第6章 声波测试技术与声发射监测技术
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声发射检测技术
4 声发射仪器研制
• 1995年，中国特种设备检测研究院研制出硬件 采用PC-AT总线、软件采用WINDOWS界面的 多通道(2~64通道)声发射检测分析系统。2000 年，广州声华科技有限公司基于大规模可编程 集成电路（FPGA）技术，研制出全波形全数 字化多通道声发射检测分析系统。声华科技公 司多次将新研制的声发射仪器带到国外，参加 国际无损检测大会、国际声发射学术会议及展 览会，得到与会专家的好评，使我国的声发射 仪器在国外也有一定的影响。
• 1978年，随着全国无损检测学会的建立，成立 了第一届声发射专业委员会，并于1980年在黄 山召开了第一届全国声发射学术研讨会。到目 前为止，声发射专业委员会已改选了八届。每 一届声发射专业委员会都为我国各阶段声发射 技术的发展做出了重要贡献，培养了一大批声 发射研究领域的人才，提高了我国声发射技术 的应用水平。
1 中国声发射检测技术的发展历程
• 声发射检测与常规的无损检测方法有很大的差 别，可以完成许多常规检测所不能完成的任务。 因此，在我国石油、石化、电力、航空、航天、 冶金、铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与 加工等领域已经开展了广泛的声发射技术研究 和应用。
2 声发射检测标准状况
• 我国在声发射检测标准的制定方面已取得进展， 目前已颁布的主要声发射标准有： • GB／T 12604 .4—2005 声发射检测术语 • GB／T 18182—2000 金属压力容器声发射检 测及结果评价方法 • GJB 2044—1994 钛合金压力容器检测方法 • JB／T 8283—1995 检测仪性能测试方法
6 声发射学术会议
表1 中国历届声发射学术会议举办情况 届次 时间 地点 主办单位 1 1980.10 黄 山 合肥通用机械 研究院 2 3 4 1983.10 1986.11 1989.10 桂 林 长 春 黄 岛 声发射学组 长春试验机研 究所 北京航空材料 研究院
声发射监测技术
机械设备故障诊断讲稿＿＿声发射监测技术声发射技术是根据结构内部发出的应力波来判断结构内部损伤程度的一种动态无损检测技术。
由于该方法能连续监视结构内部损伤的全过程，因此得到了广泛应用。
一、声发射监测的基本原理在日常生活中，人们会注意到，折断竹杆可以听到噼啦的断裂声，打碎玻璃可以听到清脆的破碎声，水开时可以听到对流声，这些都是人耳可觉查到的声发射现象。
通常，人们把物体在状态改变时自动发出声音的现象称为声发射。
其实质是物体受到外力或内力作用产生变形或断裂时，就以弹性波形式释放能量的一种现象。
由于声发射提供丁材料状态变化的有关信息，所以可用于设备的状态监测和故障诊断。
声发射源往往是材料损坏的发源地。
由于声发射源的活动常在材料破坏之前很早就会出现，因此，可根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展过程所产生声发射的特点及强度来推知声发射源目前的状态(存在、位置、严重程度)，而且可知道它形成的历史，并预测其发展趋势。
这就是声发射监测的基本原理。
二、声发射监测具有以下持点：(1)声发射监测可以获得有关缺陷的动态信息。
结构或部件在受力情况下，利用声发射进行监测，可以知道缺陷的产生、运动及发展状态，并根据缺陷的严重程度进行实时报警。
而超声波探伤，只能检测过去的状态，属于静态情况下的探伤。
(2)声发射监测不受材料位置的限制。
材料的任何部位只要有声发射，就可以进行检测并确定声源的位置。
(3)声发射监测只接收由材料本身所发射的超声波；而超声波监测必须把超声波发射到材料中，并接收从缺陷反射回来的超声波。
(4)灵敏度高。
结构缺陷在萌生之初就有声发射现象；而超声波、x射线等方法必须在缺陷发展到一定程度之后才能检测到。
(5)不受材料限制。
因为声发射现象普遍存在于金属、塑料、陶瓷、木材、混凝土及复合材料等物体中，因此得到广泛应用。
由于声发射具有以上特点，因此得到了科学家和工程技术人员的重视。
美国在l 964年就研制成功一套实用的声发射监测系统，并用于火箭发动机壳体水压试验的监测。
声发射检测技术介绍
声发射与其它无损检测技术对比
声发射检测方法 缺陷的增长／活动 与作用应力有关 其它常规无损检测方法 缺陷的存在 与缺陷的形状有关
对材料的敏感性较高
对几何形状的敏感性较差
对材料的敏感性较差
对几何形状的敏感性较高
需要进入被检对象的要求较少
进行整体监测
需要进入被检对象的要求较多
进行局部扫描
主要问题：噪声、解释
干扰噪声种类
电气干扰噪声 机械噪声源 声波传播途径引起的声信号畸变和衰减
小结
AE源机制的多样性、声波传播途径的复杂性、AE信号本身 的突发性和不确定性，以及干扰噪声的严重性等因素都使 AE信号的处理和分析面临极其严重的挑战。尽管如此，目 前人们还是有了一整套比较有效的AE信号处理和分析方法。 了解并掌握这些方法对AE技术的推广应用具有重要意义。
AE信号的例子
AE信号的例子
另一困难
