聲發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)原理

1、聲發(fā)射聲發(fā)射材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。波的現(xiàn)象。 (Acoustic Emission, 簡稱簡稱AE) ，也稱為，也稱為應(yīng)力波發(fā)射。應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射事件聲發(fā)射事件引起聲發(fā)射的局部材料變化。引起聲發(fā)射的局部材料變化。聲發(fā)射源聲發(fā)射源材料中直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的彈材料中直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的彈性波發(fā)射源。聲發(fā)射源的實(shí)質(zhì)是指聲發(fā)射的物理源點(diǎn)性波發(fā)射源。聲發(fā)射源的實(shí)質(zhì)是指聲發(fā)射的物理源點(diǎn)或發(fā)生聲發(fā)射的機(jī)制源。材料在應(yīng)力作用下的變形與或發(fā)生聲發(fā)射的機(jī)制源。材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要

2、機(jī)制。其它聲發(fā)射源其它聲發(fā)射源流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機(jī)制無直接關(guān)系的另一類彈性波源。也稱變形和斷裂機(jī)制無直接關(guān)系的另一類彈性波源。也稱為二次聲發(fā)射源。為二次聲發(fā)射源。聲發(fā)射的概念聲發(fā)射的概念n聲發(fā)射信號(hào)的頻率聲發(fā)射信號(hào)的頻率幾幾HZ到數(shù)到數(shù)MHZ，包括次聲頻、，包括次聲頻、聲頻（聲頻（20HZ20KHZ）、超聲頻。）、超聲頻。n聲發(fā)射信號(hào)幅度聲發(fā)射信號(hào)幅度從微觀的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到大規(guī)從微觀的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到大規(guī)模的宏觀斷裂，變化范圍很大，波長范圍從模的宏觀斷裂，變化范圍很大，波長范圍從10-13m的微觀位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到的微觀位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到1m量級(jí)的地震波；量級(jí)的地震波

3、；傳感器的輸出可包括數(shù)傳感器的輸出可包括數(shù)v到數(shù)百到數(shù)百mv。不過多。不過多數(shù)聲發(fā)射信號(hào)為只能用高靈敏度傳感器才能數(shù)聲發(fā)射信號(hào)為只能用高靈敏度傳感器才能探測到的微弱振動(dòng)。探測到的微弱振動(dòng)。n聲發(fā)射檢測技術(shù)聲發(fā)射檢測技術(shù)用儀器探測、記錄、分用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù) 。聲發(fā)射效應(yīng) Kaiser EffectKaiser Effect材料被重新加載期間，材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。生聲發(fā)射信號(hào)。 Felici

4、ty EffectEffect材料重復(fù)加載時(shí)，重復(fù)材料重復(fù)加載時(shí)，重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲載荷到達(dá)原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費(fèi)利西蒂效應(yīng)。（發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費(fèi)利西蒂效應(yīng)。（PAEPmax），稱為費(fèi)利西蒂比。），稱為費(fèi)利西蒂比。 PAEPmax 0.95作為聲發(fā)射源超標(biāo)的重要判據(jù)。作為聲發(fā)射源超標(biāo)的重要判據(jù)。2 2 聲發(fā)射檢測的基本原理聲發(fā)射檢測的基本原理 原理：從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達(dá)材料原理：從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達(dá)材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)

5、換為電信號(hào)，然后這些探測器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再被放大、處理和記錄。根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號(hào)再被放大、處理和記錄。根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析與推斷以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制。進(jìn)行分析與推斷以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制。 3 3 聲發(fā)射檢測的的主要目的聲發(fā)射檢測的的主要目的 確定聲發(fā)射源的部位；確定聲發(fā)射源的部位； 分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；分析聲發(fā)射源的性質(zhì)； 確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷；確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷； 評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。一般而言，對(duì)超評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。一般而言，對(duì)超標(biāo)聲發(fā)射源，要用其它無損檢測方法進(jìn)行局標(biāo)聲發(fā)射源，要用其它無損檢測方法進(jìn)行局部復(fù)檢，以精確確定缺陷

6、的性質(zhì)與大小。部復(fù)檢，以精確確定缺陷的性質(zhì)與大小。 GB18182：檢測由金屬壓力容器壓力管道的：檢測由金屬壓力容器壓力管道的器壁、焊縫、裝配的零部件等表面和內(nèi)部產(chǎn)器壁、焊縫、裝配的零部件等表面和內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射源，并確定聲發(fā)射源的部位及劃生的聲發(fā)射源，并確定聲發(fā)射源的部位及劃分綜合等級(jí)。分綜合等級(jí)。 4 4 聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) (1) 聲發(fā)射檢測是一種動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)方法；聲發(fā)射檢測是一種動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)方法； (2) 聲發(fā)射檢測方法對(duì)線性缺陷較為敏感；聲發(fā)射檢測方法對(duì)線性缺陷較為敏感； (3) 聲發(fā)射檢測在一次試驗(yàn)過程中能夠整體聲發(fā)射檢測在一次試驗(yàn)過程中能夠整

7、體探測和評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)；探測和評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)； (4) 可提供缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變可提供缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，因而適用于工量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)；業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)；4 4 聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) (5) (5) 適于其它方法難于或不能接近環(huán)境下的適于其它方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境；毒等環(huán)境； (6) (6) 對(duì)于在役壓力容器的定期檢驗(yàn)，聲發(fā)射對(duì)

8、于在役壓力容器的定期檢驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)方法可以縮短檢驗(yàn)的停產(chǎn)時(shí)間或者不需檢驗(yàn)方法可以縮短檢驗(yàn)的停產(chǎn)時(shí)間或者不需要停產(chǎn)；要停產(chǎn)； (7) (7) 對(duì)于壓力容器的耐壓試驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)對(duì)于壓力容器的耐壓試驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力；災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力； (8) (8) 適于檢測形狀復(fù)雜的構(gòu)件。適于檢測形狀復(fù)雜的構(gòu)件。 聲發(fā)射技術(shù)的缺點(diǎn)聲發(fā)射技術(shù)的缺點(diǎn) (1)(1)對(duì)數(shù)據(jù)的正確解釋要有更為豐富的數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場對(duì)數(shù)據(jù)的正確解釋要有更為豐富的數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場檢測經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)槁暟l(fā)射特性對(duì)材料甚為敏感，又易

9、檢測經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)槁暟l(fā)射特性對(duì)材料甚為敏感，又易受到機(jī)電噪聲的干擾。受到機(jī)電噪聲的干擾。 (2) (2) 聲發(fā)射檢測，一般需要適當(dāng)?shù)募虞d程序。多數(shù)聲發(fā)射檢測，一般需要適當(dāng)?shù)募虞d程序。多數(shù)情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件，但有時(shí)，還需要情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件，但有時(shí)，還需要特作準(zhǔn)備；特作準(zhǔn)備； (3) (3) 聲發(fā)射檢測目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活聲發(fā)射檢測目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活性和強(qiáng)度，不能給出聲發(fā)射源內(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小，性和強(qiáng)度，不能給出聲發(fā)射源內(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小，仍需依賴于其它無損檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。仍需依賴于其它無損檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。 4 4 聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn) 5

