《无损检测（第2版）》 课件第六章 声发射检测

无损检测（第2版）

第六章声发射检测图6.1声发射检测原理示意图第一节声发射检测的基本原理2声发射检测是一种通过探测和分析材料中声发射源的信号

来评定材料性能或结构完整性的无损检测方法。从声发射源发射的弹性波传播至被检测材料表面时，由于波的振动引起了材料表面位移的变化，可以用声发射传感器探测位移变化情况，进而将其转换为电信号，然后再被放大、滤波等处理后进行存储，最后可对声发射信号进行分析及判定。若对声发射信号进行实时检测，就可以连续监测材料或结构内部变化的整个过程。一、声发射源3当材料或结构受应力作用时，由于其微观结构的不均匀以及缺陷的存在，导致局部产生应力集中，造成不稳定的应力分布。当这种不稳定状态下的应变能积累到一定程度时，不稳定的高能状态一定要向稳定的低能状态过渡。在此过程中将产生应变能并被释放，其中一部分以弹性应力波的形式释放出来，这种以弹性应力波的形式释放应变能的现象即所谓的“声发射”。产生应力波的部位即为声发射源（下简称“源”），通过分析“源”释放的声信号可以确定材料发生损伤以及缺陷的位置，甚至可以评价出损伤程度和缺陷大小。图6.2裂纹扩展期间释放应变能的分配过程一、声发射源4（一）突发型和连续型声发射声发射信号的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，而且它的幅度动态范围亦很广，从微弱的位错运动直到强烈的地震波。目前人们根据声发射时间是否可区分将声发射信号分为突发型和连续型两类。（a）突发型信号波源

（b）突发型信号频谱曲线图6.3突发型声发射信号类型及相应的频谱曲线（a）连续型信号波源

（b）连续型信号频谱曲线图6.4连续型声发射信号类型及相应的频谱曲线一、声发射源5（二）金属材料中的声发射源引起声发射的材料局部变化称为声发射事件，而声发射源是指材料局部产生声发射现象的物理源点。在金属材料中，有许多种损伤与破坏机制可产生声发射源。（三）非金属材料中的声发射源目前，人们已经对岩石、玻璃、陶瓷和混凝土等非金属材料这类脆性材料进行了声发射现象的研究和应用，发现这些材料中的“源”主要为微裂纹开裂和宏观开裂。图6.5金属材料中的声发射源6一、声发射源（四）复合材料中的声发射源复合材料是由基体材料和分布于整个基体中的第二相材料熔融固化制备而成的。根据第二相材料的不同，可将复合材料分为扩散增强复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料。在扩散增强和颗粒增强复合材料中，“源”主要包括基体开裂和第二相颗粒与基体的脱粘。而在纤维增强复合材料中，声发射源类型主要包括：1）基体开裂；2）纤维与基体的脱开；3）纤维拔出；4）纤维断裂；5）纤维松弛；6）分层；7）摩擦。（五）其他声发射源1）常压贮罐的底部泄漏，阀门的泄漏和埋地管道的泄漏；2）氧化物或氧化层的开裂；3）夹渣开裂；4）摩擦源；5）液化和固化；6）元件松动、间歇接触；7）流体和非固体；8）裂纹闭合；9）变压器局部放电。第二节声发射检测的物理基础7一、凯赛尔效应凯赛尔效应指的是声发射现象是不可逆的，是应变能快速释放不可逆性的反映。产生凯赛尔效应的原因包括位错、滑移、塑性变形和裂纹生成、扩展及断裂等。凯赛尔效应在声发射技术中的重要用途包括：（1）在役构件新生裂纹的定期过载声发射检测；（2）岩体等原先所受最大应力的推测；（3）疲劳裂纹起始与扩展的声发射检测；（4）通过预载措施消除加载销孔的噪声干扰；（5）加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。凯赛尔效应反映了声发射现象的实时性，