AE信号处理技术面临的另外两大困难是AE信号的微弱性 （但又完全可以是宽动态范围）和干扰噪声的多样性。因 此，在AE技术发展史上，各种可能的信号处理技术都曾被 尝试过。可以毫不夸张地说，在现有的各种无损检测方法 中，AE检测技术所涉及到的信号处理内容应当是最广泛、 最全面的。在了解了这一点之后也就不难理解，为什么会 有如此众多的AE信号处理方法。
声发射检测技术
声发射的基本概念
什么叫声发射？材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波 (声波) 的一种物理现象
主要的声发射源：裂纹的形成和扩展，塑性形变，位错 的移动，孪晶边界的移动，磁畴壁的移动、复合材料基 体或夹杂物的破裂、分层或纤维的断裂，以及物质结构 的变化（包括相变）等。 声发射的频率范围是什么？几十KHz- 数MHz
第6章 声波测试技术与声发射监测技术
称T波，也称为切变波或剪切波）
质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。
§6-1 声波的传播规律
3. 表面波（Surface Wave ）
沿介质表面传播，波动振幅随深度增加而迅速衰减的波称为
表面波(R波，瑞利波)。表面波质点振动的轨迹是椭圆形,长轴垂 直于传播方向,短轴平行于传播方向。
§6-1 声波的传播规律
§6-2 声波探测技术及其应用
2．利用弹性波测试评价岩体强度和完整性程度
测定岩块及一定区域内岩体的波速，计算岩体的完整性系数或 称龟裂系数： 2
Vm Cm V c
完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎
Cm是岩体分类中常用指标之一，也用于评价岩体完整性: Cm>0.75 Cm=0.75~0.55 Cm=0.55~0.35 Cm=0.35~0.15 Cm<0.15
(vi mv ) 2
i 1 24
sv
24 1
0.10km / s
例题
N=24，查表2得λ1=1.73 ∴声速异常值判定值
v0=mv-λ1Sv=4.48-1.73×0.10=4.31km/s
比较得v12=4.23km/s<v0=4.31km/s，v20=， 故测点12和测点20为异常测点。
工作原理
1.超声波检测主要是测量超声波在混凝土当中的传播速度；
2.超声波在介质中传播时，遇到不同界面，将产生反射、折射、绕射、 衰减等现象，从而使传播的声时、波形、频率等发生相应变化，测定 这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况；
超声波测厚仪
超声波探伤仪
声时 距离 声速 波形
压 电 效 应
质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。
§6-1 声波的传播规律
3. 表面波（Surface Wave ）
沿介质表面传播，波动振幅随深度增加而迅速衰减的波称为
表面波(R波，瑞利波)。表面波质点振动的轨迹是椭圆形,长轴垂 直于传播方向,短轴平行于传播方向。
§6-1 声波的传播规律
§6-2 声波探测技术及其应用
2．利用弹性波测试评价岩体强度和完整性程度
测定岩块及一定区域内岩体的波速，计算岩体的完整性系数或 称龟裂系数： 2
Vm Cm V c
完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎
Cm是岩体分类中常用指标之一，也用于评价岩体完整性: Cm>0.75 Cm=0.75~0.55 Cm=0.55~0.35 Cm=0.35~0.15 Cm<0.15
(vi mv ) 2
i 1 24
sv
24 1
0.10km / s
例题
N=24，查表2得λ1=1.73 ∴声速异常值判定值
v0=mv-λ1Sv=4.48-1.73×0.10=4.31km/s
比较得v12=4.23km/s<v0=4.31km/s，v20=， 故测点12和测点20为异常测点。
工作原理
1.超声波检测主要是测量超声波在混凝土当中的传播速度；
2.超声波在介质中传播时，遇到不同界面，将产生反射、折射、绕射、 衰减等现象，从而使传播的声时、波形、频率等发生相应变化，测定 这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况；
超声波测厚仪
超声波探伤仪
声时 距离 声速 波形
压 电 效 应
4声波测试技术与声发射监测技术new-文档资料
4
§4-0 概述
应用：
4．岩石和岩体的物理力学性质的测定。如动弹性模量 、泊松比等； 5．岩体中存在缺陷，如构造断裂、岩溶洞穴的位置、 规模，张开裂缝的延伸方向和长度的探测； 6．工程岩体施工及加固措施效果的检测，如爆破、喷 锚支护、注浆的质量检查。
5
§4-1 声波的传播规律
一 波动方程：拉密运动方程
1
θ1
γ
2
θ2
16
§4-2
声波探测技术
1 声波的利用：波速、振幅、频率、波形等；目前利 用最多的是波速，特别是纵波波速。 2 弹性参数：
Vp
2G
G
E (1 ) (1 )(1 2 )
Vs
E 2 (1
)
0.87 1.12 Vs 1
目前所用的声波测试方法，以测量声波在介质中传播的时间 和在介质中传播一定距离后脉冲（或振幅）的衰减值为依据.