10、聲發(fā)射檢測方法和其它常規(guī)無聲發(fā)射檢測方法和其它常規(guī)無損檢測方法的特點(diǎn)對(duì)比損檢測方法的特點(diǎn)對(duì)比 聲發(fā)射檢測方法其它常規(guī)無損檢測方法缺陷的增長活動(dòng)缺陷的存在與作用應(yīng)力有關(guān)與缺陷的形狀有關(guān)對(duì)材料的敏感性較高對(duì)材料的敏感性較差對(duì)幾何形狀的敏感性較差對(duì)幾何形狀的敏感性較高需要進(jìn)入被檢對(duì)象的要求較少需要進(jìn)入被檢對(duì)象的要求較多進(jìn)行整體監(jiān)測進(jìn)行局部掃描主要問題：噪聲、解釋主要問題：接近、幾何形狀第第二二章章聲發(fā)射檢測的物理基礎(chǔ)聲發(fā)射檢測的物理基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu) 晶界晶界晶粒之間的界面稱為晶界。典型晶粒的大小為幾微晶粒之間的界面稱為晶界。典型晶粒的大小為幾微米到幾百微米之間。米到幾百微米之間

11、。n在晶粒內(nèi)部，有可能存在各種不同材料的微小的夾雜物，例在晶粒內(nèi)部，有可能存在各種不同材料的微小的夾雜物，例如，鐵素體鋼中的部分碳可以形成如，鐵素體鋼中的部分碳可以形成Fe3C（碳化鐵），它具有（碳化鐵），它具有自已的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并在局部位置上代替了鐵素體晶格。夾雜自已的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并在局部位置上代替了鐵素體晶格。夾雜對(duì)金屬的機(jī)械性能具有非常大的影響。對(duì)金屬的機(jī)械性能具有非常大的影響。 第二節(jié)第二節(jié) 材料力學(xué)材料力學(xué) 應(yīng)力應(yīng)力材料單位面積上所受的作用力。物體內(nèi)材料單位面積上所受的作用力。物體內(nèi)的應(yīng)力稱為應(yīng)力場的應(yīng)力稱為應(yīng)力場 。應(yīng)力的單位：。應(yīng)力的單位：Kg/cm2 和和 Mpa。與壓強(qiáng)的單位相同

12、與壓強(qiáng)的單位相同。 應(yīng)力的種類應(yīng)力的種類拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。根拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。根據(jù)物體的結(jié)構(gòu)和加載方式的不同，物體內(nèi)出現(xiàn)的據(jù)物體的結(jié)構(gòu)和加載方式的不同，物體內(nèi)出現(xiàn)的應(yīng)力狀態(tài)也不同，分別有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力狀態(tài)也不同，分別有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。實(shí)際物體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力要復(fù)雜得多，通常應(yīng)力。實(shí)際物體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力要復(fù)雜得多，通常是這三種應(yīng)力的組合。是這三種應(yīng)力的組合。 第二節(jié)第二節(jié) 材料力學(xué)材料力學(xué)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系)第三節(jié)第三節(jié) 材料彈性和塑性變形材料彈性和塑性變形 彈性變形彈性變形材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)應(yīng)力材料在應(yīng)

13、力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)應(yīng)力消逝后，材料的變形也將消逝，材料完全回復(fù)到原消逝后，材料的變形也將消逝，材料完全回復(fù)到原來的狀態(tài)，這種變形即稱為彈性變形。來的狀態(tài)，這種變形即稱為彈性變形。 塑性變形塑性變形材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)應(yīng)力材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)應(yīng)力消逝后，即使材料的應(yīng)力全部解除，材料也不能回消逝后，即使材料的應(yīng)力全部解除，材料也不能回復(fù)到原來的狀態(tài)，即永久變形，這種變形即稱為塑復(fù)到原來的狀態(tài)，即永久變形，這種變形即稱為塑性變形。這時(shí)，材料的應(yīng)力達(dá)到或超過了材料的屈性變形。這時(shí)，材料的應(yīng)力達(dá)到或超過了材料的屈服點(diǎn)，材料產(chǎn)生的塑性變形，材料也不能回復(fù)到原服點(diǎn)，材料產(chǎn)生的塑性變形，材料

14、也不能回復(fù)到原來的狀態(tài)。來的狀態(tài)。 第三節(jié)第三節(jié) 材料彈性和塑性變形材料彈性和塑性變形大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果將導(dǎo)致材料產(chǎn)生如下的結(jié)果：大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果將導(dǎo)致材料產(chǎn)生如下的結(jié)果： 滑移滑移 屈服屈服 留德爾斯線（鋼）留德爾斯線（鋼） 裂紋尖端塑性區(qū)裂紋尖端塑性區(qū) 空隙增長和聚結(jié)空隙增長和聚結(jié) 韌性斯裂韌性斯裂 第三節(jié)第三節(jié) 材料彈性和塑性變形材料彈性和塑性變形孿生變形孿生變形 孿生產(chǎn)生較高幅值的聲發(fā)射，孿生發(fā)生在錫、鋅、鈦中，但孿生產(chǎn)生較高幅值的聲發(fā)射，孿生發(fā)生在錫、鋅、鈦中，但不發(fā)生在鋼與鋁中。不發(fā)生在鋼與鋁中。 第三節(jié)第三節(jié) 材料彈性和塑性變形材料彈性和塑性變形 裂紋周圍的應(yīng)力場分布裂紋周圍的

15、應(yīng)力場分布內(nèi)部帶有裂紋內(nèi)部帶有裂紋的材料在受到應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力場必定要的材料在受到應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力場必定要“圍繞著圍繞著”裂紋的邊界產(chǎn)生集中裂紋的邊界產(chǎn)生集中 ，應(yīng)力的，應(yīng)力的集中作用將使裂紋尖端的材料產(chǎn)生變形，集中作用將使裂紋尖端的材料產(chǎn)生變形，甚至破壞，而這時(shí)材料的其它部位還都處甚至破壞，而這時(shí)材料的其它部位還都處于強(qiáng)性范圍以內(nèi)于強(qiáng)性范圍以內(nèi) 。在材料整體處于彈性范。在材料整體處于彈性范圍時(shí)，裂紋和類似的缺陷確已經(jīng)產(chǎn)生了聲圍時(shí)，裂紋和類似的缺陷確已經(jīng)產(chǎn)生了聲發(fā)射信號(hào)。發(fā)射信號(hào)。 第三節(jié)第三節(jié) 材料彈性和塑性變形材料彈性和塑性變形裂紋周圍的應(yīng)力場分布圖裂紋周圍的應(yīng)力場分布圖 第三節(jié)第三節(jié) 材

16、料彈性和塑性變形材料彈性和塑性變形 臨界裂紋臨界裂紋是指達(dá)到這一點(diǎn)后，裂紋將很快地前進(jìn)擴(kuò)展，是指達(dá)到這一點(diǎn)后，裂紋將很快地前進(jìn)擴(kuò)展，并且迅速地使部件斷裂。并且迅速地使部件斷裂。 斷裂韌性斷裂韌性材料抵抗斷裂的能力。用材料抵抗斷裂的能力。用KIc來衡量材料的斷裂來衡量材料的斷裂韌性。裂紋尖端附近應(yīng)力場的強(qiáng)度通過韌性。裂紋尖端附近應(yīng)力場的強(qiáng)度通過“應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子”K來描述，來描述，K值與作用在部件上的載荷和裂紋的大小有關(guān)。值與作用在部件上的載荷和裂紋的大小有關(guān)。K的臨界值就是用于裂紋張開的力，在這個(gè)力的作用下裂紋將的臨界值就是用于裂紋張開的力，在這個(gè)力的作用下裂紋將很快擴(kuò)展，同時(shí)部件將立

