声发射

声发射检测技术

摘要：通过阐述声发射检测的基本原理,总结了声发射检测的特点。介绍了国内外声发射检测技术的发展历程和现状，并概述了声发射检测技术在压力容器、转动设备、航空航天工业、复合材料等方面的应用进展，提出了我国目前声发射检测急需解决的问题和发展趋势。

关键词：声发射；压力容器；复合材料

A Study on the Applications of Acoustic Em ission Technique

Abstract:Based on the principle of acoustic em ission testing, the features of acoustic em ission testing technique are summarized. After an introduction to the history and present situation of acoustic em ission testing technology home and abroad, the authors havemade an review of the applications of acoustic e-m ission technique in pressure vessel, rotate facility, aviation and space-flight industry, and composite materials. The authors have also pointed out the problems to be solved and development trend of this field. Key words: acoustic em ission; pressure vessel; compositematerial

1 引言

自1964年美国对北极星导弹舱第一次成功地进行声发射检测以来，声发射技术受到了极大的重视，发展很快。美国、日本和欧洲一些国家将声发射用于压力容器试验或定期检修等，已达到了工业实用水平。在核容器与化工容器运行中的安全监测、复合材料压力容器检测、焊接过程研究等方面研究及应用也取得了很大成就。声发射技术于20世纪70年代初开始引入我国，正值是我国断裂力学发展的高峰，人们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点。随后中科院沈阳金属研究所、航空航天部621所、机械部合肥通用机械研究院、武汉大学、航天部703所、上海交通大学等一些科研院所和大学开展了金属和复合材料的声发射特性研究。

2 声发射检测原理

声发射技术是一种评价材料或构件损伤的动态无损检测技术，它通过对声发射信号的处理和分析来评价缺陷的发生和发展规律，并确定缺陷的位置。

壶里的水快开时可以听到对流声，折断竹竿时可以听到噼啦的断裂声，打破玻璃可以听到清脆

的破碎声，这都是人耳可觉查到的声发射现象。声发射现象的实质是物体受到外力或内力作用时，由于内部结构的不均匀及各种缺陷的存在造成应力集中，从而使局部的应力分布不稳定。当这种不稳定应力分布状态所积蓄的应变能达到一定程度时就会发生应力重新分布，重新达到新的稳定状态。这一过程往往伴随有范性流变、微观龟裂、位错的发生与堆积裂纹的产生与发展等，实际上这就是应变能释放的过程。这种释放的应变能，一部分以应力波的形式发射出去，由于最先注意到应力波发射现象的是人耳听觉领域内的声波，所以就称它为声发射。其实，应力波发射的大部分频率范围要比声频广得多，包括人耳听不到的次声和超声频率。金属材料的应力波发射大部分处于超声范围，检测频率处在100kHz—300kHz。

具体来说声发射就是指物体在外界条件作用下，缺陷或物体异常部位因应力集中而产生变形或断裂，并以弹性波形式释放出来应变能的一种现象。声发射要具备两个条件：第一，材料要受外载作用；第二，材料内部结构或缺陷要发生变化。

基于以上原理，对于材料的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展，就可以利用声发射来提供它们的动态信息。声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地。由于声发射现象往往在材料破坏之前就会出现，因此只要及时捕捉这些信息，根据其AE信号的特征及其发射强度，就可以推知声发射源的目前状态，以及它形成的历史，并对其发展趋势进行预报。

多数金属材料塑性变形或断裂时都有AE信号，但AE信号的强度一般很弱，需要借助电子仪器才能检测出来。用仪器检测分析声发射信号并确定声发射源的技术称为声发射技术。利用声发射技术可以对缺陷进行判断和预报，并对材料和构件进行评价。

图1 声发射技术基本原理图

3 声发射检测技术的特点

3.1 声发射检测技术的优点

（1）几乎不受材料限制

除少数材料外，无论是金属还是非金属材料，在一定条件下都有声发射发生，因此，声发射检

测几乎不受材料限制。

（2）声发射检测是一种动态无损检测技术

声发射检测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。

（3）灵敏度高

结构或部件的缺陷在萌生之初就有声发射现象，因此，只要及时对AE信号进行检测，就可以判断缺陷的严重程度，即使很微小的缺陷也能检测出来，检测灵敏度非常高。

（4）可检测活动裂纹

声发射检测可以显示裂纹增量（零点几毫米数量级），因此可以检测发展中的活动裂纹。

（5）可以实现在线监测

对压力容器等人员难以接近的场合和设备，如用X射线检测则必须停产，但用声发射则不需要停产，可以减少停产损失。

3.2 声发射检测技术的局限性

（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。

4 声发射检测技术的应用范围

根据声发射的特点，现阶段声发射技术主要用于其他方法难以或不能适用的对象与环境、重要构件的综合评价、与安全性和经济性关系重大的对象等。因此，声发射技术不是替代传统的方法，而

是一种新的补充手段。

（1）石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压

贮罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。

（2）电力工业：高压蒸汽汽包、管道和阀根据声发射的特点，现阶段声发射技术主要用于其他方法难以或不能适用的对象与环境、重要构件的综合评价、与安全性和经济性关系重大的对象等。