2
§4-0 概述
声波测试技术：
岩体声波探测技术是以人工的方法，向介质 (岩 石和岩体)辐射声波，观察声波在介质中传播的 情况和特性。由于介质的物理性质不同，其传播 速度等参数也不相同。应用这个基本原理，作为 分析或测定岩体的物理性质和力学性质的依据。
20
§4-2
声波探测技术
3 声波探测仪器设备和使用 （1）换能器的布置方法：
穿透法 室内实验 现场测试:双孔孔间穿透法
21
反射法
T
R
深 度
反射法
界面1
界面2 界面3
目的物
时 间
22
剖面法：
23
§4-2
声波探测技术
4 测试方法的确定：
同济大学土木工程课件声波测试技术与声发射监测技术
1）纵波传播速度推导
定义：质点振动方向与波的传播方向一致。
u u ( x , t ), v 0 , w 0
2 2 ( G ) G u u 2 x t
纵波波速
V P
09.04.2019
2u 2u 2u ( G ) G x2 x2 t2 2 2u 2 u V P t2 x2
V P V S
2( 1 ) 1 2
注意：①利用各种波的速度差异，可以帮助在记录中识别各种波。 ②实际应用时，由于S波发生和接受均较困难，故一般多利用P 波进行测试（但不是绝对的）。
09.04.2019
13
§4-2
声波探测技术
1 声波的利用：波速、振幅、频率、波形等；目前利 用最多的是波速，特别是纵波波速。 2 弹性参数：
09.04.2019
17
§4-2
反射法
声波探测技术
T
R
深 度
反射法
界面1
界面2 界面3
目的物
时 间
09.04.2019
18
§4-2
剖面法：
声波探测技术
09.04.2019
19
§4-2
声波探测技术 岩土工程 结构工程
5 声波测试的应用:地质工程
1 地质工程：
1）围岩松弛带的测试
应力集中现象不明显, 近洞 岩体完整,节理裂隙 ,可, 岩 洞壁出现应力集中现象 壁岩体完整性降低 ,存在松驰 松弛带 应力上升 原始应力带 体保持完整。 带 认为未有松驰带。
09.04.2019
1
§4-0 概述
弹性波： 振动在弹性介质中的传播，形成了弹性波 声波是弹性波的一种 声波的概念（20－20000HZ ） 声波是介质中振动的质点，将振动的能量传递给给周围的质 点，引起周围质点的振动，从而以波动的形式将声能向外传 播。 声波测试的应用依据： 目前所用的声波测试方法，以测量声波在介质中传播的时 间和在介质中传播一定距离后脉冲（或振幅）的衰减值为 依据.
定义：质点振动方向与波的传播方向一致。
u u ( x , t ), v 0 , w 0
2 2 ( G ) G u u 2 x t
纵波波速
V P
09.04.2019
2u 2u 2u ( G ) G x2 x2 t2 2 2u 2 u V P t2 x2
V P V S
2( 1 ) 1 2
注意：①利用各种波的速度差异，可以帮助在记录中识别各种波。 ②实际应用时，由于S波发生和接受均较困难，故一般多利用P 波进行测试（但不是绝对的）。
09.04.2019
13
§4-2
声波探测技术
1 声波的利用：波速、振幅、频率、波形等；目前利 用最多的是波速，特别是纵波波速。 2 弹性参数：
09.04.2019
17
§4-2
反射法
声波探测技术
T
R
深 度
反射法
界面1
界面2 界面3
目的物
时 间
09.04.2019
18
§4-2
剖面法：
声波探测技术
09.04.2019
19
§4-2
声波探测技术 岩土工程 结构工程
5 声波测试的应用:地质工程
1 地质工程：
1）围岩松弛带的测试
应力集中现象不明显, 近洞 岩体完整,节理裂隙 ,可, 岩 洞壁出现应力集中现象 壁岩体完整性降低 ,存在松驰 松弛带 应力上升 原始应力带 体保持完整。 带 认为未有松驰带。
09.04.2019
1
§4-0 概述
弹性波： 振动在弹性介质中的传播，形成了弹性波 声波是弹性波的一种 声波的概念（20－20000HZ ） 声波是介质中振动的质点，将振动的能量传递给给周围的质 点，引起周围质点的振动，从而以波动的形式将声能向外传 播。 声波测试的应用依据： 目前所用的声波测试方法，以测量声波在介质中传播的时 间和在介质中传播一定距离后脉冲（或振幅）的衰减值为 依据.