17、刻斷裂。用很快擴(kuò)展，同時(shí)部件將立刻斷裂。用KIc來表示來表示K的臨界值。的臨界值。 亞臨界裂紋亞臨界裂紋就是發(fā)生在臨界裂紋發(fā)生以前的裂紋。就是發(fā)生在臨界裂紋發(fā)生以前的裂紋。 “亞臨界亞臨界”裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展就是發(fā)生在裂紋臨界擴(kuò)展發(fā)生以前就是發(fā)生在裂紋臨界擴(kuò)展發(fā)生以前的擴(kuò)展。能引起亞臨界裂紋擴(kuò)展的條件下如下：的擴(kuò)展。能引起亞臨界裂紋擴(kuò)展的條件下如下： a) 不斷上升的載荷作用不斷上升的載荷作用 b) 疲勞（循環(huán)或重復(fù)載荷）疲勞（循環(huán)或重復(fù)載荷） c) 應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂 d) 氫脆開裂氫脆開裂 e) 腐蝕疲勞腐蝕疲勞 斷裂方式的示意斷裂方式的示意 脆性沿晶斷裂脆性沿晶斷裂 塑性沿晶斷裂塑性

18、沿晶斷裂 斷裂方式的示意斷裂方式的示意 拉應(yīng)力作用下的拉應(yīng)力作用下的 切應(yīng)力作用下的切應(yīng)力作用下的塑性穿晶斷裂塑性穿晶斷裂 塑性穿晶斷裂塑性穿晶斷裂斷裂方式的示意斷裂方式的示意解理斷裂解理斷裂 疲勞斷裂疲勞斷裂 第四節(jié)第四節(jié) 聲發(fā)射源聲發(fā)射源 聲發(fā)射源分類穩(wěn)態(tài)源、動(dòng)態(tài)源。 穩(wěn)態(tài)源模型將源看作一個(gè)能量發(fā)射器, 并用應(yīng)力應(yīng)變等宏觀參量來得到這一問題的穩(wěn)定解, 叫穩(wěn)態(tài)源模型。 動(dòng)態(tài)源模型是應(yīng)用局域在源附近隨時(shí)間變化的應(yīng)力應(yīng)變場，計(jì)算與源的行為有關(guān)的動(dòng)力學(xué)變化，叫動(dòng)態(tài)源模型。 聲發(fā)射的能量來源一般由外加負(fù)載、相變潛熱、外加磁場等來提供。穩(wěn)態(tài)源模型的聲發(fā)射源事件的能量分配過程穩(wěn)態(tài)源模型的聲發(fā)射源事件的能

19、量分配過程（裂紋擴(kuò)展期間釋放應(yīng)變能）（裂紋擴(kuò)展期間釋放應(yīng)變能） 晶格應(yīng)變能晶格應(yīng)變能 新斷口表面能新斷口表面能 熱能熱能 彈性波能彈性波能 分配過程分配過程 源事件應(yīng)變能釋放源事件應(yīng)變能釋放 突發(fā)聲發(fā)射信號(hào)突發(fā)聲發(fā)射信號(hào)聲發(fā)射事件信號(hào)是斷續(xù)，且在聲發(fā)射事件信號(hào)是斷續(xù)，且在時(shí)間上可以分開，那么這種信號(hào)就叫突發(fā)聲發(fā)射信時(shí)間上可以分開，那么這種信號(hào)就叫突發(fā)聲發(fā)射信號(hào)。號(hào)。 連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)如果大量的聲發(fā)射事件同時(shí)發(fā)如果大量的聲發(fā)射事件同時(shí)發(fā)生生, ,且在時(shí)間上不可分辨，這些信號(hào)就叫做連續(xù)聲發(fā)且在時(shí)間上不可分辨，這些信號(hào)就叫做連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)。實(shí)際上連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)也是由大量小的射信號(hào)。實(shí)際

20、上連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)也是由大量小的突發(fā)型信號(hào)組成的，只不過太密集不能單個(gè)分辨而突發(fā)型信號(hào)組成的，只不過太密集不能單個(gè)分辨而已已 。 聲發(fā)射信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍聲發(fā)射信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍材料內(nèi)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)材料內(nèi)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，其位移幅度可以從小于具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，其位移幅度可以從小于1010-15-15 m m到到1010-9-9 m, m, 達(dá)到達(dá)到10106 6量級(jí)（量級(jí)（120dB120dB）的范圍。）的范圍。 突發(fā)聲發(fā)射信號(hào)突發(fā)聲發(fā)射信號(hào) 連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)連續(xù)聲發(fā)射信號(hào) 晶體材料中的聲發(fā)射源晶體材料中的聲發(fā)射源 滑移變形滑移變形孿生變形孿生變形裂紋形成裂紋形成裂紋亞臨界擴(kuò)展裂紋亞臨

21、界擴(kuò)展裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展第二相質(zhì)點(diǎn)第二相質(zhì)點(diǎn)（或夾雜物斷裂或脫開）（或夾雜物斷裂或脫開）馬氏體相變、貝氏體相變等馬氏體相變、貝氏體相變等磁疇運(yùn)動(dòng)磁疇運(yùn)動(dòng) 相變相變磁效應(yīng)磁效應(yīng)斷裂斷裂金屬塑金屬塑性變形性變形晶體晶體材料材料非金屬材料中的聲發(fā)射源非金屬材料中的聲發(fā)射源這些材料均為脆性材料，其強(qiáng)度很高，但韌這些材料均為脆性材料，其強(qiáng)度很高，但韌性很差，因此其聲發(fā)射源主要為微裂紋開裂性很差，因此其聲發(fā)射源主要為微裂紋開裂和宏觀開裂。和宏觀開裂。 復(fù)合材料中的聲發(fā)射源復(fù)合材料中的聲發(fā)射源復(fù)合材料是由基體材料和分布于整個(gè)基體材料中的第復(fù)合材料是由基體材料和分布于整個(gè)基體材料中的第2 2相材料所組成

22、的。根據(jù)第相材料所組成的。根據(jù)第2 2相相材料的不同，復(fù)合材料分為材料的不同，復(fù)合材料分為3 3類：擴(kuò)散增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)類：擴(kuò)散增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。與常規(guī)材料相比，復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、疲勞性能和抗腐蝕性能好等優(yōu)復(fù)合材料。與常規(guī)材料相比，復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、疲勞性能和抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且容易制造出結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的部件。點(diǎn)，而且容易制造出結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的部件。 1、擴(kuò)散增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的聲發(fā)射源主要包括：基體開裂和第、擴(kuò)散增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的聲發(fā)射源主要包括：基體開裂和第2 2相相顆粒和基體的脫開。顆粒和基體的脫開。2、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中

23、的聲發(fā)射源主要包括以下、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的聲發(fā)射源主要包括以下7 7類：類：基體開裂基體開裂纖維和基體的脫開纖維和基體的脫開纖維拔出纖維拔出纖維斷裂纖維斷裂纖維松弛纖維松弛分層分層摩擦摩擦纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的聲發(fā)射源纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的聲發(fā)射源 其它聲發(fā)射源其它聲發(fā)射源流體介質(zhì)的泄漏流體介質(zhì)的泄漏氧化物或氧化層的開裂氧化物或氧化層的開裂夾渣開裂夾渣開裂摩擦源摩擦源液化和固化液化和固化元件松動(dòng)、間歇接觸元件松動(dòng)、間歇接觸流體和非固體流體和非固體裂紋閉合裂紋閉合這是在聲發(fā)射檢測過程中有可能經(jīng)常遇到這是在聲發(fā)射檢測過程中有可能經(jīng)常遇到的。的。 第五節(jié)第五節(jié) 波的傳播波的傳播 波波就是材料質(zhì)點(diǎn)離開平