连续检测材料的声发射信号可以获得实时的物体内部组织结构的变化信息。图6.6凯赛尔效应二、费利西蒂效应8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，也称为反凯赛尔效应。重复加载时的声发射起始载荷P1对原先最大载荷P2之比P1/P2，称为费利西蒂比，它可以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。费利西蒂比大于或等于1（一些复合材料中为0.95）表示凯赛尔效应成立，反之则表示不成立。三、声波的传播9弹性波传播是材料对于不平衡或者动态力的响应。对于声发射检测而言，当固体材料受到外部的拉伸力或挤压力时，会出现局部的弹性形变，随着力的增加，弹性形变到达极限形成了固体的剪切变形，在这个过程中会产生两种类型的波，一种是纵波（也称压缩波），另外一种是横波（也称切变波）。上述两种声波在“源”处产生后，将向四周进行传播，当传播到材料表面时，一部分声波会被放置在材料表面且位于该声波传播路径上的声发射传感器直接采集到，形成声发射信号。三、声波的传播101、声波的波速声波在介质中的传播速度，取决于介质的弹性模量、密度和泊松比等参数，对于理想的均匀介质，纵波声速与横波声速可分别由下式表示：式中，VL是纵波速度；VT是横波速度；s是泊松比；E是杨氏模量；G是切变模量；r是密度。材料纵波声速（km/s）横波声速（km/s）空气0.34—水1.48—油1.7—铝6.33.1铸铁4.52.5钢5.93.23302不锈钢5.563.12表6-1常见材料的声速值三、声波的传播112、声波的衰减（1）几何衰减指的是声波传播中因波阵面扩张引起的声强减小。当声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，随着波传播距离的增加，波的幅度逐渐减小。（2）频散是在某些物理系统中波速（光波、声波和电磁波等）随频率变化引起的一种现象。实际的声发射信号包含多种频率成分，由于频散效应，随着波传播距离的增加，各频率成分发生分离或扩展，导致信号幅度下降。（3）散射和衍射衰减声波在具有复杂边界或不连续（如空洞、裂纹、夹杂物等）的介质中传播时，会与上述几何不连续发生相互作用，产生损耗。（4）材质衰减在非理想介质中，由于存在材料内摩擦作用、塑性形变以及裂纹扩展等因素，因此声波传播在其内部传播的总机械能是逐渐衰减的。（5）其它因素引起的衰减一种是因声波向相邻介质“泄漏”而造成波的幅度下降。四、声发射检测技术特点12优点：（1）受被检测工件的形状影响小，可以检测不同形状的工件；（2）对缺陷的动态变化较为敏感，能够检测出动态缺陷的微量增长；（3）受外部环境的限制小，高低温、辐射等恶劣环境下均可适用；（4）可提供缺陷随载荷、时间、温度等变量改变而实时或连续变化的信息，因而适用于工业过程在线监控及材料早期损坏预报；（5）可采用多个通道同时检测，能够实现结构整体损伤的高效率检测。缺点：（1）声发射特性对材料特性本身十分敏感，又易受到各类环境噪声的干扰，因此对检测数据的解释依赖于数据库和现场检测经验；（2）声发射检测通常需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时需要针对性地进行特殊准备；（3）声发射检测目前只能给出“源”的位置和强度，不能直接给出缺陷的性质和大小。第三节声发射信号处理和分析方法13对声发射信号进行处理和分析的主要目的包括：1）确定“源”的位置；2）分析“源”的性质；3）确定声发射信号发生的时间或载荷；4）评定“源”的级别。最终确定被检工件中是否含有缺陷及其状态。根据声发射信号处理系统性能和功能，声发射信号的分析和处理主要包括：（1）信号识别（定性）通过对感兴趣的信号或信号成分的提取和识别，来推断“源”的性质以及判断“源”的类型；（2）信号评估（定量）通过定量分析声发射信号强度和频度等参数，来评价材料或构件的损伤程度；（3）源定位（定位）通过传感器接收“源”信号的时间参数来确定“源”的位置。第三节声发射信号处理和分析方法14根据声发射信号分析对象，可将声发射信号处理和分析方法分为：声发射信号特征参数分析，是指借助信号分析处理技术直接分析声发射信号的特征参数，然后依据参数分析结果来对“源”进行评价，该方法可以实现分析数据的可视化，在实际检测应用中具有较好的可行性。声发射信号波形分析，则是根据所获取信号的时域波形及其频域参量、相关函数等来获取声发射信号所含信息的方法，常见的方法如快速傅里叶变换（FastFourierTransform，FFT）以及小波变换等。因具有优越的噪声滤除性能，其工程实用性较好。一、声发射波形特征参数的定义15声发射特征参数是指从声发射波形中提取的一系列描述波形的参数。根据突发型声发射信号波形模型可以得到如下的声发射特征参数：

