1-聲發(fā)射技術(shù)及應(yīng)用-1-(1)解析

聲放射技術(shù)及應(yīng)用東北石油大學(xué)戴光?教授、博士生導(dǎo)師?無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)副主任?郵箱：?聲放射技術(shù)及應(yīng)用東北石油大學(xué)戴光什么是聲放射？聲放射檢測(cè)原理聲放射技術(shù)的特點(diǎn)主要爭(zhēng)論內(nèi)容傳統(tǒng)聲放射的定義聲放射(AcousticEmission，簡(jiǎn)稱AE)是指物體在受到形變或外力作用時(shí)，因快速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的一種物理現(xiàn)象。一、什么是聲放射？

一、什么是聲放射？廣義的聲放射隨著聲放射爭(zhēng)論領(lǐng)域的擴(kuò)大，聲放射的含義已廣義化，比方泄漏過(guò)程、軸承的磨損、鉆井過(guò)程、骨關(guān)節(jié)的損傷和木材枯燥時(shí)發(fā)出的聲音等也都被稱為AE。這些廣義解釋的AE情形很多，而且有大量的爭(zhēng)論成果。二、聲放射檢測(cè)技術(shù)原理聲放射檢測(cè)技術(shù)原理圖聲放射源材料中傳播換能器背景噪聲耦合界面綜合分析爭(zhēng)論數(shù)據(jù)顯示信號(hào)處理聲放射儀〔接收信號(hào)〕其它輔助信息推斷聲發(fā)源狀態(tài)或嚴(yán)峻度由于聲放射技術(shù)具有動(dòng)態(tài)檢測(cè)與分析的特點(diǎn)，從50年月以來(lái)，聲放射技術(shù)得到很多興盛國(guó)家工業(yè)的重視，在理論爭(zhēng)論、試驗(yàn)爭(zhēng)論和工業(yè)有用三個(gè)方面進(jìn)展大量的工作，取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。綜合分析不同進(jìn)展階段的大量文獻(xiàn)可以看出，聲放射理論和技術(shù)爭(zhēng)論主要圍繞、正反兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)展—即聲放射源識(shí)別和聲放射源評(píng)價(jià)，具體爭(zhēng)論內(nèi)容可概括為幾個(gè)方面:三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容不同聲放射源模式或物理機(jī)制的理論與試驗(yàn)爭(zhēng)論。聲放射波在固體材料中的傳播理論。機(jī)械聲放射信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換—高靈敏度、多頻帶寬度和用途的換能器。聲放射信號(hào)特征與源定位。多參量、多功能、高速度和實(shí)時(shí)分析的數(shù)字式新型聲放射檢測(cè)。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容聲放射信號(hào)處理〔如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)聲放射源特性進(jìn)展模式識(shí)別，模糊綜合評(píng)價(jià)等〕的新理論、新方法。聲放射檢測(cè)/監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)的新方法及標(biāo)準(zhǔn)。聲放射含義的廣義化——擴(kuò)展新的爭(zhēng)論和應(yīng)用領(lǐng)域。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容不同聲放射源模式或物理機(jī)制的理論與試驗(yàn)爭(zhēng)論聲放射是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。樹(shù)枝在它真正斷裂之前會(huì)發(fā)出斷裂的聲音，踏上薄冰時(shí)冰會(huì)發(fā)出聲音，預(yù)示著馬上的塌陷。五十年月初，德國(guó)人凱塞爾(Kaiser)通過(guò)對(duì)多種金屬材料聲放射現(xiàn)象的爭(zhēng)論，覺(jué)察了聲放射不行逆效應(yīng)－凱塞效應(yīng)：即聲放射現(xiàn)象在第一次加載時(shí)產(chǎn)生，假設(shè)其次次及以后各次加載載荷小于等于第一次加載載荷，此時(shí)不產(chǎn)生聲放射，但當(dāng)載荷大于第一次加載載荷時(shí)，又將產(chǎn)生聲放射。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容凱賽爾博士試驗(yàn)用的儀器和設(shè)備DrKaiser’s