24、衡位置的運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)）就是材料質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)）在材料中的傳播。在材料中的傳播。 縱波（壓縮波）縱波（壓縮波）質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向平行，可在固體、液體、氣體介質(zhì)中傳播。方向平行，可在固體、液體、氣體介質(zhì)中傳播。n橫波（剪切波）橫波（剪切波）質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，只能在固體介質(zhì)中傳播。向垂直，只能在固體介質(zhì)中傳播。n表面波（瑞利波）表面波（瑞利波）質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡呈橢圓形，沿質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡呈橢圓形，沿深度約為深度約為12個(gè)波長的固體近表面?zhèn)鞑?，波的能量隨個(gè)波長的固體近表面?zhèn)鞑?，波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。傳播深度

25、增加而迅速減弱。n蘭姆波（板波）蘭姆波（板波）因物體兩平行表面所限而形成因物體兩平行表面所限而形成的縱波與橫波組合的波，它在整個(gè)物體內(nèi)傳播，質(zhì)的縱波與橫波組合的波，它在整個(gè)物體內(nèi)傳播，質(zhì)點(diǎn)作橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特點(diǎn)可分為對(duì)稱點(diǎn)作橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特點(diǎn)可分為對(duì)稱型（擴(kuò)展波）和非對(duì)稱型（彎曲波）兩種。型（擴(kuò)展波）和非對(duì)稱型（彎曲波）兩種。 近場脈沖響應(yīng)近場脈沖響應(yīng) 點(diǎn)力階躍脈沖力源點(diǎn)力階躍脈沖力源F0H(t)作用于板時(shí)，板表面將產(chǎn)生相作用于板時(shí)，板表面將產(chǎn)生相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，在材料表面上產(chǎn)生的位移迅速變化，這當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，在材料表面上產(chǎn)生的位移迅速變化，這是理論與實(shí)驗(yàn)相符的唯一的情況。

26、是理論與實(shí)驗(yàn)相符的唯一的情況。 Knopoff給出了在力給出了在力作用點(diǎn)對(duì)面的垂直方向作用點(diǎn)對(duì)面的垂直方向質(zhì)點(diǎn)位移質(zhì)點(diǎn)位移，這一情況對(duì)聲發(fā)射技，這一情況對(duì)聲發(fā)射技術(shù)是十分有意義的，它通常用于聲發(fā)射傳感器的預(yù)標(biāo)定。術(shù)是十分有意義的，它通常用于聲發(fā)射傳感器的預(yù)標(biāo)定。 式中括號(hào)內(nèi)第一項(xiàng)是縱波貢獻(xiàn)分量，而第二項(xiàng)是橫波貢獻(xiàn)，式中括號(hào)內(nèi)第一項(xiàng)是縱波貢獻(xiàn)分量，而第二項(xiàng)是橫波貢獻(xiàn)，在板中來回反射的波的貢獻(xiàn)（第三項(xiàng)之后）在式中略去。在板中來回反射的波的貢獻(xiàn)（第三項(xiàng)之后）在式中略去。)1() 1(4) 12()/()1)(1(2)1() 1(4)22()/()22(2)0 ,(212222221222212222

27、222220ayyyybtHayyyawwwawbtHawwbFbUz+-+-+-+-+-=-bapm點(diǎn)脈沖加載的源點(diǎn)脈沖加載的源 TIME2.0沖擊載荷 具有一般形狀的短脈沖力源具有一般形狀的短脈沖力源f f（t t），該處的速度響應(yīng)為縱波），該處的速度響應(yīng)為縱波的速度響應(yīng)與力的變化率成正比，而切變波的速度響應(yīng)與力的速度響應(yīng)與力的變化率成正比，而切變波的速度響應(yīng)與力的大小成正比。的大小成正比。 表面階躍力源在厚板對(duì)面產(chǎn)生的垂直位移表面階躍力源在厚板對(duì)面產(chǎn)生的垂直位移。階躍力源產(chǎn)生的垂直位移00.811.21.400.511.522.53時(shí)間 ( ct/b)歸一化位移P P、

28、S S分別相應(yīng)于縱波、橫波到達(dá)時(shí)刻分別相應(yīng)于縱波、橫波到達(dá)時(shí)刻 反射和折射反射和折射聲發(fā)射源處產(chǎn)生的縱波和橫波。它們傳播到聲發(fā)射源處產(chǎn)生的縱波和橫波。它們傳播到不同材料界面時(shí)，可產(chǎn)生反射、折射。不同材料界面時(shí)，可產(chǎn)生反射、折射。 LSL鋼有機(jī)玻璃n各種反射波和折射波方向都符合反射、折射定律。各種反射波和折射波方向都符合反射、折射定律。以下是縱波入射時(shí)的反射折射定律公式：以下是縱波入射時(shí)的反射折射定律公式：nsinL /CL1 = sin L /CL1 = sin S /CS1 = sinL /CL2 = sins /Cs2 nCL1 、 CS1 第一介質(zhì)中的縱波、橫波波速。第一介質(zhì)中的縱波、橫

29、波波速。nCL2 、 CS2 第二介質(zhì)中的縱波、橫波波速。第二介質(zhì)中的縱波、橫波波速。n L 、 L 縱波入射角、反射角。橫波?？v波入射角、反射角。橫波。nL 、 s 縱波、橫波折射角。縱波、橫波折射角。n S 橫波反射角。橫波反射角。n當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。 波形變換（模式轉(zhuǎn)換）波形變換（模式轉(zhuǎn)換）聲發(fā)射源處同時(shí)產(chǎn)生縱波和橫波兩種。兩種入射波除聲發(fā)射源處同時(shí)產(chǎn)生縱波和橫波兩種。兩種入射波除各自產(chǎn)生反射（或折射）縱波與橫波外，在半無限各自產(chǎn)生反射（或折射）縱波與橫波外，在半無限體自由表面上，一定的條件下還

30、可轉(zhuǎn)換成表面波，體自由表面上，一定的條件下還可轉(zhuǎn)換成表面波，見圖見圖2.28。厚度接近波長的薄板中又會(huì)發(fā)生板波。厚度接近波長的薄板中又會(huì)發(fā)生板波。厚度遠(yuǎn)大于波長的厚壁結(jié)構(gòu)中，波的傳播變得更為厚度遠(yuǎn)大于波長的厚壁結(jié)構(gòu)中，波的傳播變得更為復(fù)雜復(fù)雜 厚板中傳播厚板中傳播 聲發(fā)射波經(jīng)界面反射、折射和模式轉(zhuǎn)換，各自以不同波速、聲發(fā)射波經(jīng)界面反射、折射和模式轉(zhuǎn)換，各自以不同波速、不同波程、不同時(shí)序到達(dá)傳感器不同波程、不同時(shí)序到達(dá)傳感器 。 聲發(fā)射波經(jīng)傳播到探頭后，聲發(fā)射信號(hào)波形的上升時(shí)間變慢，聲發(fā)射波經(jīng)傳播到探頭后，聲發(fā)射信號(hào)波形的上升時(shí)間變慢，幅度下降、持續(xù)時(shí)間變長、到達(dá)時(shí)間延遲、頻率成份向低頻幅度下降

31、、持續(xù)時(shí)間變長、到達(dá)時(shí)間延遲、頻率成份向低頻偏移。這種變化，不僅對(duì)聲發(fā)射波形的定量分折，而且對(duì)波偏移。這種變化，不僅對(duì)聲發(fā)射波形的定量分折，而且對(duì)波形的常規(guī)參數(shù)分析也帶來復(fù)雜的影響，應(yīng)予以充分注意。形的常規(guī)參數(shù)分析也帶來復(fù)雜的影響，應(yīng)予以充分注意。 Vt 縱波速度；縱波速度； t 橫波速度；橫波速度； 泊松比；泊松比； E 楊氏模量；楊氏模量； G 切變模量；切變模量； 密度。密度。 n波速頻率波速頻率 波長波長 （C = f ）。）。n波速波速傳播速度，與波的頻率和波長成正比，等于頻率與傳播速度，與波的頻率和波長成正比，等于頻率與波長的乘積。波長的乘積。n波的傳播速度，是與介質(zhì)的彈性模量和密

