声发射培训教材.ppt

1、蒋 仕 良 全国特种设备无损检测考委会考委 （RT、UT、MT、PT、AE五项高级资格） 天津石化公司机械研究所 高级工程师 TEL2,第一章绪论,3,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。 (Acoustic Emission, 简称AE) ，也称为应力波发射。 声发射事件引起声发射的局部材料变化。 声发射源材料中直接与变形和断裂机制有关的弹性波发射源。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。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。 其它声发射源流体泄漏、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

2、称为二次声发射源。,声发射的概念,4,声发射信号的频率几HZ到数MHZ，包括次声频、声频（20HZ20KHZ）、超声频。 声发射信号幅度从微观的位错运动到大规模的宏观断裂，变化范围很大，波长范围从10-13m的微观位错运动到1m量级的地震波；传感器的输出可包括数v到数百mv。不过多数声发射信号为只能用高灵敏度传感器才能探测到的微弱振动。 声发射检测技术用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术 。,5,1 声发射技术发展,最自然的声发射：如折断树技、岩石破碎和折断骨头、地震等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。 五十年代初：现代的声发射技术的开始以K

3、aiser在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。 Kaiser Amercian,a student of Germany Munich Universty。 Kaiser Effect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。 Felicity Effect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。（PAEPmax），称为费利西蒂比。 PAEPmax 0.95作为声发射源超标的重要判据。,6,1 声发射技术发展,五十年代末：美国人Kaiser，Sch

4、ofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起5。 六十年代初：Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代, 美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作, 将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。,7,1 声发射技术发展,七十年代初：Dunegan等人于开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提高到100KHz-1MHz的范围内 。整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析

5、方面开展了广泛和系统的深入研究工作。 八十年代初：美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。,8,1 声发射技术发展,由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。 九十年代：美国PAC公司、美国DW公司和德国Vallen Systeme公司先后分别开发生产了计算机化程度

6、更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。,9,1 声发射技术发展,我国于七十年代初首先开展了金属和复合材料的声发射特性研究，八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用，目前我国已在声发射仪器制造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领域开展了广泛的研究和应用工作。 我国于1978年在中国无损检测学会成立了声发射专业委员会，并于1979年在黄山召开了第一届全国声发射学术会议，近年来已固定每两年召开一次学术会议，到目前为止

7、已召开了十一届（浙江杭州）。 声发射标准：ASME、ASTM、BS、DIN、JIS、EROUP、CHINESE（GB/T18182-2000），AND SO ON。,10,2 声发射检测的基本原理,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。根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。,11,3 声发射检测的的主要目的,确定声发射源的部位； 分析声发射源的性质； 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

8、局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。 GB18182：检测由金属压力容器压力管道的器壁、焊缝、装配的零部件等表面和内部产生的声发射源，并确定声发射源的部位及划分综合等级。,12,4 声发射技术的特点,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；,13,4 声发射技术的特点,声发射技术的优点 (5) 适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温

9、、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。,14,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陷

10、的性质和大小，仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。,4 声发射技术的特点,15,5 声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比,16,6 声发射技术的应用领域,(1) 石油化工工业； (2) 电力工业； (3) 材料试验； (4) 民用工程； (5) 航天和航空工业； (6) 金属加工； （7) 交通运输业； (8) 其他。,17,第一章习题：,18,第二章声发射检测的物理基础,19,第一节 材料的结构,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

11、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,20,第一节 材料的结构,封闭致密六边形（晶体）,21,第一节 材料的结构,面心立方（有色金属、 奥氏体） 体心立方（碳钢、低合金钢、铁素体）,22,第一节 材料的结构,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。,23,第一节 材料的结构,晶体中的点缺陷 ：空位

12、、间隙原子 、点缺陷 、杂质原子,24,第一节 材料的结构,刃型位错 螺型位错,a）刃型位错 b）螺型位错,25,第一节 材料的结构,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。,在晶粒内部，有可能存在各种不同材料的微小的夹杂物，例如，铁素体钢中的部分碳可以形成Fe3C（碳化铁），它具有自已的结晶结构，并在局部位置上代替了铁素体晶格。夹杂对金属的机械性能具有非常大的影响。,26,第二节 材料力学,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

