无损检测之声发射.

第6章常用无损检测方法6.4声发射检测6.4.11.声发射(AcousticEmission，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。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。第6章常用无损检测方法2．1）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）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。第6章常用无损检测方法图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。第6章常用无损检测方法图6-71声发射波在厚板中的传播示意图第6章常用无损检测方法图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3）（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。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／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。第6章常用无损检测方法图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。第6章常用无损检测方法图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撞击和撞击计数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反映声发射活动的总量和频度，常用于声发射活动性评价事件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振玲计数越过门槛信号的振荡次数，分为总计数和计数率信号处理简单，广泛用于声发射活动性评价，但受门槛的影响幅度事件波形的最大振幅值，通常用dB表示不受门槛的影响，直接决定时间的可测性，常用于声发射源的类型鉴别，强度及衰减的测量能量计数事件信号检波包络线下的面积，分为总计数和计数率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持续时间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μs表示与振铃计数相似，常用于特殊声发射源的类型和噪声鉴别上升时间事件信号第一次越过门槛至最大振幅所经历的时间，用μs表示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。第6章常用无损检测方法图6-76(a)波形；(b)频谱第6章常用无损检测方法图6-77(a)波形；(b)频谱第6章常用无损检测方法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。由于提供了缺陷在应力作用下的动态信息，因此适于评价缺陷对结构的实际有害程度。（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。第6章常用无损检测方法6.4.21．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。第6章常用无损检测方法图6-78源定位分类第6章常用无损检测方法图6-79(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2．1）一维(线)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，波速为v，则可得下式：|QS1-QS2|=υΔt（6-60）第6章常用无损检测方法图6-80一维定位法第6章常用无损检测方法2）二维（平面）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。第6章常用无损检测方法图6-81二维(平面)定位法第6章常用无损检测方法若由传感器S1和S3间的时差ΔtX所得的双曲线为l，由传感器S2和S4间的时差ΔtY所得双曲线为2，波源Q离传感器S1和S3，S2和S4的各距离差分别为Lx和Ly，波速为υ，两组传感器间距分别为a和b，那么，波源就位于两条双曲线的交点Q(X，Y)上，其坐标可表示为：22)2(22yaxLaLXxx22)2(22xbyLbLYyy（6-61）（6-62）第6章常用无损检测方法3）柱形、球面的定位柱面定位是一种常见的定位方式，许多压力容器都是圆柱体，柱面定位实际上是平面定位的一种特例。将一个圆柱面按某一母线剖开就是一个矩形，如图6.82所示，声音在柱面上的传播与在平面上的传播是相似的，只不过需要考虑的是矩形的两边是连接的，图6.82为柱形的剖面AB与CD实际是连接的，声音从S点传到P点后不是反射，而是从P继续向Q传播，因此计算方法上要考虑信号传播AB和BD的接续。