声发射检测课件
6. 4 声发射检测
本节学习需要解决的问题： A. 什么是声发射？ B. 声发射检测的原理是什么？ C. 声发射检测具有什么特点？ D. 声发射检测是如何进行的？ E. 声发射检测技术的应用现状及其发展前景如何？
声发射检测
6. 4. 1 概述
声发射 (Acoustic Emission =AE) —— 材料受外力或内力作 用产生变形或断裂, 以弹性波形式释放出应力应变能的现象
4
1: 达到最大输出幅度上升时间tτ； 2: 阈值电压Vt； 3: 最大信号输出幅度Vp； 4: 事件宽度te； 5: 事件间隔时间ti；
声发射检测ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 为排除噪声干扰，可设置阈值电压 Vt ，当传感器输出信号低于阈值电 压时无效
• 从包络线超过 Vt 的一点开始到包 络线降到 Vt的时间称为事件宽度te
由于材料塑性形变具有不可逆的特点，由塑性形变引起的 声发射也不可逆的。第二次重复载荷当超过第一次最大载 荷时才产生声发射，这一现象称为声发射的不可逆效应
声发射检测
6. 4. 2 声发射检测原理
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 以用声发射换能器探 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
Principle of acoustic emission
声发射检测
6. 4. 3 声发射信号
6. 4. 3. 1 声发射信号的传播
• 理想半无限大固体内：声发射信号以纵波、横波等模式从声 发射源传到传感器
• 实际情形：声发射信号因界面反射作用，不断多次反射而到 达传感器，称为循轨波。传感器接收的是由于界面反射产生 变换的几种波模式的叠加
声发射检测
本节学习需要解决的问题： A. 什么是声发射？ B. 声发射检测的原理是什么？ C. 声发射检测具有什么特点？ D. 声发射检测是如何进行的？ E. 声发射检测技术的应用现状及其发展前景如何？
声发射检测
6. 4. 1 概述
声发射 (Acoustic Emission =AE) —— 材料受外力或内力作 用产生变形或断裂, 以弹性波形式释放出应力应变能的现象
4
1: 达到最大输出幅度上升时间tτ； 2: 阈值电压Vt； 3: 最大信号输出幅度Vp； 4: 事件宽度te； 5: 事件间隔时间ti；
声发射检测ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 为排除噪声干扰，可设置阈值电压 Vt ，当传感器输出信号低于阈值电 压时无效
• 从包络线超过 Vt 的一点开始到包 络线降到 Vt的时间称为事件宽度te
由于材料塑性形变具有不可逆的特点，由塑性形变引起的 声发射也不可逆的。第二次重复载荷当超过第一次最大载 荷时才产生声发射，这一现象称为声发射的不可逆效应
声发射检测
6. 4. 2 声发射检测原理
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 以用声发射换能器探 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
Principle of acoustic emission
声发射检测
6. 4. 3 声发射信号
6. 4. 3. 1 声发射信号的传播
• 理想半无限大固体内：声发射信号以纵波、横波等模式从声 发射源传到传感器
• 实际情形：声发射信号因界面反射作用，不断多次反射而到 达传感器，称为循轨波。传感器接收的是由于界面反射产生 变换的几种波模式的叠加
声发射检测
声发射检测技术介绍
干扰噪声种类
电气干扰噪声 机械噪声源 声波传播途径引起的声信号畸变和衰减
小结
AE源机制的多样性、声波传播途径的复杂性、AE信号本身 的突发性和不确定性，以及干扰噪声的严重性等因素都使 AE信号的处理和分析面临极其严重的挑战。尽管如此，目 前人们还是有了一整套比较有效的AE信号处理和分析方法。 了解并掌握这些方法对AE技术的推广应用具有重要意义。
主要问题：接近、几何形状
声发射技术的主要应用领域
静力强度试验：大型压力容器等； 泄漏监测：石油管道，压力容器； 结构监测：
过程监测：机械加工，焊接过程，轴承状态；
材料测试：复合材料，铝合金等。
压力容器和贮罐的AE监测
声发射(AE)检测技术是一种评估压力容器、贮罐及结构状况 的新方法。许多规范和标准(ASME、ASTM、DOT)为声发射检 测容器提供了依据, 从运输用的煤气桶和铁路罐车到30000 吨贮罐。这种方法用探头探测从恶化的结构中加载时发出的 高频信号, 这些信号可能来自局部的高应力点(塑性屈服)、 裂纹增长或腐蚀产生的断裂等能量释放。声发射检测通常是 在控制增加操作压力或保压期间、或冷却或控制温度变化即 热应力区期间进行是最有意义的。只关心活动的缺陷和恶化 结果的声发射,而不随时间变化反应缓慢的缺陷是不威胁结 构完整性的。
声发射检测技术
声发射的基本概念
什么叫声发射？材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波 (声波) 的一种物理现象
主要的声发射源：裂纹的形成和扩展，塑性形变，位错 的移动，孪晶边界的移动，磁畴壁的移动、复合材料基 体或夹杂物的破裂、分层或纤维的断裂，以及物质结构 的变化（包括相变）等。 声发射的频率范围是什么？几十KHz- 数MHz
声发射检测技术特点（1）
无损检测之声发射.