1）撞击（事件）计数；2）振铃计数；3）能量；4）幅度；5）持续时间；6）上升时间。

对于连续型声发射信号，上述模型中只有振铃计数和能量参数可以使用。为了更确切地描述连续型声发射信号的特征，需要引入平均信号电平和有效电压值两个特征参数。图6.7声发射信号简化波形参数的定义一、声发射波形特征参数的定义16实际的声发射信号因受被检测材料的几何效应影响，其波形往往如图6.8所示，即呈现一系列波形包络信号。引入声发射信号撞击定义时间（HitDefinitionTime,HDT），将一连串的波形包络划入一个撞击信号。当声发射检测仪器设定的HDT大于两个波包过门限的时间间隔T时，则这两个波包被视为同一个声发射撞击信号；但如仪器设定的HDT小于T时，则这两个波包被划归为两个独立的声发射撞击信号。图6.8声发射撞击信号的定义参数含义特点与用途撞击计数超过阈值并使某一通道获取数据的任何信号称为一个撞击，可分为总计数、计数率反映AE活动的总量和频度，常用于AE活动性评价事件计数由一个或几个撞击，鉴别所得AE事件的个数，可分为总计数、计数率反映AE事件的总量和频度，用于源的活动性和定位集中度评价振铃计数越过门槛信号的振荡次数，可分为总计数和计数率粗略反映信号强度和频度，广泛用于AE活动性评价，但甚受门槛的影响幅值事件信号波形的最大振幅值，通常用dB表示直接决定事件的可测性，常用于波源的类型鉴别、强度及衰减的测量能量计数事件信号检波包络线下的面积，可分为总计数和计数率反映事件的相对能量或强度。可取代振铃计数，也用于波源的类型鉴别持续时间事件信号第一次越过门槛到最终降至门槛所经历的时间间隔，以µs表示与振铃计数十分相似，但常用于特殊波源类型和噪声鉴别上升时间事件信号第一次越过门槛至最大振幅所经历的时间间隔，以µs表示因甚受传播的影响而其物理意义变得不明确，有时用于机电噪声鉴别有效值电压RMS采样时间内信号电平的均方根值，以V表示与AE的大小有关。不受门槛的影响，主要用于连续型AE活动性评价平均信号电平ASL采样时间内信号电平的均值，以dB表示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，尤为有用。也用于背景噪声水平的测量时差同一个AE波到达各传感器的时间差，以µs表示决定于波源的位置、传感器间距和传播速度，用于波源的位置计算外变量试验过程外加变量，包括经历时间、载荷、位移、温度及疲劳周次不属于信号参数，但属于撞击信号参数的数据集，用于AE活动性分析一、声发射波形特征参数的定义17表6-3声发射信号特征参数二、声发射特征参数分析方法18（一）声发射信号单参数分析方法1、计数分析法当材料局部发生变化时，可产生突发型声发射脉冲信号，计数分析法是处理该信号的一种常用方法。声发射计数，亦称为振铃计数，是指声发射信号超过某一设定门限的次数，而信号单位时间超过门限的次数则称为计数率。对于一个声发射事件，由声发射传感器探测到的声发射计数可以表示为：式中，f0是传感器响应中心频率；β是波的衰减系数；Vp是峰值电压；Vt是阈值电压。计数分析法的缺点是易受样品几何形状、传感器的特性及连接方式、门限压、放大器和滤波器的工作状况等因素的影响。二、声发射特征参数分析方法19（一）声发射信号单参数分析方法2、能量分析法在对连续型声发射信号进行分析时，多采用基于声发射信号能量分析方法。通常选用均方根电压（Vrms）或均方电压（Vms）进行测量。以突发型声发射信号为例，可以对每个撞击的能量进行测量，一个信号V(t)的均方电压和均方根电压定义如下：式中，ΔT是平均时间；V(t)是随时间变化的信号电压。根据电子学理论，可知Vms随时间的变化量即为声发射信号的能量变化率，声发射信号从t1到t2时间内的总能量E可表示为，声发射信号能量的测量可与材料的重要物理参数直接关联，且可解决小幅度连续型声发射信号的测量问题。此外，Vrms和Vms不依赖于任何阈值电压，对电子系统增益和传感器耦合状态的微小变化不敏感。Vrms和Vms与连续型声发射信号的能量有直接关系，分析过程较为简单。二、声发射特征参数分析方法20（一）声发射信号单参数分析方法3、幅度分析法信号幅度与材料中“源”的强度有直接关系，而幅度分布则与材料的形变机制密切相关，因此信号幅度及其分布进行分析可以更多地反映“源”信息。在声发射信号幅度的测量过程中，传感器的响应频率、阻尼特性以及门限电压水平等因素均会对测量结果产生影响。目前，已经建立了描述声发射信号的幅度、撞击和计数关系的经验公式：式中，N是声发射信号累加振铃计数；P是声发射信号撞击总计数；f是传感器的响应频率：τ是声发射撞击的下降时间；b是幅度分布的斜率参数。二、声发射特征参数分析方法21（二）声发射信号其他分析方法1、经历图分析法经历图分析法是指通过对声发射信号的某一个特征参数随时间或其他外变量的经历变化进行分析，从而获取“源”在整个实验过程中的状态和发展趋势。采用经历图分析方法对“源”进行分析，可以实现如下目的：（1）声发射源的活动性评价（2）凯赛尔效应和费利西蒂比（3）恒载声发射评价（4）起裂点测量图6.9压力容器加压过程中