13、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。,27,第二节 材料力学,拉应力 压应力 剪切应力,28,第二节 材料力学,圆柱形压力容器在内压力P作用下，薄壁圆柱形压力容器筒体承受两个方向的拉伸应力，即轴向应力L和环向应力C：,29,第二节 材料力学,L = C =,薄壁圆柱形压力容器筒体轴向应力L和环向应力C的大小计算：,30,第二节 材料力学,应变应力所产生的变形称为应变。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

14、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。,31,第二节 材料力学,材料的应力应变曲线(应力与应变的关系),32,第二节 材料力学,弹性模量材料在弹性变形范围里，应力与应变的比值。,弹性模量,33,第三节 材料弹性和塑性变形,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，材料也不能回复到原来的状态。,34,第

15、三节 材料弹性和塑性变形,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 。,35,第三节 材料弹性和塑性变形,韧位错运动 （产生晶格变形）,36,第三节 材料弹性和塑性变形,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,37,第三节 材料弹性和塑性变形,孪生变形 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。,38,第三节 材料弹性和塑性变形,裂

16、纹周围的应力场分布内部带有裂纹的材料在受到应力作用时，应力场必定要“围绕着”裂纹的边界产生集中 ，应力的集中作用将使裂纹尖端的材料产生变形，甚至破坏，而这时材料的其它部位还都处于强性范围以内 。在材料整体处于弹性范围时，裂纹和类似的缺陷确已经产生了声发射信号。,39,第三节 材料弹性和塑性变形,裂纹周围的应力场分布图,40,第三节 材料弹性和塑性变形,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

17、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,41,第三节 材料弹性和塑性变形,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分为沿晶断裂和穿晶断裂；从断口的形貌来看又

18、可分为解理断裂和疲劳断裂,42,第三节 材料弹性和塑性变形,断裂方式的示意,脆性沿晶断裂 塑性沿晶断裂,43,第三节 材料弹性和塑性变形,断裂方式的示意,拉应力作用下的 切应力作用下的 塑性穿晶断裂 塑性穿晶断裂,44,第三节 材料弹性和塑性变形,断裂方式的示意,解理断裂 疲劳断裂,45,第四节 声发射源,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。,

19、46,第四节 声发射源,稳态源模型的声发射源事件的能量分配过程 （裂纹扩展期间释放应变能）,晶格应变能 新断口表面能 热能 弹性波能,分配过程,源事件应变能释放,47,第四节 声发射源,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

20、范围。,48,第四节 声发射源,突发声发射信号 连续声发射信号,49,第四节 声发射源,晶体材料中的声发射源,滑移变形 孪生变形 裂纹形成 裂纹亚临界扩展 裂纹失稳扩展 第二相质点（或夹杂物断裂或脱开） 马氏体相变、贝氏体相变等 磁畴运动,相变,磁效应,断裂,金属塑性变形,晶体材料,50,第四节 声发射源,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。,51,第四节 声发射源,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

21、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。 1、扩散增强和颗粒增强复合材料的声发射源主要包括：基体开裂和第2相颗粒和基体的脱开。 2、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,52,第四节 声发射源,纤维增强复合材料中的声发射源,53,第四节 声发射源,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 这是在声发射检测过程中有可能经常遇到的。,54,第五节 波的传

22、播,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。,55,第五节 波的传播,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。,56,第五节 波的传播,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，波的能量随传播深度增加而迅速减弱。,57,第五节 波的传播,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。,58,59,第五节 波的传播,

23、近场脉冲响应 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。,式中括号内第一项是纵波贡献分量，而第二项是横波贡献，在板中来回反射的波的贡献（第三项之后）在式中略去。,60,第五节 波的传播,点脉冲加载的源,61,第五节 波的传播,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。 表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移。

24、,P、S分别相应于纵波、横波到达时刻,62,第五节 波的传播,反射和折射声发射源处产生的纵波和横波。它们传播到不同材料界面时，可产生反射、折射。,L,S,L,钢,有机玻璃,63,64,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。,65,当超声波倾斜入射到

25、界面时，除产生同种类型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型转换。,66,第五节 波的传播,波形变换（模式转换） 声发射源处同时产生纵波和横波两种。两种入射波除各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，见图2.28。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为复杂,厚板中传播,67,第五节 波的传播,声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器 。 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