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
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。
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
（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。
2） 声发射信号的传播
，
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
因易受传播的影响而其物理意义变得不明显
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。
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
（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。
2） 声发射信号的传播
，
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
声波监测技术
单通道声发射仪可进行声发射信号位移多种分析，但无法进行声源定位，
若欲寻求音源必须在不同方向埋设 4~5 个地音仪操头，通过坐标计算，方可定
出音源位置。
多通道声发射仪则可进行多种分析和声源定位。目前有双通道、三通道及
至 72 通道声发射检测仪器和系统，均采用多功能组合方式，根据量测时不同需
要，可组成不同功能的系统。
1、 多通道声发射检测仪
多通道声发射检测系统组成如图 6-1 所示，由图可知，声发射信号由接收
换能器接收变换成电信号，通过前置放大器放大，提高信噪比，然后输入滤波
器滤去工作频率以外的信号，再由主放大器放大。放大后的信号与门槛电平比
较，超过门槛电平的峰值经整形即变成事件脉冲信号。然后输入一系列的信号
处理单元进行各种特征分析，或将所测得的声发射信号特征参数输入计算机进
5
次数，监听时除记录岩音频度外,还应注意声响大小、音色及其它山体压力现象， 以便综合分析，做出正确的判断。
为了成功地使用地音仪，监听时应作到以下几点 （1） 坚持长期连续监听 （2） 坚持合理的监听制度 （3） 采用合理的监听网
四、 岩音频度与岩性的关系
岩石声发射频度随应力变化而变化的规律与岩性关系较大，研究各种岩石 的声发射性能得知声发射与岩石组织有关。
1
点，因而在水利、矿业、隧道、铁道以及市政等地下工程中得到广泛应用。
第二节 声发射技术
一、 基本原理
任何材料（包括岩体）或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，或材料 内部缺陷及潜在缺陷在外部条件作下改变状态时，以弹性波形式释放出能量； 同时会发出声响的现象称为声发射。
材料内部晶体的位错、裂纹的形成和发展，材料内部的磨擦、凝胶体中胶 粒的滑动，相变以及上述诸原因导致的材料内部破裂和断裂，都会伴随着一系 列的声发射现象，声发射信号的强度、频率等随着声发射流动类型、状态及材 料性质的不同而不同，也随着外力作用形式及强度的变化而变化，因此，声发 射特性是材料性质和状态的一个表征，声发射检测技术就是利用材料受力时声 发射特性，对其内部破坏状态及受力历史进行判断的方法，它不仅能对材料内 部缺陷进行检测。而且还能反映材料内部缺陷形成，发展和失稳破坏的整个动 态过程。
第6章声发射检测技术
第6章-声发射检测技术第6章声发射检测技术6.1检测仪器选择的影响因素在进行声发射试验或检测前，需首先根据被检测对象和检测目的来选择检测仪器，主要应考虑的因素如下：(1) 被监测的材料：声发射信号的频域、幅度、频度特性随材料类型有很大不同，例如，金属材料的频域约为数kHz～数MHz，复合材料约为数kHz～数百kHz，岩石与混凝土约为数Hz～数百kHz。
对不同材料需考虑不同的工作频率。
(2) 被监测的对象：被检对象的大小和形状、发射源可能出现的部位和特征的不同，决定选用检测仪器的通道数量。
对试验室材料试验、现场构件检测、各类工业过程监视等不同的检测，需选择不同类型的系统，例如，对实验室研究，多选用通用型，对大型构件，采用多通道型，对过程监视，选用专用型。
(3) 需要得到的信息类型：根据所需信息类型和分析方法，需要考虑检测系统的性能与功能，如信号参数、波形记录、源定位、信号鉴别、及实时或事后分析与显示等。
表6.1列出了选择检测系统时需要考虑的主要因素。
表6.1 影响检测仪器选择的因素性能及功能影响因素工作频率传感器类型通道数源定位信号参材料频域、传播衰减、机械噪声频响、灵敏度、使用温度、环境、尺寸被检对象几何尺寸、波的传播衰减特性、整体或局部监测不定位，区域定位、时差定位连续信号与突发信号参数、波形数显示噪声鉴别存储量数据率记录与谱分析定位、经历、关系、分布等图表的实时或事后显示空间滤波、特性参数滤波、外变量滤波及其前端与事后滤波数据量，包括波形记录高频度声发射、强噪声、多通道多参数、实时分析6.2 检测仪器的设置和校准声发射检测系统的校准包括在试验室内对仪器硬件系统灵敏度和一致性的校准与在现场对已安装好传感器的整个声发射系统灵敏度和定位精度的校准。
对仪器硬件系统的校准需采用专用的电子信号发生器来产生各种标准函数的电子信号直接输入前置放大器或仪器的主放大器。
对现场已安装好传感器的整个声发射系统灵敏度和定位精度的校准采用在被检构件上可发射机械波的模拟声发射信号，模拟声发射信号的产生装置一般包括两种，一种是采用电子信号发生器驱动声发射压电陶瓷传感器发射机械波，另一种是直接采用铅笔芯折断信号来产生机械波，铅笔芯模拟源如图6.1所示。
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二、波的反射与透射
斯奈尔定律：
sin sin 1 V p1 V p1 sin 2 V p2 sin 1 Vs 1 sin 2 Vs 2
α
§6-1 声波的传播规律
第一临界角αⅠ：
V p1 V p1 I arcsin sin 2 arcsin V V p2 p2
测点 17 18 19 20 21 22 23 24
声速(km/s)
4.53 4.62 4.52 4.25 4.32 4.56 4.47 4.45