裂纹扩展声发射信号随时间的变化经历图二、声发射特征参数分析方法22（二）声发射信号其他分析方法2、分布图分析法分布分析是对声发射撞击或事件计数在某个声发射参数上统计分布的一种声发射信号分析方法。分析时通常以持续时间、幅值或能量等作为横轴，声发射撞击数等作为纵轴，进而观察声发射计数在某一参数上的分布情况。分布图分析法多用于故障损伤的鉴别，此外，该方法也可用于评价“源”的强度。图6.10压力容器加压过程中裂纹扩展声发射信号随时间的参数分布图二、声发射特征参数分析方法23（二）声发射信号其他分析方法3、关联图分析法关联分析方法是声发射信号分析中最常用的方法之一，该方法可对任意两个声发射信号的波形特征参数之间的关联图进行分析。将某两个声发射信号波形参数分别作为横坐标和纵坐标，而图上每个点则代表一个声发射撞击，因此可通过对这两个参数的关联性分析来获取“源”的特征，也可用于噪声的鉴别。图6.11压力容器加压过程中裂纹扩展和泄露声发射信号参数的关联图三、声发射源定位技术24在缺陷的声发射定位检测过程中，其核心问题是由传感器接收到的声发射信号反推“源”的问题，即所谓的“反向源”或“逆源”问题。通常的做法是将几个压电传感器按一定的几何关系放置于被检测材料的指定位置上，从而组成传感器阵列，通过测定从“源”发射的声波传播到各传感器的时间，据此求出相对时差，然后将这些时差代入满足该阵列几何关系的方程组中求解，从而得到“源”的位置坐标，即完成了缺陷的定位检测。三、声发射源定位技术25（一）直线定位法当被检物体的长度与半径之比很大时，可采用直线定位进行声发射检测，如管道、棒材、桥梁拉索以及钢梁等。等直线定位法是在一维空间中放置两个传感器，它们所确定的“源”位置必须在两个传感器连线上，“源”位置可以由下式确定：式中T1是声发射信号到达1号传感器的时间；T2是声发射信号到达2号传感器的时间；D是两传感器之间的距离；V是声波在被检测材料中的传播速度。图6.12声发射源时差直线定位原理图三、声发射源定位技术26（二）平面三角形定位法当需要监测一个相对较大的平面区域时，可以采用平面三角形定位检测法进行“源”定位。通过三个传感器来确定声发射信号到达时间及两个时差，则可由下式计算出“源”位置。图6.13声发射源时差三角形法定位原理图三、声发射源定位技术27假设根据传感器S2和S3之间的时差

tx计算得到双曲线为1，而由传感器S1和S4之间的时差ty所得双曲线为2，“源”为Q，传感器S2和S3间距为a，S1和S4的间距为b，则“源”位于两条双曲线的交点Q

