第2章聲發(fā)射檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

1、第2章 聲發(fā)射檢測(cè)的物理基礎(chǔ)2.1 材料和形變2.1.1 晶體和非晶體材料的結(jié)構(gòu)所有物體都是由原子構(gòu)成的。對(duì)于固體材料來(lái)說，如果原子按一定的規(guī)則進(jìn)行排列，則這些材料被稱為晶體材料，比如金屬、陶瓷、各種無(wú)機(jī)鹽和各種巖石（包括鉆石、礦石）等；如果原子以無(wú)序狀態(tài)進(jìn)行排列或者原子之間互相形成長(zhǎng)鏈的大分子而大分子以無(wú)序狀態(tài)進(jìn)行排列，則這些材料被成為非晶體材料，比如玻璃、非晶態(tài)金屬（由液態(tài)經(jīng)過急冷而產(chǎn)生）和各種有機(jī)固體材料（包括塑料、橡膠、木材）等。 大多數(shù)金屬的典型結(jié)晶結(jié)構(gòu)如圖2.1至2.3所示。 (a) 分解開的視圖 (b)整體視圖 (c)簡(jiǎn)化視圖 圖2.1 封閉致密六邊形 (鈷、 錳、鈦、鋅) 圖2

2、.2 面心立方 圖2.3 體心立方 (鋁、銅、金、鉛、鎳、銀、奧氏體不透鋼) （鐵、鉻、鉬、鈦、錫、鐵素體鋼） 晶體中的原子在排列時(shí)會(huì)有缺陷產(chǎn)生(與焊接缺陷相比，此處為微觀缺陷），這些缺陷包括圖2.4所示的點(diǎn)缺陷和圖2.5所示的線缺陷，人們又將線缺陷稱之為位錯(cuò)。位錯(cuò)是晶格中原子范圍大小的線缺陷，結(jié)晶中的位錯(cuò)是由熔融狀態(tài)下固化過程中形成的，典型的工程應(yīng)用金屬材料在每個(gè)微觀的晶粒中就有幾百萬(wàn)個(gè)位錯(cuò)，位錯(cuò)有兩種不同的型式：刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)（如下圖2.5所示）。 a）空位 b）間隙原子 c）點(diǎn)缺陷 d）雜質(zhì)原子圖2.4 晶體中的點(diǎn)缺陷 a）刃型位錯(cuò) b）螺型位錯(cuò)圖2.5 晶體中的線缺陷位錯(cuò)金屬大多為

3、多晶體材料，典型晶粒的大小為幾微米到幾百微米之間，晶粒之間的界面稱為晶界。,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Fe3C（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。夾雜對(duì)金屬的機(jī)械性能具有非常大的影響。圖2.6為金屬的晶粒結(jié)構(gòu)圖。 圖2.6 金屬的晶粒結(jié)構(gòu)圖2.1.2 應(yīng)力和應(yīng)變當(dāng)我們對(duì)任何一個(gè)結(jié)構(gòu)施加作用力（載荷），或?qū)θ魏我粋€(gè)容器進(jìn)行加壓時(shí)，就會(huì)在材料中產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力的定義是材料單位面積上所受的作用力，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，如圖2.7所示。實(shí)際物體結(jié)構(gòu)中

4、的應(yīng)力要復(fù)雜得多，通常是這三種應(yīng)力的組合。當(dāng)我們只通過某個(gè)指定點(diǎn)在物體上施加作用力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生通過整個(gè)結(jié)構(gòu)的作用力，而且物體內(nèi)各點(diǎn)的大小和方向是不一樣的，由此人們將物體內(nèi)的應(yīng)力稱為應(yīng)力場(chǎng)，數(shù)學(xué)上通常將應(yīng)力場(chǎng)用如下應(yīng)力張量來(lái)描述： Txx Txy Txz Tyx Tyy Tyz Tzx Tzy Tzz (a)拉應(yīng)力 (b) 壓應(yīng)力 (c) 剪切應(yīng)力 圖2.7 應(yīng)力狀態(tài)示意圖應(yīng)力所產(chǎn)生的變形稱為應(yīng)變，應(yīng)變通過分?jǐn)?shù)或百分?jǐn)?shù)表示如下：圖2.8 圓柱形壓力容器的應(yīng)力 在應(yīng)力和應(yīng)變很小的條件下，固體材料是彈性的性質(zhì)，而且應(yīng)力與應(yīng)變成比例： C當(dāng)作用應(yīng)力達(dá)到較高值的條件下，材料將會(huì)發(fā)生塑性（永久的）變形。L

