声发射技术及其应用

声发射技术及其在检测中的应用
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摘要：介绍了声发射检测技术原理及其发展历程和现状，综述声发射信号处理的困难、降噪方法、信号分析方法、源定位和在检测中的应用。

关键词：声发射技术；信号处理；源定位；安全评定
1声发射技术发展
现代声发射技术的开始上世纪50年代初Kaiser在德国所作的研究工作为标志。

声发射技术在20世纪70年代初引入我国，希望利用声发射进行断裂力学难点裂纹的开裂点预报和测量研究。

20世纪80年代初，国内开始尝试将声发射技术用于压力容器检验等工程，但是由于当时声发射仪器性能和信号处理方面的限制，以及缺乏对声发射源性质和声发射信号传输特性等理论知识，声发射技术陷入低谷。

20世纪80年代中期，从美国PAC公司引进声发射仪器，使我国声发射技术的研究、应用和仪器技术水平不断提高。

20世纪90年代至今，随着声发射仪研制国产化程度不断提高，声发射技术在我国的研究和应用呈快速发展的趋势。

2声发射信号处理分析技术
2．1声发射信号及信号处理的困难：从时域形态上，一般将声发射信号分
为两种基本类型：突发型和连续型。

突发型信号，指在时域上可分离的波形。

如断续的裂纹扩展。

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，如流体泄漏信号。

突发信号参数包括：波击计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差等；连续信号参数包括：振铡寸数、平均信号电平和有效值电压。

图2常用信号特征参数的定义：
声发射信号处理分析是实现声发射源定性识别、定位判断和定量评价。

AE
信号处理面临的最大难题，首先是AE源的多样性、信号本身的突发性和不确定
性。

不同的AE源机制，可以产生完全不同的AE信号。

其次，AE信号传输途径的影响。

AE传感器所获得的信号至少是声源、传输介质、耦合介质和换能器响应等因素的综合结果。

声发射信号在材料或结构中经多次反射、衰减以及波形转换后，其波形将发生很大畸变。

声源发出的声波可以经多种路径到达传感器，因此，所探测到的声信号波形是不同路径到达传感器声波的叠加，使信号趋于复杂。

此外，由于传感器本身的“振铃”效应，从而导致输出信号更加复杂。

AE信号处理技术面临的另外两大困难是AE信号的微弱性和干扰噪声的多样性。

声发射是以被动检测的方式用于动态监测，噪声干扰十分严重，外部干扰噪声可能远远大于AE信号。

AE检测干扰噪声主要有：环境噪声、机械噪声和电子仪器干扰噪声等。

这些噪声的主要时域特征是随机地分布在整个采样时间范围内，不仅影响信号采集速率，而且造成采集的数据非常庞大难以有效处理，很难保证AE监测的实时性。

2．2克服干扰噪声的常用方法：
在AE检测中，克服干扰噪声十分重要，也是AE信号的处理方法。

常用的降噪的方法如下：
(1)选择适当的工作频率。

(2)利用差动传感器。

(3)设置阈值或降低测试灵敏度。

同时去除低于阈值的AE信号和噪声信号。

(4)在声源处阻止噪声发生。

设备适当接地或屏蔽，噪声源和传感器问引入屏蔽或衰减介质。

(5)时间闸门。

为抑制来自电源开关的噪声，测试电路仅在产生有用AE信号时才工作。

(6)负载控制闸门。

采用电子闸门电路，仅在负荷接近最大值时才记录AE
数据，排除其他期间噪声干扰。

2．3 AE信号处理技术
2．3．1 AE信号参数分析：早期的声发射仪不具备对信号进行瞬态波形捕捉和实时处理的能力，因此信号分析中用得较多的是参数分析方法。

尽管每个声发射参数都能提供与声发射源特征的相关信息，但声发射参数只是对声发射信号波形某个特征的描述，用其表征整个声发射源的特征具有局限性。

参数分析方法
的最大缺点是有关AE源本质的信息往往被谐振式传感器自身的特点所掩盖或模糊掉，其实验结果的重复性很差。

此外，传统参数分析方法认为AE信号是以某一固定速度传播的假设，在具有较强声各向异性的复合材料检测中受到了严重挑战。

2．3．2声发射信号波形分析：波形分析是指通过分析声发射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。