AE-sensorandspecimensetup(Dissertation,1949)KaiserEffect:AmaterialproducesAEnotbeforeexceedingthehighestloadpreviouslyexperienced.(seepointZ)Kaiserwasthefirstwhousedtheacousticemissionmethodtodeterminethemaximumstressaspecimenexperiencedinthepast凱賽爾效應(yīng)凱塞爾認(rèn)為晶界的變形不協(xié)調(diào)引起的摩擦是聲放射的主要來(lái)源。六十年月，在美國(guó)消逝了聲放射技術(shù)的爭(zhēng)論高潮。Schofield提出了聲放射來(lái)源于材料內(nèi)部機(jī)制－位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。連續(xù)型聲放射信號(hào)來(lái)源于位錯(cuò)釘扎和穿插滑移；突發(fā)型聲放射信號(hào)與堆垛層錯(cuò)的形成和機(jī)械孿晶的快速變形機(jī)構(gòu)有關(guān)。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容聲放射波在固體材料中的傳播理論三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容回想一下石子或小鳥(niǎo)落進(jìn)池塘?xí)r所產(chǎn)生的波浪，就可以想象出聲放射波的形象。波浪從源處向外集中最終到達(dá)岸邊，以一種很簡(jiǎn)潔的方式反射并最終消逝。由于波浪的作用，靠近池塘岸邊的漂移軟木塞會(huì)以一種很簡(jiǎn)潔的韻律上下振動(dòng)幾秒鐘，即使石子的作用在不到一秒的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)消逝。聲放射波的傳播具有一樣的原理。來(lái)自于源大事的短脈沖僅僅是聲放射過(guò)程的開(kāi)頭。在傳感器處的運(yùn)動(dòng)已大不同于源處的原始振動(dòng)。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容池塘中波浪和構(gòu)件中聲放射波的主要差異是聲放射過(guò)程的發(fā)生要快很多倍。典型的聲放射運(yùn)動(dòng)在百萬(wàn)分之幾秒就能完成。波或許通過(guò)千分之一秒就可以到達(dá)傳感器，再經(jīng)過(guò)百分之一秒就能消逝。在池塘和構(gòu)件之間的另外一個(gè)不同點(diǎn)就是，通常狀況下構(gòu)件中波的傳播更簡(jiǎn)潔。首先，構(gòu)件有很多外表會(huì)對(duì)波進(jìn)展反復(fù)的反射。其次，固體既可以承受剪切力又能承受壓縮力。這導(dǎo)致了可以同時(shí)被激發(fā)出幾種不同類型〔模式〕的波。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容波的傳播模式聲放射波在介質(zhì)中的傳播，依據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和傳播方向的不同，可構(gòu)成縱波、橫波、外表波、板波等不同傳播模式。1．縱波波的傳播方向是與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相全都的，這樣的波稱為縱波?？v波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)的稠密局部和稀疏局部，故又稱疏密波?？v波傳播示意圖

三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容2.橫波各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況與縱波狀況相像。但由于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向?qū)Σǖ膫鞑シ较蚴菣M方向的，這種波稱為橫波。橫波在介質(zhì)中傳播時(shí)介質(zhì)會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生交變的剪切形變故又稱剪切波或切變波。橫波縱波傳播示意圖

三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容3．外表波(瑞利波)在半無(wú)限大固體介質(zhì)與氣體介質(zhì)的交界面上，可產(chǎn)生瑞利波，這是瑞利(Rayleigh)于1887年首先爭(zhēng)論并證明其存在的。外表波沿深度約為1～2個(gè)波長(zhǎng)的固體近外表傳播，波的能量隨傳播深度增加而快速減弱。橢圓運(yùn)動(dòng)可視為縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)的合成，即縱波和橫波的合成，因此瑞利波和橫波一樣只能在固體介質(zhì)中傳播不能在液體或氣體介質(zhì)中傳播。