26、频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分折，而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充分注意。,68,第五节 波的传播,Vt 纵波速度； t 横波速度； 泊松比； E 杨氏模量； G 切变模量； 密度。,波速频率波长 （C = f ）。 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。,69,第五节 波的传播,常用材料的声速和声阻抗表,70,第五节 波的传播,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

27、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。,71,第五节 波的传播,几何效应被检试件或构件的几何形状对波的传播有很大的影响，可以产生衍射、反射和折射等，并

28、最终引起波的衰减或叠加。声发射在小试件中产生共振波形（驻波）。,72,第六节 波的衰减,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）。,73,第六节 波的衰减,材质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

29、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的传播而下降。,74,第六节 波的衰减,色散衰减色散是在某些物理系统中波速

30、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。,75,第六节 波的衰减,实际工作中声发射的衰减测量与应用：实际结构中，波的哀减机制很复杂，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距或工作频率的关键因素。在实际

31、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。,76,第六节 波的衰减,压力容器9衰减曲线1200X12.5X12200mm）,1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 距离（m）,77,第七节 凯塞(Kaiser)和费利西蒂(Felicity)效应,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

32、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。,78,第七节 凯塞(Kaiser)和费利西蒂(Felicity)效应,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

33、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。,79,第七节 凯塞(Kaiser)和费利西蒂(Felicity)效应,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；

34、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，还需从实际出发，根据经验作出自己的判定。,80,第八节 影响声发射特性的因素,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：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

35、，尺寸和形状。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。,81,第八节 影响声发射特性的因素,影响声发射信号强度的因素：,82,第二章习题：,83,第三章声发射波的探测,84,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。,85,86,由于声发射信号的每个脉冲都包含着一个频率谱，这个频率谱所包括的频率范围可以从几赫兹到几十个兆赫兹，因此，在进行某项具体的检测工作时，首先应该知道所要检测的缺陷在外力作用下产生的声发射的大致频率范围，然后再从这个总范围内选择一个

36、最适合的频率窗口，以便滤去噪声的干扰。一般的机械噪声和电气噪声的频率都比较低，因此在声发射检测中首先要确定频率窗口的下限。在频率窗口确定后，就能依此为根据来选定传感器和带通滤波器。,87,第一节 压电效应,压电效应分类正压电效应、逆压电效应。 正压电效应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上产生正负异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象就被称为正压电效应 逆压电效应当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。 压电效应的特点压电效应是可逆的，正压电效应和

37、逆压电效应的总称为压电效应。惯上把正压电效应称为压电效应。,88,第一节 压电效应,压电常数电介质受力所产生的电荷与外力的大小成正比，比例系数为压电常数，也称机械品质系数。它与机械形变方向有关，对一定材料一定方向则为常量。电介质受力产生电荷的极性取决于变形的形式（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LiNbO3、镓酸锂LiGaO3、锗酸铋Bi12GeO20等单晶和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。,89,第一节 压电效应,新型压电材料：有高分子压电薄膜（如聚偏二氟乙烯PVDF）和压电半导体（如ZnO、CdS）。单晶

38、材料的压电效应是由于这些单晶受外应力时其内部经格结构变形，使原来宏观表现的电中性状态被破坏而产生电极化。经极化（一定温度下加以强电场）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。,90,第一节 压电效应,压电材料的优点压电材料制成的压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点， 压电材料的缺点压电材料制成的压电转换元件的主要缺点是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有250左右。,91,第一节 压电效应,正压电效应的应用利用正压电效应制成的压电式传感器

39、，将压力、振动、加速度等非电量转换成电量，从而进行精密测量。利用正压电效应研制的压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点火装置等多种电压发生器；在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换成力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。,92,第一节 压电效应,逆压电效应的应用利用逆压电效应可制成超声波发生器、压电扬声器、频率高度稳定的晶体振荡器（如每昼夜误差210-5s的石英钟、表）等。逆压电效应可用于声发射信号产生。 声发射探头的压电元件：,93,第二节 传感器,传感器把声发射信号转换成电信号的装置称