例题
表2 n λ1 20 1.65 22 1.69 24 1.73 26 1.77
解： (1)24个测点声速平均值、标准差：
1 24 mv vi 4.48km / s 24 i 1
依据声学参数和波形 的变化，对介质特性 进行工程解释
声波记录和 分析系统
§6-1 声波的传播规律
一、波动类型 1. 纵波（Longitudional Wave）
质点振动方向与波的传播方 向一致时称为纵波。
§6-1 声波的传播规律
2. 横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简
反射系数
透射系数
A2 2 1V1 T A0 1V1 2V2
§6-2 声波探测技术及其应用
弹性波在岩体中的传播速度与岩体的种类、弹性参 数、结构面、物理力学参数、应力状态、风化程度和含 水量等有关，具有如下规律： (1) 弹性模量降低时，岩体声波速度也相应的下降。 (2) 岩石越致密，岩体声速越高。 (3) 结构面的存在，使得声速降低，并形成各向异性。 (4) 岩体风化程度大则声速低。 (5) 压应力方向上声波速度高。 (6) 孔隙率n大，则波速低。 (7) 密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。
(2)剔除该2个测点后，继续计算剩余22个测点的声速平均值、标 准差： 22
1 mv vi 4.50km / s 22 i 1
sv
(vi mv ) 2
i 1
22
22 1
0.08km / s
例题
N=22，查表2得λ1=1.69 ∴声速异常值判定值 v0=mv-λ1Sv=4.50-1.69×0.08=4.36km/s 比较得v13=4.32km/s<v0=4.36km/s， v21=4.32km/s<v0=4.36km/s，故测点13和测点21为异常测点。 (3)剔除该2个测点后，继续计算剩余20个测点的声速平均值、 标准差：
注意：发射和接收接触器之间的净 距离l应满足．
l v p水
l l A lB v p岩
§6-2 声波探测技术及其应用
四、声波测试在混凝土结构中的应用 1．检测混凝土强度
定义
结构混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数（声速、 衰减等）之间的相关关系是超声脉冲检测混凝土强度方法的基础。
§6-2 声波探测技术及其应用
3．岩体力学参数测定 通过测定岩体纵横波速度，根据岩体纵横波速与弹 性模量、泊松比的关系计算出弹性模量和泊松比。
通过测出现场岩体和室内试块的弹性波波速及抗压
和抗拉强度，可估算岩体的抗压和抗拉强度：
2 cm c C m 2 tm t C m
1 20 mv vi 4.52km / s 20 i 1
(vi mv ) 2
§6-2 声波探测技术及其应用
BC段混凝 土的声速
l v t FS2 t FS1
§6-2 声波探测技术及其应用
换能器的性能指标
扩散角
sin K
D
品质因数
Zc Qm 2 Zl Zb
频带宽度
f0 f Qm
§6-2 声波探测技术及其应用
2. 声波仪 声波仪的主要部件 是发射机和接收机， 发射机的作用是向探 头输出一定频率的声 脉冲，接收机的功能 是将接收探头收到的 微小信号放大，并在 示波器上显示或以数 字的形式显示。
声速（m/s）
混凝土质量
4500
优
3500~4500
好
3000~3500
不佳或有问题
2000~3000
差
2000
很差
特点
1. 2. 3. 4.
检测过程无损于材料和结构构件的性能；
直接在结构物上进行检测并推定其实际的强度；
重复或复核检测方便，检测方法具有良好的重复性； 具有检测混凝土均匀性和内部缺陷的功能，可以将混 凝土的强度评定和内部缺陷评定有机的结合； 在有些情况下，其他非破损检测方法无法获取 混凝土的质量和强度信息，超声法有其特殊性。
5.
注意事项
1、开始测试前，利用标准棒对仪器进行校准。 2、通常在50~100kHz范围内选择超声波发射频率。 3、测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合（防止空气进 入），并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。 4、一般尽可能选择在构件的侧面选择测区，避免浇筑面的不平整。 5、每一试件上相邻测区间距不大于2m。 6、每个测区内应在相对测试面上对应布臵三个测点，相对面上对应的辐射 和接受换能器应在同一轴线上。 7、必须要对超声检测结果进行标定，也即是必须预先建立超声声速与混凝 土强度的关系。 8、超声法一般不单独用来检测混凝土的强度。
v=l/tm 其中tm=（t1+t2+t3)/3
式中 ： v为测区声速值，l为超声测距，t为声时值。 当在试件混凝土的浇筑顶面或底面测试时，声速值应作修正，即
vu=βv
其中：β为超声测试面修正系数。 在混凝土浇灌顶面及底面测试时，β=1.034。 在混凝土侧面测试时，β=1.0 。 （2）由试验量测的声速，按fcu—v曲线求得混凝土强度换算值。 利用超声声速对混凝土强度进行大致判断的参考数据
第二临界角αⅡ：
90º
V p1 V p1 II arcsin V sin 2 arcsin V s2 s2
§6-1 声波的传播规律
平面波垂直入射时
1 0
A1 2V2 1V1 n A0 2V2 1V1
§6-2 声波探测技术及其应用
二、测试技术
1．换能器的布臵方法
(1) 穿透法。
发射探头和接收探头放 臵在介质相对两个面上， 根据声波穿透介质后波速 和能量的变化来判断介质 的质量。
§6-2 声波探测技术及其应用
(2) 反射法
它是换能器向介质发 射声波，波动沿发射方 向传播到介质的底面后， 被反射回来再由换能器 接收，根据反射波传播 的时间和显示的波形来 判断介质内部的缺陷和 材料性质的方法。 结构混凝土厚度检测， 基桩完整性检测。
声 波
声波是在介质中传播 的机械波，依据波动频 率的不同，声波可分为 次声波、可闻声波、超 声波、特超声波。
名 称
次声波
频率范围（Hz）
0~2×101
可闻声波
超声波
2×101~2×104
2×104~1010
特超声波
>1010
§6-1
声波发射 系统向被 测介质发 射声波