从理论上讲，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而波形是表达AE源特征的最精确的方法，并可获得信号的定量信息。

美国Gorman等人在复合材料板的声发射波形特征方面提出了“模态声发射”的概念，区分参数分析方法。

模态声发射技术基于导波理论，吸收了超声波传播中易解释和接受的物理模型方面的优点。

被测材料结构中的源或声发射事件在负载作用下产生的是频率和模态丰富的导波信号，利用导波理论和牛顿力学定律将声发射应用中源定位不准确、信号解释困难和噪声问题等从理论上得到了较好的解释和表达，并通过建立简单明确的物理数学模型表征问题。

2．3．3频谱分析：频谱分析方法可以分为经典谱分析和现代谱分析，是声发射信号处理中最常用的分析方法。

两种谱分析方法都是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。

但信号的频谱分析要求被分析的信号是周期性的平稳信号，并且谱分析是一种忽略局部信息变化的全局分析方法。

3声发射源的定位技术
声发射源定位是进行声发射检测的一项重要工作，是声发射检测与评定的一项重要指标，其准确程度反映了声源检测位置与实际出现的活动缺陷位置的吻合程度。

目前，定位方法主要可以分为时差定位法、区域定位法和智能定位法。

时差定位法是根据同一声发射源所发出的声发射信号到达不同传感器的时间差，经波速、传感器间距等参数的测量和算法运算，确定声源的精确位置，是一种精确而复杂的定位方法。

区域定位是根据声发射信号的传感器个数和相对时差时序来判定声发射源所处的区域，是一种快速、简便而粗略的定位方法。

4声发射技术在工程中的应用
声发射技术作为一种新兴的动态无损检测方法已被广泛地应用在材料试验、航天和航空、金属加工、等领域。

在材料试验中，由于声发射对缺陷起始和扩展特有的敏感性，及其所具有的动态检测强度秘评估使用寿命的独特功能，声发射技术用在材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的磁声发射测试等方面。

采用声发射技术已能检测每根碳纤维或玻璃纤维丝束的断裂及丝柬断裂载荷的
分布，从而评价碳纤维或玻璃纤维丝束的质量。

在航天和航空工业上，利用声发射技术对航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验捡测运行过程中的在线连续监测等。

首先研究裂纹扩展与声发射信号包络参数之间的关系，然后对数据进行适当处理，建立声发射数据的统计参数与裂纹扩展之闻的关系，利用了波形分析技术进行信号识别和分析，从而获得与损伤有关的声源(裂纹扩展)信息，识别声发射信号与噪声，完成了对飞机、航天器关键结构的声发射疲劳监测。

在金属加工中，工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。

实验发现AE总计数与刀具后刀面的磨损存在着非常密切的相关性，刀具破损时AE信号比正常切削时大得多，并且大都有前兆信号。

因此，可以利用AE监测刀具破损。

5结束语
目前，虽然我国的声发射技术取得了很大进展，但与欧美等王照发达国家相比，在很多方面还有差距，在缺陷检测和监测和结构评价等方面需要研究的工作：
(1)声发射波传播和波形转换方蘧的理论研究，为声发射技术在工程应用提供理论依据；
(2)开发适用于各种工程检测声发射信号数据分析与处理软件和仪器；(3)
研制适用不同环境、不同结构和性能的声发射传感器，促进声发射技术的应用。

(4)同模式识别和预测技术相结合，充分利用声发射信号包含的声发射源信息，实现声发射源模式识别、结构失效预测和自动报警。

(5)加强声发射仪的开发和研制，尤其全数字式声发射仪的开发和生产，国内在这方面尤为落后。

(6)制定声发射检测／监测、评价的新方法及标准。