40、为传感器。 传感器工作原理利用某些物质（如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等）的物理特性随着外界待测量作用而发生变化的原理制成的。利用了诸多的效应（包括物理效应、化学效应和生物效应）和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、磁场、煤气等被测量变换成电量。在声发射检测过程中，通常使用的是压电效应。,94,第二节 传感器,传感器主要实用技术参数响应中心频率、灵敏度、幅值、自噪声。 选择传感器的依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。,95,第二节 传感器,传感器的组成传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成 。 这些元

41、件的功能是： 敏感元件：直接感受被测量，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电物理量，如位移、应变、应力、光强等转换为电学量（包括电路参数量、电压、电流等）。 转换电路：将电路参数（如电阻、电感、电容等）量转换成便于测量的电量，例如电压、电流、频率等。,96,第二节 传感器,有些传感器只有敏感元件，如热电偶，它感受被测温差时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需转换电路，例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，转换元件还不只一个，要经若干次转换才输出电量。,97,第二节 传感器,声发射传

42、感器的组成一般由壳体、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。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。其中，谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最多的一种。,98,第二节 传感器,1压电元件 2壳 3上盖 4导线 5高频插座 6吸收剂 7底座 8保护膜,声发射传感器的结构单端谐振式传感器,99,第二节 传感器,传感器的线性传感器的输入端作用是力、位移或者速度，输出则为电压。可以认为力、位移或者速度转化为电压的整个系统为线性系统。在分析线性系统时，并不关心系统内部的各种不同的结构情况，而是要研究激励和响应同系统本身特性之间的联系

43、。,d(t),系统 T(t),u(t),传感器输出u(t)是电学量的电压标量，输入d(t)可以是表面原子的位移、力学量的力矢量F(x,t)、速度矢量V(x,t)等,100,第二节 传感器,传感器灵敏度 | T()|=|,|,T为灵敏度可用对数表示，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。 假定传感器所在区域的输入参量是均匀的，就可排除与位置的相关性。（感器有一定的大小，作用在每一点上的力学量不同，而实际测出的是对作用在作用面上的平均值。传感器的输入和它所在的位置有关） 假定传感器的输入就是无传感器时的输入。（传感器的是否存在会改变所在部位的输入的大小） 通常

44、声发射传感器采用钢材进行标定。（传感器与标定试块的机械阻抗匹配影响传感器的标定结果）,101,第二节 传感器,传感器敏度曲线 即频率灵敏度曲线。传感器可以根据特定的校准方法，给出频率灵敏度曲线，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。,铌酸锂传感器的频率特性,102,第二节 传感器,声发射传感器敏度要求在一般情况下，传感器的灵敏度要求不低于0.5千伏/米.秒-1。 前置放大器要求由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。在前置放大器中信号得到放大，提高信噪比。一般要求前置放大器具有4060分贝的增益，噪声电平不超过5微伏，并有比较大的输出动态范

45、围和频率宽度。,103,第二节 传感器,传感器的标定 用激励源对传感器的技术参数进行 核准。 传感器的标定方法 因激励源和传播介质不同，可以组成多种多样的方法，但是不管哪一种方法，目前都没有被普遍承认。 激励源 用于激发声发射信号的装置。 激励源的种类噪声源、连续波源和脉冲波源三种类型。属于噪声源的有氦气喷射、应力腐蚀和金镉合金相变等；连续波源可以由压电传感器、电磁超声传感器和磁致伸缩传感器等产生；脉冲波源可以由电火花、玻璃毛细管破裂、铅笔芯断裂、落球和激光脉冲等产生。,104,第二节 传感器,作为标定传感器用的激励源要求 在测量的频率范围内，希望具有恒定的振幅。 实际标定传感器用的声发射激励

46、源脉冲源。 脉冲源种类及性质在脉冲源中，激光脉冲设备昂贵，限制了它的应用；玻璃毛细管很难做到壁厚均匀，在使用中难以获得良好的重复性；落球法获得的信号频率低；电火花法受气候、湿度和其它因素影响；铅笔芯断裂法受操作人和材料表面条件影响。,105,第二节 传感器,激光脉冲法的标定,原理如：在一个大的铝块上置一水箱，利用二氧化碳脉冲激光器发出的激光光束与水的表面作用，在水中产生冲击波，用非接触的光学方法测量冲击波的压力，控制冲击波的强度。置于铝块下表面的待定传感器接收冲击波。,106,第二节 传感器,玻璃毛细管破裂装置,工作原理：标定块为762762381毫米，重量为两吨的软钢块，内部无缺陷（经无损检