声波的传播规律
声波在介质(被测对象) 中传播,介质的几何特 征、内部结构、力学 性能对声波进行调制 声波接收 系统接收 经介质传 播的声波
§6-2 声波探测技术及其应用
§6-2 声波探测技术及其应用
一、声波探测仪器设备
岩体声波探测的全过程是声波发射、传播及接收显示，其相应的 仪器有发射换能器、接收换能器和声波仪。
1．声波换能器
§6-2 声波探测技术及其应用
§6-2 声波探测技术及其应用
一发双收换能器
1—引出电缆 2—发射振子 3—联合体 4—接收振子1 5—接收振子2
(vi mv ) 2
i 1 24
sv
24 1
0.10km / s
例题
N=24，查表2得λ1=1.73 ∴声速异常值判定值
v0=mv-λ1Sv=4.48-1.73×0.10=4.31km/s
比较得v12=4.23km/s<v0=4.31km/s，v20=4.25km/s<v0=4.31km/s， 故测点12和测点20为异常测点。
第 6 章 无损检测技术
本章主要内容
6-1 声波的传播规律
6-2 声波测试技术及其应用
6-3 回弹法检测
6-4 地质雷达检测
6-5 声发射技术及其应用
概述
定义
工程背景
研究对象
研究目的
研究内容
§6-1
声波的传播规律
波动与振动
在空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及 远地传播，这种传播着的扰动称为波动。 波动中介质各质点并不随波前进，只是在各自 的平衡位臵附近往复运动。这种运动称质点的振动 （机械振动）。
1 cm c C m.5 1 tm t C m.5
§6-2 声波探测技术及其应用
4. 测定张开裂隙的延伸深度
§6-2 声波探测技术及其应用
5．声波测井
作用：查明地层层位，构造和破碎 带情况，基岩风化程度和风化深 度，各地层的物理力学参数等. 探测方法：“单孔高差同步法”。
(3) 表面处理。 (4) 耦合剂。 (5) 探测频率的选择。 测试岩石、混凝土类介质时， 频率一般为20kHz±，最高不超过100kHz。
§6-2 声波探测技术及其应用
三、声波测试在岩体中的应用
1. 围岩松弛带测试
§6-2 声波探测技术及其应用Βιβλιοθήκη §6-2 声波探测技术及其应用
§6-2 声波探测技术及其应用
斯奈尔定律：
sin sin 1 V p1 V p1 sin 2 V p2 sin 1 Vs 1 sin 2 Vs 2
α
§6-1 声波的传播规律
第一临界角αⅠ：
V p1 V p1 I arcsin sin 2 arcsin V V p2 p2
测点 17 18 19 20 21 22 23 24
声速(km/s)
4.53 4.62 4.52 4.25 4.32 4.56 4.47 4.45
例题
表2 n λ1 20 1.65 22 1.69 24 1.73 26 1.77
解： (1)24个测点声速平均值、标准差：
1 24 mv vi 4.48km / s 24 i 1
依据声学参数和波形 的变化，对介质特性 进行工程解释
声波记录和 分析系统
§6-1 声波的传播规律
一、波动类型 1. 纵波（Longitudional Wave）
质点振动方向与波的传播方 向一致时称为纵波。
§6-1 声波的传播规律
2. 横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简
反射系数
透射系数
A2 2 1V1 T A0 1V1 2V2
§6-2 声波探测技术及其应用
弹性波在岩体中的传播速度与岩体的种类、弹性参 数、结构面、物理力学参数、应力状态、风化程度和含 水量等有关，具有如下规律： (1) 弹性模量降低时，岩体声波速度也相应的下降。 (2) 岩石越致密，岩体声速越高。 (3) 结构面的存在，使得声速降低，并形成各向异性。 (4) 岩体风化程度大则声速低。 (5) 压应力方向上声波速度高。 (6) 孔隙率n大，则波速低。 (7) 密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。
(2)剔除该2个测点后，继续计算剩余22个测点的声速平均值、标 准差： 22
1 mv vi 4.50km / s 22 i 1
sv
(vi mv ) 2
i 1
22
22 1
0.08km / s
例题
N=22，查表2得λ1=1.69 ∴声速异常值判定值 v0=mv-λ1Sv=4.50-1.69×0.08=4.36km/s 比较得v13=4.32km/s<v0=4.36km/s， v21=4.32km/s<v0=4.36km/s，故测点13和测点21为异常测点。 (3)剔除该2个测点后，继续计算剩余20个测点的声速平均值、 标准差：
注意：发射和接收接触器之间的净 距离l应满足．
l v p水
l l A lB v p岩
§6-2 声波探测技术及其应用
四、声波测试在混凝土结构中的应用 1．检测混凝土强度
定义
结构混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数（声速、 衰减等）之间的相关关系是超声脉冲检测混凝土强度方法的基础。
§6-2 声波探测技术及其应用
3．岩体力学参数测定 通过测定岩体纵横波速度，根据岩体纵横波速与弹 性模量、泊松比的关系计算出弹性模量和泊松比。
通过测出现场岩体和室内试块的弹性波波速及抗压
和抗拉强度，可估算岩体的抗压和抗拉强度：
2 cm c C m 2 tm t C m
1 20 mv vi 4.52km / s 20 i 1
(vi mv ) 2
§6-2 声波探测技术及其应用
BC段混凝 土的声速
l v t FS2 t FS1
§6-2 声波探测技术及其应用
换能器的性能指标
扩散角
sin K
D
品质因数
Zc Qm 2 Zl Zb
频带宽度
f0 f Qm
§6-2 声波探测技术及其应用
2. 声波仪 声波仪的主要部件 是发射机和接收机， 发射机的作用是向探 头输出一定频率的声 脉冲，接收机的功能 是将接收探头收到的 微小信号放大，并在 示波器上显示或以数 字的形式显示。
声速（m/s）
混凝土质量
4500
优
3500~4500
好
3000~3500
不佳或有问题
2000~3000
差
2000
很差
特点
1. 2. 3. 4.
