无损检测之声发射.

第6章 常用无损检测方法
图6-69 声发射技术基本原理
第6章 常用无损检测方法 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，
要用其他无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性 质与大小。
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)。该效应的示意图如图6-73所示。
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。
第6章 常用无损检测方法 （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
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图6-75 突发信号特征参数
第6章 常用无损检测方法 表6-1 常用信号特征参数的含义和用途
参 数 含 义 特点与用途 反映声发射活动的总量和频度，常用于声发射 活动性评价 反映声发射活动的总量和频度，用于声发射源 活动性和定位集中度评价 信号处理简单，广泛用于声发射活动性评价， 但受门槛的影响 不受门槛的影响，直接决定时间的可测性，常 用于声发射源的类型鉴别，强度及衰减的测量 反映事件的相对能量或强度，可取代振铃计 数，用于声发射源的类型鉴别 与振铃计数相似，常用于特殊声发射源的类型 和噪声鉴别 因易受传播的影响而其物理意义变得不明显 撞击和 撞击计数 事件计数 振玲计数 幅度 能量计数 持续时间 上升时间 撞击是通过门槛并导致一个系统通 道累计数据的任一声发射信号。撞击计 数则是系统对撞击的累计计数 一个或几个撞击所形成的声发射事 件的个数，分为总计数和计数率 越过门槛信号的振荡次数，分为总计 数和计数率 事件波形的最大振幅值，通常用 dB 表示 事件信号检波包络线下的面积，分为 总计数和计数率 事件信号第一次越过门槛至最终降 至门槛所经历的时间，用μ s 表示 事件信号第一次越过门槛至最大振 幅所经历的时间，用μ s 表示
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6.4.2 声发射检测定位方法
1． 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。
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。
第6章 常用无损检测方法 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
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。
中在两个界面上发生多次反射， 每次反射都要发生模式变换。
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图6-71 声发射波在厚板中的传播示意图
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图6-72 波形的分离与持续时间/ms
第6章 常用无损检测方法 (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。
第6章 常用无损检测方法 2． 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。
第6章 常用无损检测方法 (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
形如图6-76（a）所示，它的上升段比较迅速，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。
检测方法受到限制的形状复杂的构件。
第6章 常用无损检测方法 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。
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6.4 声 发 射 检 测
6.4.1 声发射检测的原理及特点 1. 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。
为v，则可得下式：
|QS1-QS2|=υ Δ t （6-60）
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图6-80 一维定位法
第6章 常用无损检测方法 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图6-81。
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图6-74 声发射信号类型 (a) 突发型； (b) 连续型
第6章 常用无损检测方法 （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图6-75所示。
供了缺陷在应力作用下的动态信息，因此适于评价缺陷对Fra Baidu bibliotek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。
第6章 常用无损检测方法 （ 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
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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。
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，见图6-70； 厚度接近波长的薄板中，还会产生板波。
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图6-70 波的反射与模式转换
第6章 常用无损检测方法 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 现复杂的模式见图（见6-70)。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的传播方式如图6-71所示，波在传播过程
第6章 常用无损检测方法 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
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。
第6章 常用无损检测方法
图6-73 费利西蒂效应
第6章 常用无损检测方法 （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
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、表 面波、板波等不同的传播模式。
第6章 常用无损检测方法 （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
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图6-76 突发型声发射信号波形和频谱曲线 (a) 波形； (b) 频谱
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图6-77 连续型声发射信号波形和频谱曲线 (a) 波形； (b) 频谱
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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
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图6-78 源定位分类
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图6-79 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
第6章 常用无损检测方法 2． 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， 其原理见图6-80。 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
／Pmax)。该效应的示意图如图6-73所示。
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。
第6章 常用无损检测方法 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，见图6-74。
突发型信号是指在时域上可分离的波形。实际上，所有声