5、應(yīng)力的單位與壓強(qiáng)的單位相同：Kg/cm2 和 MPa。圓柱形壓力容器如圖2.8所示，內(nèi)壓力P作用下的薄壁圓柱形壓力容器筒體承受兩個(gè)方向的拉伸應(yīng)力，即軸向應(yīng)力L和環(huán)向應(yīng)力C：L = C = 2.1.3 彈性和塑性變形材料在應(yīng)力作用下的行為如圖2.9所示。在低應(yīng)力狀態(tài)下為彈性變形，即當(dāng)應(yīng)力消逝后，材料的變形也將消逝。在材料的應(yīng)力超過屈服點(diǎn)之后，材料將產(chǎn)生塑性變形，即永久變形，此時(shí)即使材料的應(yīng)力全部解除，材料也不能回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。加工硬化屈服鋼鋁彈性復(fù)合材料應(yīng)變(伸長(zhǎng)) 應(yīng)力(載荷) 圖2.9 材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線金屬的塑性變形分別由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和孿生變形所引起。晶體內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在原子尺度上引起晶格變形的

6、機(jī)理如圖2.10所示，圖a）位晶體中的韌位錯(cuò)，圖b）為剪切力作用下位錯(cuò)移動(dòng)1個(gè)晶格的空間距離，圖c）為位錯(cuò)已運(yùn)動(dòng)到晶體的邊緣。 a） b） c）圖2.10 韌位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生晶格變形的機(jī)理 晶體材料在應(yīng)力作用下大量位錯(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 屈服 留德爾斯線（鋼） 裂紋尖端塑性區(qū) 空隙增長(zhǎng)和聚結(jié) 韌性斯裂孿生變形是在晶粒大小范圍內(nèi)整個(gè)晶格截面取向改變?yōu)閮蓚€(gè)完全相同的“孿生”（鏡面）晶體。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。圖2.11為晶體中孿生產(chǎn)生的示意圖。 圖2.11 晶體中孿生產(chǎn)生的示意圖 2.1.4 裂紋增長(zhǎng)和斷裂 (1) 裂紋和應(yīng)力內(nèi)部

7、帶有裂紋的材料在受到應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)必定要“圍繞著”裂紋的邊界產(chǎn)生集中。應(yīng)力的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于強(qiáng)性范圍以內(nèi)。圖2.12給出了有裂紋材料和無(wú)裂紋材料的應(yīng)力場(chǎng)分布示意圖。由此，就解釋了為什么裂紋是強(qiáng)的聲發(fā)射源，而且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)生了聲發(fā)射信號(hào)。 a）無(wú)裂紋的材料 b）帶有裂紋的材料圖2.12 裂紋周圍的應(yīng)力場(chǎng)分布圖 (2) 臨界和亞臨界裂紋擴(kuò)展 “臨界”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。已經(jīng)證明，在裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到一定值的條件下，裂紋將發(fā)生很快的擴(kuò)展。裂紋尖端附近應(yīng)力

8、場(chǎng)的強(qiáng)度通過“應(yīng)力強(qiáng)度因子”K來(lái)描述，K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)力的作用下裂紋將很快擴(kuò)展，同時(shí)部件將立刻斷裂，用KIc來(lái)表示K的臨界值，通常用于衡量材料的斷裂韌性。如果已知某種材料的斷裂韌性以及在部件中所設(shè)定的應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)上述的概念就能夠計(jì)算臨界裂紋的尺寸。在無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)的實(shí)際工作中，我們經(jīng)常遇到的問題就是能否檢測(cè)到一定大小的裂紋，因此上述計(jì)算臨界裂紋大小的概念正好與檢驗(yàn)的實(shí)踐相結(jié)合。“亞臨界”裂紋擴(kuò)展就是發(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： a) 不斷上升的載荷作用 b) 疲勞（循環(huán)或重復(fù)載荷） c) 應(yīng)力