(X,Y)上，其坐标可计算得到：（三）四传感器阵列平面定位法四传感器阵列平面定位法实际上是对上面的平面三角形定位法的改进，某些条件下求解会得到双曲线的两个交点，此时将存在1个真实的“源”和1个伪“源”，而如果增加一个传感器，四个传感器构成的菱形阵列进行平面定位，则只会得到一个真实的“源”。图6.14声发射源时差四传感器法定位原理图式中Lx=

txV，Ly=tyV。三、声发射源定位技术28（四）声发射源定位的影响因素由于材料内部结构的非匀质性、各向异性以及加载条件、受载历史的不同等，会对声发射信号的传播速度等产生一定影响，从而影响到“源”的定位精度。波速的影响声发射信号在材料内部的传播过程中若遇到不连续结构，则会引起声波传播路径的改变，同时波速也可能会有所改变。衰减的影响当传感器与“源”距离较大时，使得本应该被采集到的声发射信号因为衰减信号幅值过低而被传感器漏掉，造成较大的误差甚至漏检。传感器位置的影响声发射传感器位置的坐标是作为已知参数的，将对“源”定位产生直接影响。时差的影响声发射信号本身的复杂性与随机性，会在不同程度上降低定位的准确性。四、声发射信号处理技术29（一）基于FFT的频谱分析技术频谱分析是一种将复杂信号分解为较简单信号的技术。找出一个信号在不同频率下的信息（如振幅、功率、强度或相位等）的做法即为频谱分析。声信号处理中通常采用离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform,DFT）对检测信号进行频域分析：

式中，X(k)是离散频谱的第k个值，x(n)是时域采样的第n个值。时域与频域的采样数目相同均为N。

（k＝0,1,…N-1）

（n＝0,1,…N-1）四、声发射信号处理技术30（二）小波分析技术小波变换同时具有在时域和频域描述信号局部特征的能力，既可以反映出某个局部时间范围内信号的频谱信息，又可以给出某一频率范围内信息对应的时域信息情况。定义任意平方可积的函数为，其傅利叶变换为，如果满足：式中，是小波基函数，将进行伸缩和平移后可以得到一个小波序列：式中，a是尺度因子，b是时间因子。对于任意平方可积的函数，其连续小波变换的定义为：若对a和b进行离散化处理，则可定义的离散小波变换函数。由于小波函数具有可变的时窗和频窗，因此小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化特性，

对于含有瞬态变化特征的声发射信号具有较好的适用性。四、声发射信号处理技术31（三）人工神经网络模式识别分析技术研究人员通过对大量的声发射信号进行人工神经网络模式识别分析，发现这种技术能够对某些声发生源的性质进行判断。在众多人工神经网络模型中，误差反向传播（backpropagation，BP）训练算法的神经网络模型应用较为广泛，该模型包含输入层、隐含层和输出层，其中隐含层内可以包含一层或多层神经节点。采用该方法可以对压力容器产生声发射源信号的机制进行定量分析，包括表面裂纹、深埋裂纹、夹渣未焊透、残余应力和机械撞击摩擦等。第四节声发射检测的应用32一、声发射在材料特性研究中的应用（一）材料脆性表征声发射技术特别适用于监测脆性材料失稳开裂演化过程，可以连续、实时地监测载荷作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，而且可以对其破坏位置进行定位。（二）材料损伤表征声发射特征参数可用于表征金属构件的损伤演化，可以通过试件在某一特定荷载或特定时刻的累积声发射参数与最大荷载作用时的声发射累积参数的比值，来表征材料的损伤状态。此外，应用声发射技术还可以研究应力腐蚀断裂，氢脆断裂和监测马氏体相变等。第四节声发射检测的应用33二、声发射在焊接质量检测中的应用（一）焊接质量监测声发射技术可以通