瑞利波傳播示意圖

三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容4.板波假設(shè)固體物質(zhì)的尺寸進(jìn)一步受到限制而成為板狀，則當(dāng)板厚小到某一程度時(shí)，瑞利波就不會(huì)存在而只能產(chǎn)生各種類型的板波。板波中最主要的一種是蘭姆波，狹義地講，通常所說(shuō)的板波即指蘭姆波。蘭姆波是縱波與橫波組合的波，它只能在固體薄板中傳播，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)稱型(膨脹波)和非對(duì)稱型(彎曲波)兩種。反對(duì)稱模式，a0對(duì)稱模式，s0板中Lamb(蘭姆)波的基本形式三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容a0Lamb波模式〔彎曲模式〕是聲放射檢測(cè)中最重要的波型。它通常狀況下會(huì)產(chǎn)生一種比s0〔對(duì)稱模式〕波幅度高的波，且在典型的構(gòu)造〔薄板〕中它傳播得也更快〔約3000米／秒〕，因此會(huì)先到達(dá)傳感器。這兩族Lamb波中的其它成員〔稱為a1或s1，等等〕可比a0或s0傳播得都快，但是它們的幅度都較低，因此，它們相對(duì)不重要?？拷曉磿r(shí)，即在一或兩倍板厚內(nèi)，按縱波和剪切波考慮會(huì)更好一些。聲放射波在固體材料中的傳播理論是理解各種變量和評(píng)價(jià)每個(gè)檢測(cè)結(jié)果或狀態(tài)的關(guān)鍵。機(jī)械聲放射信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換—高靈敏度、多頻帶寬度和用途的傳感器。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容外殼接頭

壓電晶體耐磨板聲發(fā)射傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

為了感覺(jué)到聲放射波，使用了壓電晶體傳感器。當(dāng)受到擠壓〔變形〕時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓值和一個(gè)相應(yīng)的分別電荷。在聲放射傳感器中，變形是由振動(dòng)引起的。當(dāng)壓電晶體受到進(jìn)入的應(yīng)力波撞擊時(shí)的彈性反響。壓電元件被固定在傳感器殼內(nèi)。電壓是由元件材料本身產(chǎn)生的。元件不需要額外的電源。高靈敏度、多頻帶寬度和用途的傳感器三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容傳感器的類型、特點(diǎn)和適用范圍

類型特

點(diǎn)適用范圍單端諧振傳感器諧振頻率，在50—300kHz內(nèi)，典型應(yīng)用為150kHz，主要取決于晶片的厚度，敏感于位移速度。響應(yīng)頻帶窄，波形畸變大，但靈敏度高，操作簡(jiǎn)便，價(jià)格便宜，適于大量常規(guī)檢測(cè)

大多數(shù)材料研究和構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)寬

頻

帶傳

感

器響應(yīng)頻率，約為100—1000kHz，取決于晶片的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。靈敏度低于諧振傳感器，幅頻特性不甚理想，但操作簡(jiǎn)便，適于多數(shù)寬帶檢測(cè)頻譜分析，波形分析等信號(hào)類型或噪聲的鑒別差動(dòng)傳感器由兩個(gè)壓電晶片的正負(fù)極差接而成，輸出差動(dòng)信號(hào)：與單端式相比，靈敏度較低，但對(duì)共模電干擾信號(hào)有好的抑制能力，適于強(qiáng)電磁噪聲環(huán)境強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，要替代單端式傳感器高溫傳感器采用居里點(diǎn)溫度高的晶片，如鈮酸鋰晶片。使用溫度可達(dá)540℃高溫環(huán)境下的檢測(cè)，如在線反應(yīng)容器微型傳感器一般為單瑞諧振傳感器，因受體積尺寸限制，響應(yīng)頻帶窄，波形畸變大小制件試樣的試驗(yàn)研究和無(wú)損檢測(cè)三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容聲放射信號(hào)特性與源定位非統(tǒng)計(jì)和統(tǒng)計(jì)參量的信號(hào)表征方法儀器輸出的聲放射信號(hào)是隨機(jī)和不確定的簡(jiǎn)潔信號(hào)，選取哪些特征參量，正確地記錄和描述這些信號(hào)，是聲放射檢測(cè)技術(shù)中遇到的第一個(gè)重要問(wèn)題。到目前為止，還不能直接檢測(cè)到聲放射源放射出的原始波形，聲放射檢測(cè)還只能以傳感器的輸出為根底。構(gòu)件中的典型聲發(fā)射波形聲放射信號(hào)的處理與表征方法通常用非統(tǒng)計(jì)參量和統(tǒng)計(jì)參量?jī)煞N。一個(gè)信號(hào)的表征用非統(tǒng)計(jì)參量，例如，聲放射信號(hào)的幅度、能量、振鈴、計(jì)數(shù)、大事、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和門檻等。多個(gè)信號(hào)及它們之間的關(guān)系用統(tǒng)計(jì)參量表征，如總振鈴計(jì)數(shù)、總大事數(shù)、總能量、計(jì)數(shù)率、RMS、幅度分布和定位點(diǎn)分布等，再利用幫助參量(如壓力、溫度、時(shí)間、位移和應(yīng)變等)，就可得到數(shù)十個(gè)相關(guān)圖。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容