9、腐蝕開裂 d) 氫脆開裂 e) 腐蝕疲勞在評(píng)定裂紋是否將要擴(kuò)展以及將要以什么速度擴(kuò)展過程中，環(huán)境效應(yīng)通常是很重要的因素。在亞臨界裂紋擴(kuò)過程中，聲發(fā)射主要來(lái)自于兩種聲源：a) 塑性區(qū)、主開裂和夾雜的脫層；b) 裂紋前沿本身的向前運(yùn)動(dòng)。(3) 裂紋擴(kuò)展的形式多晶體材料的斷裂，可分為脆性斷裂和韌性斷裂；而在金屬組織晶粒的尺度上又分為沿晶斷裂和穿晶斷裂；從斷口的形貌來(lái)看又可分為解理斷裂和疲勞斷裂等。圖2.13至2.18分別給出了這些斷裂方式的示意圖。 圖2.13 脆性沿晶斷裂 圖2.14 塑性沿晶斷裂 圖2.15 拉應(yīng)力作用下的塑性穿晶斷裂 圖2.16 切應(yīng)力作用下的塑性穿晶斷裂A 低應(yīng)力-韌性B 低

10、應(yīng)力-脆性C 高應(yīng)力A 初始解理B 二次解理C 晶間斷裂 圖2.17 解理斷裂 圖2.18 疲勞斷裂 2.2 聲發(fā)射源人們經(jīng)過近40年的研究已經(jīng)查明材料中有許多種機(jī)制可以產(chǎn)生聲發(fā)射源。聲發(fā)射的能量一般由外加負(fù)載、相變潛熱、外加磁場(chǎng)等來(lái)提供?，F(xiàn)在人們所提出的大量聲發(fā)射源模型大致可分為兩大類, 一類將源看作一個(gè)能量發(fā)射器, 并用應(yīng)力應(yīng)變等宏觀參量來(lái)得到這一問題的穩(wěn)定解, 叫穩(wěn)態(tài)源模型。另一類是應(yīng)用局域在源附近隨時(shí)間變化的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，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。圖2.19給出一個(gè)穩(wěn)態(tài)源模型的聲發(fā)射源事件的能量分配過程。對(duì)于裂紋增長(zhǎng)這樣一個(gè)事件, 釋放的能量?jī)H有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥圆?

11、其它大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樾陆缑娴谋砻婺?、晶格?yīng)變能和熱能。由圖可見，如能測(cè)得源事件發(fā)射的彈性波能量和確定能量分配函數(shù)，就可以算出源事件的能量，這將提供了解材料微觀斷裂過程的一種方法。然而，由于受源周圍環(huán)境、能量釋放速率、材料縱波和橫波波速不同、表面波的色散等因素的影響，每個(gè)源的分配函數(shù)互不相同，探測(cè)器測(cè)量到的彈性能量隨不同的位置而變化。分配過程 晶格應(yīng)變能 源事件應(yīng)變能釋放 新斷口表面能 熱能 彈性波能圖2.19 裂紋擴(kuò)展期間釋放應(yīng)變能的分配過程2.2.1 突發(fā)和連續(xù)聲發(fā)射材料內(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10-15 m到10-9m, 達(dá)到106量級(jí)（120dB）的范圍。另

12、外聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生率也是變化無(wú)常的，所以目前人為地將聲發(fā)射信號(hào)分為突發(fā)和連續(xù)發(fā)射。如果聲發(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)射信號(hào)，如圖2.20所示；如果大量的聲發(fā)射事件同時(shí)發(fā)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)射信號(hào),如圖2.21所示。實(shí)際上連續(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)分辨而已。 圖2.20 突發(fā)聲發(fā)射信號(hào) 圖2.21 連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)2.2.2 晶體材料中的聲發(fā)射源人們經(jīng)過近40年的研究已經(jīng)查明晶體材料中的聲發(fā)射源如表2.1所示。表2.1 晶體材料中的聲發(fā)射源 單位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)湮滅 位錯(cuò)群運(yùn)動(dòng) 滑移變形 位錯(cuò)源開動(dòng)