47、测），,107,第二节 传感器,玻璃毛细管和待定传感器置于中心位置附近。传感器接收到信号的记录时间是130微秒，在记录时间内，应不受边界反射波的影响。传感器接收的信号经放大和滤波后，由瞬态记录仪存储记录，经计算机进行频谱分析，其结果由X-Y记录仪记录。玻璃毛细管的直径为 0.30.25毫米，用一个石英力规测量压破玻璃管的力。用电容传感器作为标准传感器测量由于玻璃毛细管破裂产生脉冲波的垂直位移，实际测得的结果与根据理论计算公式,108,第二节 传感器,电火花法原理：是在两个电极上加高压电源，使极间的空气击穿，空气击穿产生的声波入射到固体介质表面转换为表面波。也可将标定块（金属介质）作为一个电极，

48、另一个电极和它之间直接产生火花。当入射角满足,时(C空气与C表面分别为空气与标定块表面的声速)，将在固体表面激励出频率丰富的表面波。对钢或铝一类的标定块来说，a大约在7度左右。这种方法容易使标定块表面受蚀。,电火花法,109,第二节 传感器,电火花装置,110,第二节 传感器,断裂铅笔芯 断裂铅笔芯原理：可以产生一个阶跃函数形式的点源力。采用直径为0.3毫米的、2H石墨铅笔芯。这种方法简单、经济、重复性好，而且调节铅笔芯直径、长度和倾角就可以改变力的大小和方向。载荷突然释放的时间与玻璃毛细管相近（0.1微秒），适当地配用力规也可以测出力的大小。采用阶跃点力产生弹性波的格林函数数值计算方法，计算

49、40微秒接收波形结果与实验相一致。铅笔芯断裂源设备简单容易携带常应用于工程应用现场的传感器标定。,111,第二节 传感器,断裂铅笔芯装置,112,第二节 传感器,标定块要求在实际标定传感器的工作中，标定块尺寸总是有限的，但是只要标定块的厚度大于三倍瑞利波波长，在标定块表面传播的波形主要就是瑞利波。对于每一个脉冲源源的作用，传感器响应的振铃持续时间约为100微秒，在这段时间内，需要避免边界反射波的干扰，就是说标定块尺寸应足够大。其表面具有足够的光洁度，以避免表面对波的衰减作用。,113,第二节 传感器,实际现场声发射检测中的传感器标定多通道声发射系统工程应用中还常用声发射传感器自身产生声发射信号

50、来进行传感器性能简易标定（具体方法是输入给系统中某声发射传感器电脉冲使其产生声信号并在应用对象中传播，其它传感器接收这个信号，根据接收信号的有无、幅度大小、波形频率特征等情况判断传感器的工作情况。）或用铅笔芯折断标定。,114,第三节 传感器的耦合和安装,声发射信号经传输介质、耦合介质、换能器、测量电路而获取，接受到的信号影响因素很多。因此，在传感器表面和检测面的耦合以及传感器的安装等细节方面都要严格要求。,传输介质m(t),M() 耦合介质c(t),C() 传感器 x(t),X(),声发射源s(t),S(),输出信号f(t),F(),115,第三节 传感器的耦合和安装,耦合剂的作用充填接触面

51、之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响声波的穿透；其次是通过耦合剂的“过渡”作用，使传感器与检测面之间的声阻抗差减小，从而减小能量在此界面的反射损失。另外，还起到“润滑”作用，减小传感器面与检测面之间的摩擦。,116,第三节 传感器的耦合和安装,耦合剂的性能要求如下： (1) 声衰减系数小，透声良好； (2) 声阻抗介于传感器的面材与检测面之间，匹配良好； (3) 粘附力低，容易擦掉； (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； (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、不腐败； (9) 不腐蚀或损坏传感器。,117,第三节 传感器的耦合和安装,传感器的固定方法传感器的固定方法主要包括机械固定、粘接固定和磁吸附固定方式。选择何种固定方式主要根据传感器的类型和待测面表面情况和对声发射信号的影响情况所决定。,118,