在實(shí)際的聲放射檢測(cè)中，檢測(cè)到的單個(gè)信號(hào)是經(jīng)過(guò)屢次反射和波型變換的簡(jiǎn)潔脈沖信號(hào)。在聲放射檢測(cè)中，對(duì)單個(gè)聲放射信號(hào)常用以下6個(gè)表征參量?！?〕聲放射大事與振鈴計(jì)數(shù)一個(gè)突發(fā)型信號(hào)的時(shí)域波形，通過(guò)包絡(luò)檢波后，波形超過(guò)預(yù)置的閥值電壓(也稱門檻值)形成一個(gè)脈沖，該脈沖就是一個(gè)大事計(jì)數(shù)。一般，一個(gè)聲放射大事反映了聲源一次應(yīng)變能的釋放。假設(shè)將時(shí)域波形中超過(guò)門檻值的振鈴次數(shù)形成矩形脈沖，則計(jì)數(shù)這些振鈴脈沖就是振鈴計(jì)數(shù)，如以以下圖，躍過(guò)門檻值的振鈴計(jì)數(shù)為7。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容聲放射信號(hào)特征參量三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容VoltsordBTimeAmplitudeThresholdandFirstthresholdcrossingDuration幅度〔峰值幅度〕幅度是指時(shí)域波形中超過(guò)門檻值的峰值電壓。能量將聲放射信號(hào)的幅度平方，然后進(jìn)展包絡(luò)檢波，求出檢波后的包絡(luò)線所圍的面積，并依此作為信號(hào)所包含能量的量度。上升時(shí)間在時(shí)域波形中，第一次超過(guò)門檻的振鈴脈沖到峰值幅度的時(shí)間為上升時(shí)間。持續(xù)時(shí)間時(shí)域波形中第一次超過(guò)門檻值的振鈴脈沖到最終一個(gè)超過(guò)門檻值振鈴脈沖之間的時(shí)間為持續(xù)時(shí)間。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容統(tǒng)計(jì)參量的表征方法在材料測(cè)試和壓力容器聲放射檢測(cè)過(guò)程中，將采集到大量的聲放射信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)展處理和分析需承受統(tǒng)計(jì)參量的表征方法。〔1〕大事總計(jì)數(shù)、大事計(jì)數(shù)率、振鈴總計(jì)數(shù)和振鈴計(jì)數(shù)率在聲放射信號(hào)處理中，將試驗(yàn)開(kāi)頭到完畢(或某一階段)的大事計(jì)數(shù)進(jìn)展累積，稱為大事總計(jì)數(shù)。也可以計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的大事數(shù)目，稱為大事計(jì)數(shù)率。大事計(jì)數(shù)方法著重聲放射大事消逝的數(shù)目和頻度，而不留意大事的幅度。它相當(dāng)于裂紋擴(kuò)展過(guò)程中釋放應(yīng)變能的次數(shù)和變化率。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容從試驗(yàn)開(kāi)頭到完畢(或某一階段)的振鈴計(jì)數(shù)的累積，稱為振鈴總計(jì)數(shù)。而單位時(shí)間內(nèi)的振鈴數(shù)稱為振鈴計(jì)數(shù)率。這兩統(tǒng)計(jì)參量也與裂紋狀態(tài)和變化率有關(guān)。但是，由于振鈴計(jì)數(shù)受傳感器的特性和試件、構(gòu)造的幾何外形等因素的影響很大，所以測(cè)試中更常用大事總計(jì)數(shù)和大事計(jì)數(shù)率?！?〕幅度分布幅度分布是指按聲放射信號(hào)峰值幅度的大小分別進(jìn)展大事累積計(jì)數(shù)。試驗(yàn)說(shuō)明，不同的聲放射源具有不同的幅度分布，主要有隨幅度增加而大事數(shù)單調(diào)削減的高斯分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布兩種。它也是反映聲放射源本質(zhì)的重要統(tǒng)計(jì)特征參量。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容〔3〕總能量和總幅度從試驗(yàn)開(kāi)頭到某一階段測(cè)得的聲放射信號(hào)能量或幅度累積，稱為總能量或總幅度。