13、 塞積位錯(cuò)解脫 滑移帶形成 金屬塑性變形 晶界滑動(dòng) 應(yīng)力感生欒生變形 欒生變形 彈性欒生 孿生帶的擴(kuò)展 空洞聚合 裂 紋 形 成 微裂紋形成 應(yīng)力腐蝕開裂 氫致裂紋開裂 升載時(shí)裂紋擴(kuò)展 恒載時(shí)裂紋擴(kuò)展晶體材料 斷裂 裂紋亞臨界擴(kuò)展 疲勞裂紋擴(kuò)展 應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展 氫脆裂紋擴(kuò)展 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展 鋼中非金屬夾雜物 第二相質(zhì)點(diǎn)或 鋼中碳化物 夾雜物斷裂或脫開 鋁合金中時(shí)效相 焊接夾渣 馬氏體相變 相變 貝氏體相變 共晶反應(yīng) 凝固、熔化與沸騰 磁效應(yīng) 磁疇運(yùn)動(dòng)2.2.3 非金屬材料中的聲發(fā)射源人們進(jìn)行聲發(fā)射研究和應(yīng)用的非金屬材料主要為巖石、玻璃和陶瓷，由于這些材料均為脆性材料，其強(qiáng)度很高，但韌性很差，因

14、此其聲發(fā)射源主要為微裂紋開裂和宏觀開裂。2.2.4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2相材料所組成的。根據(jù)第2相材料的不同，復(fù)合材料分為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)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。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相顆粒和基體的脫開。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的聲發(fā)射源主要包括以下6類：基體開裂纖維和基體的脫開纖維拔出纖維斷裂纖維松弛分層摩擦 到的聲發(fā)射源如圖2.22所示。圖2.22 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的聲發(fā)射源2.2.5其它源

15、在聲發(fā)射檢測(cè)過程中有可能經(jīng)常遇到的其它聲發(fā)射源如下：流體介質(zhì)的泄漏氧化物或氧化層的開裂夾渣開裂摩擦源液化和固化元件松動(dòng)、間歇接觸流體和非固體裂紋閉合2.3 波的傳播 材料對(duì)于不平衡動(dòng)態(tài)力的響應(yīng)就是彈性波傳播。波的定義就是材料離開平衡位置的運(yùn)動(dòng)。 固體介質(zhì)中局部變形時(shí), 不僅產(chǎn)生體積變形, 而且產(chǎn)生剪切變形, 因此將激起兩種波, 即壓縮波（縱波）和切變波（橫波），它們以不同的速度在介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到不同介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和折射。任何一種波在界面上反射時(shí)都要發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，同時(shí)出現(xiàn)縱波和橫波，并各自按反射和折射定律反射和折射。在全內(nèi)反射時(shí)也會(huì)出現(xiàn)非均勻波。在固體自由表面還會(huì)出現(xiàn)沿表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?/p>

16、。因此，聲發(fā)射波的傳播規(guī)律與固體介質(zhì)的彈性性質(zhì)密切相關(guān)。 波的理論研究中分別對(duì)點(diǎn)聲源理論（圓形波前）、平面波理論（直線波前）、連續(xù)振蕩波理論和短脈沖理論進(jìn)行了研究。在波的理論研究中進(jìn)行了大量的“假設(shè)條件”，通過簡(jiǎn)化幾何條件才得到了數(shù)學(xué)的“波方程的解”。我們應(yīng)用這些理論盡量來(lái)理解實(shí)際應(yīng)用中所遇到的情況。但是，在實(shí)際應(yīng)用中很少能遇到像上述理論中所假設(shè)的“簡(jiǎn)單幾何條件”。因此，這些理論也只不過是我們對(duì)實(shí)際情況的一種初步近似而已。2.3.1 近場(chǎng)脈沖響應(yīng) 圖2.23所示為點(diǎn)加載脈沖源在材料表面上產(chǎn)生的位移迅速變化的示意圖，這是理論與實(shí)驗(yàn)相符的唯一的情況。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