32、度有關(guān)的材料特性，波的傳播速度，是與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)的材料特性，因而不同的材料，波速也不同。因而不同的材料，波速也不同。）（2111-=EVlGEt）（ 121=常用材料的聲速和聲阻抗表常用材料的聲速和聲阻抗表 材料縱波橫波聲阻抗kg/m2.s速度Km/sec聲阻抗kg/m2.s速度Km/sec空氣0.000430.33水1.481.48油（SAE30）1.51.7鋁3.1鐵45.45.925.03.2鑄鐵34.64.519.22.5鋼46.05.925.33.23302不銹鋼45.55.5625.03.12n在同種材料中，不同模式的波速之間有一定比率關(guān)系。在同種材

33、料中，不同模式的波速之間有一定比率關(guān)系。例如，橫波速度約為縱波速度的例如，橫波速度約為縱波速度的60%60%，表面波速度約為，表面波速度約為橫波的橫波的90%90%。縱波、橫波、表面波的速度與波的頻率無?？v波、橫波、表面波的速度與波的頻率無關(guān)，而板波的速度則與波的頻率有關(guān)，即具有頻散現(xiàn)象，關(guān)，而板波的速度則與波的頻率有關(guān)，即具有頻散現(xiàn)象，約分布在縱波速度和橫波速度之間。約分布在縱波速度和橫波速度之間。 n傳播速度主要用于聲發(fā)射源的時(shí)差定位計(jì)算，影響定位傳播速度主要用于聲發(fā)射源的時(shí)差定位計(jì)算，影響定位精度。實(shí)際中，難以理論計(jì)算，需用實(shí)驗(yàn)測量。實(shí)測波精度。實(shí)際中，難以理論計(jì)算，需用實(shí)驗(yàn)測量。實(shí)測波

34、速計(jì)算出的定位精度一般在傳感器間距的速計(jì)算出的定位精度一般在傳感器間距的1%1%10%10%。n常見容器類屬于二維結(jié)構(gòu)（薄壁），表面波或板波的傳常見容器類屬于二維結(jié)構(gòu)（薄壁），表面波或板波的傳播衰減遠(yuǎn)小于縱波和橫波，常成為主要的傳播模式。多播衰減遠(yuǎn)小于縱波和橫波，常成為主要的傳播模式。多數(shù)金屬容器中，典型傳播速度約為數(shù)金屬容器中，典型傳播速度約為3000 m/s3000 m/s。在無法測。在無法測得波速的情況下，可用此值作為初設(shè)置。復(fù)合材料中，得波速的情況下，可用此值作為初設(shè)置。復(fù)合材料中，聲波的傳播存在各向異性，時(shí)差定位精度較差。聲波的傳播存在各向異性，時(shí)差定位精度較差。 幾何效應(yīng)幾何效應(yīng)被

35、檢試件或構(gòu)件的幾何形狀對(duì)波的傳被檢試件或構(gòu)件的幾何形狀對(duì)波的傳播有很大的影響，可以產(chǎn)生衍射、反射和折射等，播有很大的影響，可以產(chǎn)生衍射、反射和折射等，并最終引起波的衰減或疊加。聲發(fā)射在小試件中產(chǎn)并最終引起波的衰減或疊加。聲發(fā)射在小試件中產(chǎn)生共振波形（駐波）。生共振波形（駐波）。 第六節(jié)第六節(jié) 波的衰減波的衰減 衰減衰減信號(hào)的幅值隨著離開聲源距離的增加而減信號(hào)的幅值隨著離開聲源距離的增加而減小。小。 衰減與聲發(fā)射檢測的關(guān)系衰減與聲發(fā)射檢測的關(guān)系衰減控制了聲源距離衰減控制了聲源距離的可檢測性，對(duì)于聲發(fā)射檢驗(yàn)來說它是確定傳感器的可檢測性，對(duì)于聲發(fā)射檢驗(yàn)來說它是確定傳感器間距的關(guān)鍵因素。間距的關(guān)鍵因素

36、。 衰減的分類衰減的分類幾何衰減幾何衰減 、材質(zhì)衰減、色散衰減、材質(zhì)衰減、色散衰減、散射與衍射衰減、。散射與衍射衰減、。 幾何衰減幾何衰減當(dāng)波由一個(gè)局域的源所產(chǎn)生時(shí)，波動(dòng)當(dāng)波由一個(gè)局域的源所產(chǎn)生時(shí)，波動(dòng)將從源部位向所有的方向傳播。即使在無損耗的介將從源部位向所有的方向傳播。即使在無損耗的介質(zhì)中，整個(gè)波前的能量保持不變，但散布在整個(gè)波質(zhì)中，整個(gè)波前的能量保持不變，但散布在整個(gè)波前球面上，隨著波傳播距離的增加，波的幅度必定前球面上，隨著波傳播距離的增加，波的幅度必定下降。（平面波無幾何衰減）。下降。（平面波無幾何衰減）。n材質(zhì)衰減材質(zhì)衰減由材料內(nèi)摩擦引起的衰減。由材料內(nèi)摩擦引起的衰減。 如果固體為

37、如果固體為彈性介質(zhì)彈性介質(zhì), 聲發(fā)射波的總機(jī)械能保持不變。然而，在實(shí)聲發(fā)射波的總機(jī)械能保持不變。然而，在實(shí)際的介質(zhì)中，波傳播的總機(jī)械能不能保持不變，而是逐際的介質(zhì)中，波傳播的總機(jī)械能不能保持不變，而是逐漸衰減。由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱彈效應(yīng)，機(jī)械能漸衰減。由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱彈效應(yīng)，機(jī)械能可以被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。如果?yīng)力超過介質(zhì)的彈性極限，塑可以被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。如果?yīng)力超過介質(zhì)的彈性極限，塑性變形也引起機(jī)械能的損失。裂紋擴(kuò)展將波的機(jī)械能轉(zhuǎn)性變形也引起機(jī)械能的損失。裂紋擴(kuò)展將波的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為新的表面能，波與介質(zhì)中位錯(cuò)的相互作用也可引起換為新的表面能，波與介質(zhì)中位錯(cuò)的相互作用也可引起能量的損失和衰

38、減。塑性材料的粘性行為、界面之間的能量的損失和衰減。塑性材料的粘性行為、界面之間的摩擦和復(fù)合材料中非完全結(jié)合的夾雜物或纖維都能引起摩擦和復(fù)合材料中非完全結(jié)合的夾雜物或纖維都能引起波的能量損耗和衰減。磁彈相互作用、金屬中的電子相波的能量損耗和衰減。磁彈相互作用、金屬中的電子相互作用、順磁電子或核子的自旋機(jī)制等都能引起波的能互作用、順磁電子或核子的自旋機(jī)制等都能引起波的能量損失和衰減。無論上述那一種機(jī)制引起機(jī)械能的損耗，量損失和衰減。無論上述那一種機(jī)制引起機(jī)械能的損耗，波的幅度都將隨波通過介質(zhì)中的傳播而下降。波的幅度都將隨波通過介質(zhì)中的傳播而下降。 色散衰減色散衰減色散是在某些物理系統(tǒng)中波速隨頻率