通常取X軸為時(shí)間或載荷，Y軸為總能量或總幅度。由測(cè)試數(shù)據(jù)所繪出的曲線可以反映出試件或構(gòu)造內(nèi)活性缺陷的破壞過(guò)程。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容聲放射源定位在聲放射檢測(cè)中，聲放射源(簡(jiǎn)稱聲源)主要為裂紋的萌生和擴(kuò)展、屈服和塑性變形、夾渣物的斷裂和脫開(kāi)等。這些聲放射源多數(shù)表現(xiàn)為點(diǎn)源，并以球面波的形式向四周八方放射能量。因此，一個(gè)聲放射傳感器的檢驗(yàn)是無(wú)取向性的。兩個(gè)聲放射傳感器通過(guò)時(shí)差計(jì)算對(duì)聲放射源可以進(jìn)展線定位，而三個(gè)以上傳感器通過(guò)時(shí)差計(jì)算可對(duì)聲放射源進(jìn)展面定位。由于瞬態(tài)應(yīng)力波在傳播過(guò)程能量漸漸衰減，因此，傳感器之間距離應(yīng)在聲源的可檢測(cè)范圍之內(nèi)。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容衰減當(dāng)聲波在構(gòu)件中傳播時(shí)，它的幅度就降低。這一影響稱為衰減。衰減是由幾個(gè)因素造成的。在大多數(shù)構(gòu)造中，最主要的因素是幾何集中，構(gòu)造邊界的散射以及吸取。在現(xiàn)實(shí)的構(gòu)造中，邊界把應(yīng)力波限制在一個(gè)有限的空間里，所以來(lái)自于波束集中的衰減是有限的。衰減的其次個(gè)主要緣由就是在構(gòu)造邊緣或幾何不連續(xù)處的反射〔散射〕。當(dāng)波遇到不連續(xù)處時(shí)，一局部能量被反射回來(lái)。衰減的第三個(gè)緣由是吸取。波中的彈性能和動(dòng)能被傳導(dǎo)波的材料吸取并轉(zhuǎn)化成熱量。繪制衰減曲線的方法：在距傳感器不同距離的幾個(gè)位置上各斷鉛幾次，然后記錄每次斷鉛的幅度。在每個(gè)距離上取幅度的平均值，然后繪出平均幅度隨距離的曲線圖。三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容聲放射源定位是聲放射檢測(cè)與評(píng)定中一個(gè)重要指標(biāo)。較常見(jiàn)的有區(qū)域定位法和點(diǎn)定位法〔也稱時(shí)差定位法〕。區(qū)域定位方法對(duì)傳感器的安裝位置沒(méi)有特殊要求，即不必依據(jù)確定的陣列形式布置，傳感器的間距可以較大，但要求在被檢區(qū)域任意位置處的聲源信號(hào)至少被其中一個(gè)傳感器接收到，聲源的位置就是首先接收到該聲源信號(hào)的傳感器的位置。該方法靈敏且檢測(cè)范圍大，但定位結(jié)果由于是表示確定區(qū)域內(nèi)的缺陷，所以具有不確定性。依據(jù)時(shí)差定位原理，推導(dǎo)出聲源線定位公式：a=v△t/2(△t為正，a在x軸的正方向〕例：壓力容器上兩傳感器S1和S2的間距L=1600mm,在傳感器S1處斷鉛，測(cè)得到達(dá)傳感器S2的時(shí)差為△t=500μs。波速v＝2a/△t=1.6/(500×10-6)=3200m/s聲源線定位原理2a2LS2S1XY●●▲聲源聲源線定位圖聲源三角定位原理聲源球面定位三、聲放射技術(shù)的主要爭(zhēng)論內(nèi)容數(shù)字式聲放射檢測(cè)AMSY-5:1stAE-systemwithcentralPCIbuscontroller.AMSY4-channelscanbe usedwithAMSY-5.ForWindows2KandXP..數(shù)字式新型聲放射檢測(cè)－AMSY-5

2通道AE卡——PCI-2現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)史的爭(zhēng)論說(shuō)明,一門新技術(shù)的進(jìn)展必需具備三個(gè)條件:●社會(huì)需要●具有新的方法和獨(dú)特之處●對(duì)爭(zhēng)論者有很強(qiáng)的吸引力四、聲放射檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)聲放射技術(shù)之所以有生命力,除了該技術(shù)的社會(huì)進(jìn)展背景和跨學(xué)科、