17、發(fā)射傳感器的預(yù)標(biāo)定。圖2.23點(diǎn)脈沖加載的源點(diǎn)力階躍脈沖力源F0H(t)作用于板時(shí)，板表面將產(chǎn)生相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。Knopoff給出了在力作用點(diǎn)對(duì)面的垂直方向質(zhì)點(diǎn)位移:式中，w=at/b 、y=bt/b、 a=b/a，而b是切變波速度、a是縱波速度、 m 為剪切模量、b為板厚。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(lái)回反射的波的貢獻(xiàn)（第三項(xiàng)之后）在式中略去。其中，最先到達(dá)的縱波（P波）的幅度為： 對(duì)于具有一般形狀的短脈沖力源f（t），該處的速度響應(yīng)為：可以看出，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)與力的大小成正比。由此獲得的厚板正對(duì)力源位置的垂直位移應(yīng)當(dāng)有如圖

18、2.24所示的形狀，其縱坐標(biāo)歸一化到F0/2pmb。 SP 圖2.24 表面階躍力源在厚板對(duì)面產(chǎn)生的垂直位移。 P、S分別相應(yīng)于縱波、橫波到達(dá)時(shí)刻2.3.2 波的傳播模式聲發(fā)射波在介質(zhì)中的傳播，根據(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、表面波、蘭姆波等不同傳播模式?？v波（壓縮波）：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，如圖2.25所示。橫波（剪切波）：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，如圖2.26所示。表面波（瑞利波）：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡呈橢圓形，沿深度約為12個(gè)波長(zhǎng)的固體近表面?zhèn)鞑?，波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱，如圖2.27所示。

19、蘭姆波：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)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。 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向 波傳播的方向l = 波長(zhǎng) A壓縮區(qū)域 B反射區(qū)域圖2.25縱波的傳播圖2.26 橫波的傳播波的傳播方向質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向波長(zhǎng)圖2.27 表面波的傳播2.3.3 模式轉(zhuǎn)換、反射和折射在固體介質(zhì)中，聲發(fā)射源處同時(shí)產(chǎn)生縱波和橫波兩種傳播模式。它們傳播到不同材料界面時(shí)，可產(chǎn)生反射、折射和模式轉(zhuǎn)換。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(wú)限體自由表面上，一定的條件下還可轉(zhuǎn)換成表面波，見圖2.28。厚度接近波長(zhǎng)的薄板中又會(huì)

20、發(fā)生板波。厚度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的厚壁結(jié)構(gòu)中，波的傳播變得更為復(fù)雜，其示意見圖2.29。O一波源 L縱波 S一橫波 R表面波圖2.28 波的反射與模式轉(zhuǎn)換O波源 L縱波 S橫波 R表面波圖2.29 厚板中傳播示意圖聲發(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，因而，波源所生一尖脈沖波到達(dá)傳感器時(shí)，可以縱波、橫波、表面波或板波及其多波程遲達(dá)波等復(fù)雜次序，分離成數(shù)個(gè)尖脈沖或經(jīng)相互疊加而成為持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的復(fù)雜波形，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)ms。在鈦合金氣瓶上，對(duì)鉛筆芯模擬源的響應(yīng)波形一例如圖2.30所示。除外，再加上后述傳感器頻響特性及傳播衰減等的影響，信號(hào)波形的上升時(shí)間變慢，幅度下降

21、、持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)、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)波形的常規(guī)參數(shù)分析也帶來(lái)復(fù)雜的影響，應(yīng)予以充分注意。圖2.30 波形的分離與持續(xù)2.3.4 材料中的波速波的傳播速度，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。不同的傳播模式也具有不同的傳播速度。在均勻介質(zhì)中，縱波與橫波的速度分別可用下式表達(dá)。； 式中 Vt 縱波速度；ut 橫波速度；s 泊松比；E 楊氏模量；G 切變模量；r 密度。在同種材料中，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60%，表面波速度約為橫波的90%?？v波、橫波、表面波的速度與波的頻