39、色散是在某些物理系統(tǒng)中波速隨頻率變化引起的一種現(xiàn)象。變化引起的一種現(xiàn)象。 散射和衍射衰減散射和衍射衰減 波在具有復(fù)雜邊界或不連續(xù)波在具有復(fù)雜邊界或不連續(xù)(如空洞、裂紋、夾雜物等如空洞、裂紋、夾雜物等)的介質(zhì)中傳播將與這些的介質(zhì)中傳播將與這些幾何不連續(xù)產(chǎn)生相互作用產(chǎn)生散射和衍射現(xiàn)象。幾何不連續(xù)產(chǎn)生相互作用產(chǎn)生散射和衍射現(xiàn)象。 其他因素素起的衰減其他因素素起的衰減相鄰介質(zhì)相鄰介質(zhì)“泄漏泄漏”，即，即由于波向相鄰介質(zhì)由于波向相鄰介質(zhì)“泄漏泄漏”而也造成波的幅度下降，而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介質(zhì)，例如，容器中的水介質(zhì)， 障礙物，即容器上的接障礙物，即容器上的接管、人孔等障礙物也可造成幅度

40、下降。管、人孔等障礙物也可造成幅度下降。 實(shí)際工作中聲發(fā)射的衰減測量與應(yīng)用：實(shí)際結(jié)構(gòu)中，實(shí)際工作中聲發(fā)射的衰減測量與應(yīng)用：實(shí)際結(jié)構(gòu)中，波的哀減機(jī)制很復(fù)雜，難以用理論計(jì)算，只能用試波的哀減機(jī)制很復(fù)雜，難以用理論計(jì)算，只能用試驗(yàn)測得。隨著頻率的增加內(nèi)摩擦也增加，衰減加快。驗(yàn)測得。隨著頻率的增加內(nèi)摩擦也增加，衰減加快。 實(shí)際工作中傳播衰減的大小，關(guān)系到每個(gè)傳感器可實(shí)際工作中傳播衰減的大小，關(guān)系到每個(gè)傳感器可監(jiān)視的距離范圍，在源定位中成為確定傳感器間距監(jiān)視的距離范圍，在源定位中成為確定傳感器間距或工作頻率的關(guān)鍵因素。在實(shí)際應(yīng)用中，為減少衰或工作頻率的關(guān)鍵因素。在實(shí)際應(yīng)用中，為減少衰減的影響而常采取的措

41、施包括：降低傳感器頻率或減的影響而常采取的措施包括：降低傳感器頻率或減小傳感器間距，例如，對(duì)復(fù)合材料的局部監(jiān)視通減小傳感器間距，例如，對(duì)復(fù)合材料的局部監(jiān)視通常采用常采用150kHz的高頻傳感器，而大面積監(jiān)視則采用的高頻傳感器，而大面積監(jiān)視則采用30kHz的低頻傳感器，對(duì)大型構(gòu)件的整體檢測，可的低頻傳感器，對(duì)大型構(gòu)件的整體檢測，可相應(yīng)增加傳感器的數(shù)量。相應(yīng)增加傳感器的數(shù)量。 壓力容器壓力容器9衰減曲線衰減曲線1200X12.5X12200mm） 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 距離（距離（m）第七節(jié)第七節(jié) 凱塞凱塞(Kaiser)(Kaiser)和費(fèi)利西蒂和費(fèi)利西蒂(Felicity)(

42、Felicity)效應(yīng)效應(yīng) 凱賽爾效應(yīng)凱賽爾效應(yīng)重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷以重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷以前不發(fā)生明顯聲發(fā)射，這種聲發(fā)射不可逆性質(zhì)稱為前不發(fā)生明顯聲發(fā)射，這種聲發(fā)射不可逆性質(zhì)稱為凱賽爾效應(yīng)。多數(shù)金屬材料和巖石中，可觀察到明凱賽爾效應(yīng)。多數(shù)金屬材料和巖石中，可觀察到明顯的凱賽爾效應(yīng)。但是，重復(fù)加載前，如產(chǎn)生新裂顯的凱賽爾效應(yīng)。但是，重復(fù)加載前，如產(chǎn)生新裂紋或其它可逆聲發(fā)射機(jī)制，則凱賽爾效應(yīng)會(huì)消失。紋或其它可逆聲發(fā)射機(jī)制，則凱賽爾效應(yīng)會(huì)消失。 凱賽爾效應(yīng)在聲發(fā)射檢測中的應(yīng)用凱賽爾效應(yīng)在聲發(fā)射檢測中的應(yīng)用在役構(gòu)件在役構(gòu)件的新生裂紋的定期過載聲發(fā)射檢測：的新生裂紋的定期過載聲發(fā)射檢測

43、：巖體等原先巖體等原先所受最大應(yīng)力的推定：所受最大應(yīng)力的推定：疲勞裂紋起始與擴(kuò)展聲發(fā)疲勞裂紋起始與擴(kuò)展聲發(fā)射檢測，射檢測，通過預(yù)載措施消除加載銷孔的噪聲干擾通過預(yù)載措施消除加載銷孔的噪聲干擾，加載過程中常見的可逆性摩擦噪聲的鑒別。加載過程中常見的可逆性摩擦噪聲的鑒別。 費(fèi)利西蒂效應(yīng)費(fèi)利西蒂效應(yīng)材料重復(fù)加載時(shí)，重復(fù)載荷到達(dá)材料重復(fù)加載時(shí)，重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費(fèi)利西蒂效應(yīng)，也可認(rèn)為是反凱賽爾效應(yīng)。費(fèi)利西蒂效應(yīng)，也可認(rèn)為是反凱賽爾效應(yīng)。 費(fèi)利西蒂比費(fèi)利西蒂比重復(fù)加載時(shí)的聲發(fā)射起始載荷（重復(fù)加載時(shí)的聲發(fā)射起始載荷（P PA

44、EAE）對(duì)原先所加最大載荷（對(duì)原先所加最大載荷（P Pmaxmax）之比（）之比（P PAEAEP Pmaxmax），稱），稱為費(fèi)利西蒂比。為費(fèi)利西蒂比。 費(fèi)利西蒂效應(yīng)的應(yīng)用費(fèi)利西蒂效應(yīng)的應(yīng)用費(fèi)利西蒂比作為一種定量費(fèi)利西蒂比作為一種定量參數(shù)，較好地反映材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷參數(shù)，較好地反映材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度，已成為缺陷嚴(yán)重性的重要評(píng)定判據(jù)。的嚴(yán)重程度，已成為缺陷嚴(yán)重性的重要評(píng)定判據(jù)。樹脂基復(fù)合材料等粘彈性材料，由于具有應(yīng)變對(duì)應(yīng)樹脂基復(fù)合材料等粘彈性材料，由于具有應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的遲后效應(yīng)而使其應(yīng)用更為有效。費(fèi)利西蒂比大力的遲后效應(yīng)而使其應(yīng)用更為有效。費(fèi)利西蒂比大于于1 1表

45、示凱賽爾效應(yīng)成立，而小于表示凱賽爾效應(yīng)成立，而小于1 1則表示不成立。則表示不成立。在一些復(fù)合材料構(gòu)件中，費(fèi)利西蒂比小于在一些復(fù)合材料構(gòu)件中，費(fèi)利西蒂比小于0.950.95作為作為聲發(fā)射源超標(biāo)的重要判據(jù)。聲發(fā)射源超標(biāo)的重要判據(jù)。 n對(duì)于凱賽爾效應(yīng)和費(fèi)利西蒂效應(yīng)的判別：關(guān)鍵是如何對(duì)于凱賽爾效應(yīng)和費(fèi)利西蒂效應(yīng)的判別：關(guān)鍵是如何定義定義“明顯明顯”聲發(fā)射。聲發(fā)射。n美國美國CARP（增強(qiáng)塑料聲發(fā)射監(jiān)測委員會(huì)）推薦的規(guī)（增強(qiáng)塑料聲發(fā)射監(jiān)測委員會(huì)）推薦的規(guī)范，提出了三項(xiàng)判據(jù)：范，提出了三項(xiàng)判據(jù)：1）當(dāng)負(fù)載增加）當(dāng)負(fù)載增加10%，聲發(fā)射，聲發(fā)射超過超過5個(gè)事件計(jì)數(shù)；個(gè)事件計(jì)數(shù)；2）當(dāng)負(fù)載增加）當(dāng)負(fù)載增加1