检测过程无损于材料和结构构件的性能；
直接在结构物上进行检测并推定其实际的强度；
重复或复核检测方便，检测方法具有良好的重复性； 具有检测混凝土均匀性和内部缺陷的功能，可以将混 凝土的强度评定和内部缺陷评定有机的结合； 在有些情况下，其他非破损检测方法无法获取 混凝土的质量和强度信息，超声法有其特殊性。
5.
注意事项
1、开始测试前，利用标准棒对仪器进行校准。 2、通常在50~100kHz范围内选择超声波发射频率。 3、测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合（防止空气进 入），并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。 4、一般尽可能选择在构件的侧面选择测区，避免浇筑面的不平整。 5、每一试件上相邻测区间距不大于2m。 6、每个测区内应在相对测试面上对应布臵三个测点，相对面上对应的辐射 和接受换能器应在同一轴线上。 7、必须要对超声检测结果进行标定，也即是必须预先建立超声声速与混凝 土强度的关系。 8、超声法一般不单独用来检测混凝土的强度。
v=l/tm 其中tm=（t1+t2+t3)/3
式中 ： v为测区声速值，l为超声测距，t为声时值。 当在试件混凝土的浇筑顶面或底面测试时，声速值应作修正，即
vu=βv
其中：β为超声测试面修正系数。 在混凝土浇灌顶面及底面测试时，β=1.034。 在混凝土侧面测试时，β=1.0 。 （2）由试验量测的声速，按fcu—v曲线求得混凝土强度换算值。 利用超声声速对混凝土强度进行大致判断的参考数据
第二临界角αⅡ：
90º
V p1 V p1 II arcsin V sin 2 arcsin V s2 s2
§6-1 声波的传播规律
平面波垂直入射时
1 0
A1 2V2 1V1 n A0 2V2 1V1
§6-2 声波探测技术及其应用
二、测试技术
1．换能器的布臵方法
(1) 穿透法。
发射探头和接收探头放 臵在介质相对两个面上， 根据声波穿透介质后波速 和能量的变化来判断介质 的质量。
§6-2 声波探测技术及其应用
(2) 反射法
它是换能器向介质发 射声波，波动沿发射方 向传播到介质的底面后， 被反射回来再由换能器 接收，根据反射波传播 的时间和显示的波形来 判断介质内部的缺陷和 材料性质的方法。 结构混凝土厚度检测， 基桩完整性检测。
声 波
声波是在介质中传播 的机械波，依据波动频 率的不同，声波可分为 次声波、可闻声波、超 声波、特超声波。
名 称
次声波
频率范围（Hz）
0~2×101
可闻声波
超声波
2×101~2×104
2×104~1010
特超声波
>1010
§6-1
声波发射 系统向被 测介质发 射声波
声波的传播规律
声波在介质(被测对象) 中传播,介质的几何特 征、内部结构、力学 性能对声波进行调制 声波接收 系统接收 经介质传 播的声波
§6-2 声波探测技术及其应用
§6-2 声波探测技术及其应用
一、声波探测仪器设备
岩体声波探测的全过程是声波发射、传播及接收显示，其相应的 仪器有发射换能器、接收换能器和声波仪。
1．声波换能器
§6-2 声波探测技术及其应用
§6-2 声波探测技术及其应用
一发双收换能器
1—引出电缆 2—发射振子 3—联合体 4—接收振子1 5—接收振子2
(vi mv ) 2
i 1 24
sv
24 1
0.10km / s
例题
N=24，查表2得λ1=1.73 ∴声速异常值判定值
v0=mv-λ1Sv=4.48-1.73×0.10=4.31km/s
比较得v12=4.23km/s<v0=4.31km/s，v20=4.25km/s<v0=4.31km/s， 故测点12和测点20为异常测点。
第 6 章 无损检测技术
本章主要内容
6-1 声波的传播规律
6-2 声波测试技术及其应用
6-3 回弹法检测
6-4 地质雷达检测
6-5 声发射技术及其应用
概述
定义
工程背景
研究对象
研究目的
研究内容
§6-1
声波的传播规律
波动与振动
在空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及 远地传播，这种传播着的扰动称为波动。 波动中介质各质点并不随波前进，只是在各自 的平衡位臵附近往复运动。这种运动称质点的振动 （机械振动）。
1 cm c C m.5 1 tm t C m.5
§6-2 声波探测技术及其应用
4. 测定张开裂隙的延伸深度
§6-2 声波探测技术及其应用
5．声波测井
作用：查明地层层位，构造和破碎 带情况，基岩风化程度和风化深 度，各地层的物理力学参数等. 探测方法：“单孔高差同步法”。
(3) 表面处理。 (4) 耦合剂。 (5) 探测频率的选择。 测试岩石、混凝土类介质时， 频率一般为20kHz±，最高不超过100kHz。
§6-2 声波探测技术及其应用
三、声波测试在岩体中的应用
1. 围岩松弛带测试
§6-2 声波探测技术及其应用Βιβλιοθήκη §6-2 声波探测技术及其应用
§6-2 声波探测技术及其应用