22、率無(wú)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。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，傳播速度還受到諸如材料類型、各向異性、結(jié)構(gòu)形狀與尺寸、內(nèi)容介質(zhì)等多種因素的影響，因而傳播速度實(shí)為一種易變量。傳播速度，與波的頻率和波長(zhǎng)成正比，等于頻率與波長(zhǎng)的乘積。 波速頻率波長(zhǎng) （C = f l） 常用材料的波速如表2.2所示。表2.2 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17.36.38.53.1鐵45.45.925.03.2鑄鐵34.64.519.22.5

23、鋼46.05.925.33.23302不銹鋼45.55.5625.03.122.3.5 幾何效應(yīng) 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，并最終引起波的衰減或疊加。圖2.31所示為小試件中的共振波形。傳感器 圖2.31 試件中的共振波 2.4 衰減 衰減就是信號(hào)的幅值隨著離開聲源距離的增加而減小。衰減控制了聲源距離的可檢測(cè)性。因此，對(duì)于聲發(fā)射檢驗(yàn)來(lái)說它是確定傳感器間距的關(guān)鍵因素。 引起波衰減的原因有很多種，尤其與決定波幅度的物理參數(shù)有關(guān)。引起波幅下降的衰減機(jī)制也有多種，但并非所有的衰減機(jī)制都引起能量的損失，某些衰減機(jī)制僅引起波的傳播模式轉(zhuǎn)變和能量的重新再分布

24、，并無(wú)實(shí)際的能量損失。下面是波傳播的幾種主要衰減因素:1) 幾何衰減: 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(wú)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)波前球面上，隨著波傳播距離的增加，波的幅度必定下降。2) 色散衰減: 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。由于實(shí)際的聲發(fā)射信號(hào)包括多種頻率的分量，而波速為頻率的函數(shù)，波包中不同頻率的分量在介質(zhì)中將以不同的速度傳播，因此隨著波傳播距離的增加，波包的幅度將下降。 3) 散射和衍射衰減: 波在具有復(fù)雜邊界或不連續(xù)(如空洞、裂紋、夾雜物等)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

25、。由于波的散射和衍射都能導(dǎo)致波幅下降(某些情況下增加), 兩種情況都可引起波的衰減。最常見的散射原因之一是某些材料中不均勻晶粒引起的。例如粗晶結(jié)構(gòu)的鑄鐵對(duì)1MHz以上頻率范圍的波產(chǎn)生明顯的散射, 由散射引起的衰減也是十分顯著的。4) 由能量損耗機(jī)制（內(nèi)摩擦）引起的衰減: 在上述討論的波的衰減機(jī)制中, 如果固體為彈性介質(zhì), 所有波(原始波、反射波、散射波、衍射波、色散等)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，而是逐漸衰減。由于熱彈效應(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

26、位錯(cuò)的相互作用也可引起能量的損失和衰減。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量損失和衰減。無(wú)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。5）其它因素：相鄰介質(zhì)“泄漏”，即由于波向相鄰介質(zhì)“泄漏”而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介質(zhì)， 障礙物，即容器上的接管、人孔等障礙物也可造成幅度下降。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，只能用試驗(yàn)測(cè)得。例如，在被檢件表面上，利用鉛筆芯模擬源和聲發(fā)射儀，按一定的間距測(cè)得幅度（d

27、B）距離（m）曲線。圖2.32給出了長(zhǎng)12.2m，內(nèi)徑1.2n，厚度12.5mm的壓力容器封頭上，用不同頻率測(cè)得的幅度一距離曲線。由圖中可見隨著頻率的增加內(nèi)摩擦也增加，衰減加快。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)視通常采用150kHz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(cè)，可相應(yīng)增加傳感器的數(shù)量。圖2.32 壓力容器衰減曲線2.5 凱塞(Kaiser)和費(fèi)利西蒂(Felicity)效應(yīng)2.5.1 凱賽爾效應(yīng)材料的受載歷史，對(duì)重復(fù)加載聲發(fā)射特性有重要影響。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