46、0%，聲發(fā)射多于，聲發(fā)射多于20個(gè)振鈴計(jì)數(shù)；個(gè)振鈴計(jì)數(shù)；3）在恒定載荷下的持續(xù)聲發(fā)射。）在恒定載荷下的持續(xù)聲發(fā)射。n我國航天部我國航天部QJ2914-1997提出的確定二次加載聲發(fā)射提出的確定二次加載聲發(fā)射起始載荷的判據(jù)：起始載荷的判據(jù)：1）在恒載一分鐘周期內(nèi)事件計(jì)數(shù)）在恒載一分鐘周期內(nèi)事件計(jì)數(shù)不小于不小于5；2）在）在10%的載荷增量中事件計(jì)數(shù)不小于的載荷增量中事件計(jì)數(shù)不小于10。n必須指出的是：這些判據(jù)并不是通用的，不同的材料、必須指出的是：這些判據(jù)并不是通用的，不同的材料、實(shí)驗(yàn)條件、通道數(shù)、檢測靈敏度，判據(jù)可能相差較大。實(shí)驗(yàn)條件、通道數(shù)、檢測靈敏度，判據(jù)可能相差較大。因此，還需從實(shí)際出發(fā)

47、，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)作出自己的判定。因此，還需從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)作出自己的判定。第八節(jié)第八節(jié) 影響聲發(fā)射特性的因素影響聲發(fā)射特性的因素 聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用均以材料的聲發(fā)射特性為基礎(chǔ)。影響聲發(fā)射特性的因素：材料，材料不同的聲發(fā)射特性差異很大。即使對(duì)同一材料而言，影響聲發(fā)射特性的因素也十分復(fù)雜，如熱處理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、試樣形狀、加載方式、受載歷史、溫度環(huán)境和氣氛等。試件，尺寸和形狀。應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變率、受載史。環(huán)境，溫度、腐蝕介質(zhì)。對(duì)同一試樣作聲發(fā)射試驗(yàn)，在同樣的內(nèi)部和外部條件下，由于試樣的聲發(fā)射源不同，也會(huì)表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射特性。 條件產(chǎn)生高強(qiáng)度信號(hào)的因素產(chǎn)生低強(qiáng)度信號(hào)的因素 材料特性(內(nèi)部因素) 高

48、強(qiáng)度材料 各向異性材料 不均勻材料 鑄造材料 大晶粒 馬氏體相變 核輻照過的材料 低強(qiáng)度材料 各向同性材料 均勻材料 鍛造材料 細(xì)晶粒 括散型相變 未輻照過的材料試驗(yàn)條件(外部因素) 高應(yīng)變速率 無預(yù)載 厚斷面 低溫 有腐蝕介質(zhì) 低應(yīng)變速率 有預(yù)載 薄斷面 高溫 無腐蝕介質(zhì) 形變和斷裂方式(內(nèi)外部因素綜合作用) 孿生變形 解理型斷裂 有缺陷材料 裂紋擴(kuò)展 復(fù)合材料的纖維斷裂 非孿生變形 剪切型斷裂 無缺陷材料 塑性變形 復(fù)合材料的樹脂斷裂 儀器特性(外部因素) 通頻帶寬度 傳感器的響應(yīng)模式和頻率 系統(tǒng)總增益 設(shè)置的閾值電壓影響聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的因素：影響聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的因素：第第三三章章聲發(fā)射波

49、的探測聲發(fā)射波的探測聲發(fā)射檢測就是檢測接收聲發(fā)射信號(hào)聲發(fā)射檢測就是檢測接收聲發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行分析得到聲發(fā)射源（缺陷）的并進(jìn)行分析得到聲發(fā)射源（缺陷）的信息。信息。tV貯罐油面內(nèi)置前放的傳感器信號(hào)電纜線內(nèi)置聲發(fā)射卡計(jì)算機(jī)系統(tǒng)腐蝕點(diǎn)腐蝕信號(hào)由于聲發(fā)射信號(hào)的每個(gè)脈沖都包含著一個(gè)由于聲發(fā)射信號(hào)的每個(gè)脈沖都包含著一個(gè)頻率譜，這個(gè)頻率譜所包括的頻率范圍可頻率譜，這個(gè)頻率譜所包括的頻率范圍可以從幾赫茲到幾十個(gè)兆赫茲，因此，在進(jìn)以從幾赫茲到幾十個(gè)兆赫茲，因此，在進(jìn)行某項(xiàng)具體的檢測工作時(shí)，首先應(yīng)該知道行某項(xiàng)具體的檢測工作時(shí)，首先應(yīng)該知道所要檢測的缺陷在外力作用下產(chǎn)生的聲發(fā)所要檢測的缺陷在外力作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射的大

50、致頻率范圍，然后再從這個(gè)總范圍射的大致頻率范圍，然后再從這個(gè)總范圍內(nèi)選擇一個(gè)最適合的頻率窗口，以便濾去內(nèi)選擇一個(gè)最適合的頻率窗口，以便濾去噪聲的干擾。一般的機(jī)械噪聲和電氣噪聲噪聲的干擾。一般的機(jī)械噪聲和電氣噪聲的頻率都比較低，因此在聲發(fā)射檢測中首的頻率都比較低，因此在聲發(fā)射檢測中首先要確定頻率窗口的下限。在頻率窗口確先要確定頻率窗口的下限。在頻率窗口確定后，就能依此為根據(jù)來選定傳感器和帶定后，就能依此為根據(jù)來選定傳感器和帶通濾波器。通濾波器。 第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)分類壓電效應(yīng)分類正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)。 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)當(dāng)某些電介質(zhì)沿一定方向受外

51、力當(dāng)某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用而變形時(shí)，在其一定的兩個(gè)表面上產(chǎn)生正負(fù)作用而變形時(shí)，在其一定的兩個(gè)表面上產(chǎn)生正負(fù)異號(hào)電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀異號(hào)電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就被稱為正壓電效應(yīng)態(tài)，這種現(xiàn)象就被稱為正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，某些電介質(zhì)在一定的方向上將產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)某些電介質(zhì)在一定的方向上將產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去后，變形或應(yīng)力也隨之消械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去后，變形或應(yīng)力也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。失，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)的特點(diǎn)壓電效應(yīng)的特

52、點(diǎn)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是可逆的，正壓電是可逆的，正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的總稱為效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的總稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。慣上把正。慣上把正壓電效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。 壓電常數(shù)電介質(zhì)受力所產(chǎn)生的電荷與外力的大小成正比，比例系數(shù)為壓電常數(shù)，也稱機(jī)械品質(zhì)系數(shù)。它與機(jī)械形變方向有關(guān)，對(duì)一定材料一定方向則為常量。電介質(zhì)受力產(chǎn)生電荷的極性取決于變形的形式（壓縮或伸長）。 壓電材料具有明顯壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。常用的有石英晶體、鈮酸鋰LiNbO3、鎵酸鋰LiGaO3、鍺酸鉍Bi12GeO20等單晶和經(jīng)極化處理后的多晶體如鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷PZT。 新型壓電材料：有高分子

