有随幅度增加而事务数单调削减的高斯分布和对数正态分布两种。它也是反映声放射源本质的重要统计特征参量。三、声放射技术的主要探讨内容（3）总能量和总幅度从试验起先到某一阶段测得的声放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、声放射技术的主要探讨内容声放射源定位在声放射检测中，声放射源(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。这些声放射源多数表现为点源，并以球面波的形式向四面八方放射能量。因此，一个声放射传感器的检验是无取向性的。两个声放射传感器通过时差计算对声放射源可以进行线定位，而三个以上传感器通过时差计算可对声放射源进行面定位。由于瞬态应力波在传播过程能量渐渐衰减，因此，传感器之间距离应在声源的可检测范围之内。三、声放射技术的主要探讨内容衰减当声波在构件中传播时，它的幅度就降低。这一影响称为衰减。衰减是由几个因素造成的。在大多数结构中，最主要的因素是几何扩散，结构边界的散射以及吸取。在现实的结构中，边界把应力波限制在一个有限的空间里，所以来自于波束扩散的衰减是有限的。衰减的其次个主要缘由就是在结构边缘或几何不连续处的反射（散射）。当波遇到不连续处时，一部分能量被反射回来。衰减的第三个缘由是吸取。波中的弹性能和动能被传导波的材料吸取并转化成热量。绘制衰减曲线的方法：在距传感器不同距离的几个位置上各断铅几次，然后记录每次断铅的幅度。在每个距离上取幅度的平均值，然后绘出平均幅度随距离的曲线图。三、声放射技术的主要探讨内容声放射源定位是声放射检测与评定中一个重要指标。较常见的有区域定位法和点定位法（也称时差定位法）。区域定位方法对传感器的安装位置没有特殊要求，即不必依据确定的阵列形式布置，传感器的间距可以较大，但要求在被检区域随意位置处的声源信号至少被其中一个传感器接收到，声源的位置就是首先接收到该声源信号的传感器的位置。该方法灵敏且检测范围大，但定位结果因为是表示确定区域内的缺陷，所以具有不确定性。依据时差定位原理，推导出声源线定位公式：a=v△t/2(△t为正，a在x轴的正方向）例：已知压力容器上两传感器S1和S2的间距L=1600mm,在传感器S1处断铅，测得到达传感器S2的时差为△t=500μs。波速v＝2a/△t=1.6/(500×10-6)=3200m/s声源线定位原理2a2LS2S1XY●●▲声源声源线定位图声源三角定位原理声源球面定位三、声放射技术的主要探讨内容数字式声放射检测分析仪AMSY-5:1stAE-systemwithcentralPCIbuscontroller.AMSY4-channelscanbe usedwithAMSY-5.ForWindows2KandXP..数字式新型声放射检测分析仪－AMSY-5

2通道AE卡——PCI-2现代科学技术史的探讨表明,一门新技术的发展必需具备三个条件:●社会须要●具有新的方法和独特之处●对探讨者有很强的吸引力四、声放射检测技术的特点声放射技术之所以有生命力,除了该技术的社会发展背景和