53、壓電薄膜（如聚偏二氟乙烯PVDF）和壓電半導(dǎo)體（如ZnO、CdS）。單晶材料的壓電效應(yīng)是由于這些單晶受外應(yīng)力時(shí)其內(nèi)部經(jīng)格結(jié)構(gòu)變形，使原來宏觀表現(xiàn)的電中性狀態(tài)被破壞而產(chǎn)生電極化。經(jīng)極化（一定溫度下加以強(qiáng)電場）處理后的壓電陶瓷、高分子壓電薄膜的壓電性是電疇、電極偶子取向極化的結(jié)果。 壓電材料的優(yōu)點(diǎn)壓電材料制成的壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要性能，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點(diǎn)， 壓電材料的缺點(diǎn)壓電材料制成的壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點(diǎn)是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗，需用低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有250左右。 正壓電效應(yīng)的應(yīng)用利用正壓

54、電效應(yīng)制成的壓電式傳感器，將壓力、振動(dòng)、加速度等非電量轉(zhuǎn)換成電量，從而進(jìn)行精密測量。利用正壓電效應(yīng)研制的壓電電源、煤氣爐和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)點(diǎn)火裝置等多種電壓發(fā)生器；在測試技術(shù)中，壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的力敏元件，能測量最終可變換成力的那些物理量，例如壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等，因此在聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)和宇航等廣闊領(lǐng)域中都可見到壓電式傳感器的應(yīng)用。 逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用利用逆壓電效應(yīng)可制成超聲波發(fā)生器、壓電揚(yáng)聲器、頻率高度穩(wěn)定的晶體振蕩器（如每晝夜誤差210-5s的石英鐘、表）等。逆壓電效應(yīng)可用于聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生。 聲發(fā)射探頭的壓電元件：第二節(jié)第二節(jié) 傳感器傳感器 傳感器把聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝

55、置稱為傳感器。 傳感器工作原理利用某些物質(zhì)（如半導(dǎo)體、陶瓷、壓電晶體、強(qiáng)磁性體和超導(dǎo)體等）的物理特性隨著外界待測量作用而發(fā)生變化的原理制成的。利用了諸多的效應(yīng)（包括物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)）和物理現(xiàn)象，如利用材料的壓阻、濕敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等效應(yīng)，把應(yīng)變、濕度、溫度、位移、磁場、煤氣等被測量變換成電量。在聲發(fā)射檢測過程中，通常使用的是壓電效應(yīng)。 傳感器主要實(shí)用技術(shù)參數(shù)響應(yīng)中心頻率、靈敏度、幅值、自噪聲。 選擇傳感器的依據(jù)檢測目的和環(huán)境選擇不同類型、不同頻率和靈敏度的傳感器。 傳感器的組成傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成。這些元件的功能是：敏感元件：直接感受被測量，并以確

56、定關(guān)系輸出某一物理量（包括電學(xué)量）。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量，如位移、應(yīng)變、應(yīng)力、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)換為電學(xué)量（包括電路參數(shù)量、電壓、電流等）。轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)（如電阻、電感、電容等）量轉(zhuǎn)換成便于測量的電量，例如電壓、電流、頻率等。 有些傳感器只有敏感元件，如熱電偶，它感受被測溫差時(shí)直接輸出電動(dòng)勢。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，無需轉(zhuǎn)換電路，例如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件還不只一個(gè)，要經(jīng)若干次轉(zhuǎn)換才輸出電量。 聲發(fā)射傳感器的組成一般由殼體、保護(hù)膜、壓電元件、阻尼塊、連接導(dǎo)線及高頻插座組成。壓電元件通常采用鋯鈦酸

57、鉛、鈦酸鋇和鈮酸鋰等。根據(jù)不同的檢測目的和環(huán)境采用不同結(jié)構(gòu)和性能的傳感器。其中，諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射檢測中使用最多的一種。 1壓電元件2殼3上蓋4導(dǎo)線5高頻插座6吸收劑7底座8保護(hù)膜n聲發(fā)射傳感器的結(jié)構(gòu)單端諧振式傳感器 傳感器的線性傳感器的線性傳感器的輸入端作用是傳感器的輸入端作用是力、位移或者速度，輸出則為電壓?？梢粤?、位移或者速度，輸出則為電壓?？梢哉J(rèn)為力、位移或者速度轉(zhuǎn)化為電壓的整個(gè)認(rèn)為力、位移或者速度轉(zhuǎn)化為電壓的整個(gè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。在分析線性系統(tǒng)時(shí)，并在分析線性系統(tǒng)時(shí)，并不關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)部的各種不同的結(jié)構(gòu)情況，不關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)部的各種不同的結(jié)構(gòu)情況，而是要研究激勵(lì)和響應(yīng)

58、同系統(tǒng)本身特性之而是要研究激勵(lì)和響應(yīng)同系統(tǒng)本身特性之間的聯(lián)系。間的聯(lián)系。 d(t)系統(tǒng)系統(tǒng) T(t) u(t) n傳感器輸出傳感器輸出u(t)是電學(xué)量的電壓標(biāo)量，輸入是電學(xué)量的電壓標(biāo)量，輸入d(t)可以是表面可以是表面原子的位移、力學(xué)量的力矢量原子的位移、力學(xué)量的力矢量F(x,t)、速度矢量、速度矢量V(x,t)等等 傳感器靈敏度 | T()|=| )()(DU| T為靈敏度可用對(duì)數(shù)表示，為頻率，U為傳感器的輸出電壓、D為表面原子的垂直位移分量或表面壓力垂直分量。假定傳感器所在區(qū)域的輸入?yún)⒘渴蔷鶆虻?，就可排除與位置的相關(guān)性。（感器有一定的大小，作用在每一點(diǎn)上的力學(xué)量不同，而實(shí)際測出的是對(duì)作用在

59、作用面上的平均值。傳感器的輸入和它所在的位置有關(guān)）假定傳感器的輸入就是無傳感器時(shí)的輸入。（傳感器的是否存在會(huì)改變所在部位的輸入的大?。┩ǔＢ暟l(fā)射傳感器采用鋼材進(jìn)行標(biāo)定。（傳感器與標(biāo)定試塊的機(jī)械阻抗匹配影響傳感器的標(biāo)定結(jié)果） 傳感器敏度曲線傳感器敏度曲線 即頻率靈敏度曲線。傳感器可以根據(jù)特定的校準(zhǔn)方法，給出頻率靈敏度曲線，據(jù)此可根據(jù)檢測目的和環(huán)境選擇不同類型、不同頻率和靈敏度的傳感器。 鈮酸鋰傳感器的頻率特性 聲發(fā)射傳感器敏度要求聲發(fā)射傳感器敏度要求在一般情況下，傳感在一般情況下，傳感器的靈敏度要求不低于器的靈敏度要求不低于0.5千伏千伏/米米.秒秒-1。 前置放大器要求前置放大器要求由傳感器接

60、收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換由傳感器接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，由同軸屏蔽電纜饋送給前置放大器。為電信號(hào)后，由同軸屏蔽電纜饋送給前置放大器。在前置放大器中信號(hào)得到放大，提高信噪比。一在前置放大器中信號(hào)得到放大，提高信噪比。一般要求前置放大器具有般要求前置放大器具有4060分貝的增益，噪聲電分貝的增益，噪聲電平不超過平不超過5微伏，并有比較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍和頻微伏，并有比較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍和頻率寬度。率寬度。 傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定 用激勵(lì)源對(duì)傳感器的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行 核準(zhǔn)。 傳感器的標(biāo)定方法 因激勵(lì)源和傳播介質(zhì)不同，可以組成多種多樣的方法，但是不管哪一種方法，目前都沒有被普遍承認(rèn)。 激勵(lì)源 用于激發(fā)聲發(fā)射信號(hào)