AE-Ⅱ培訓重點知識點

1、聲發(fā)射檢測復習題第一章 緒論聲發(fā)射： 材料中局域源快速釋放能量產生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象；也稱為應力波反射。材料在應力作用下的變形與裂紋擴展，是結構失效的重要機制 直接與變形和斷裂機制有關的源被稱為 聲發(fā)射源 。聲發(fā)射源的實質 是指聲發(fā)射的物理源點或發(fā)生聲發(fā)射的機制源。聲發(fā)射事件： 引起聲發(fā)射的局部材料變化。凱賽爾效應 ：材料被重新加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不產生聲發(fā)射信號。引起可以用聲發(fā)然后再被放大、 處聲發(fā)射檢測基本原理 ：從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達材料的表面， 射傳感器探測的表面位移， 這些探測器將材料的機械振動轉換為電信號， 理和記錄。聲發(fā)射檢測的主要目的 確定聲發(fā)射

2、源的部位； 分析聲發(fā)射源的性質； 確定聲發(fā)射發(fā)生的時間或載荷；評定聲發(fā)射源的嚴重性。-3 -般而言，對超標聲發(fā)射源，要用其它無損檢測方法進行局部復檢，以精確確定缺陷的性 質與大小。聲發(fā)射檢測方法的特點： 動態(tài)無損檢測方法；幾乎不受材料的限制；可以長期、連續(xù)監(jiān)測； 對缺陷進行定性分析。聲發(fā)射技術的優(yōu)點：(1) 聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)檢驗方法；(2) 聲發(fā)射檢測方法對線性缺陷較為敏感；(3) 聲發(fā)射檢測在一次試驗過程中能夠整體探測和評價整個結構中缺陷的狀態(tài)；(4) 可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(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報；(5) 適于其它方法難于或

3、不能接近環(huán)境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等 環(huán)境；(6) 對于在役壓力容器的定期檢驗，聲發(fā)射檢驗方法可以縮短檢驗的停產時間或者不需要停 產；(7) 對于壓力容器的耐壓試驗，聲發(fā)射檢驗方法可以預防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災難 性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力；(8) 適于檢測形狀復雜的構件。 聲發(fā)射技術的缺點 (1)對數據的正確解釋要有更為豐富的數據庫和現(xiàn)場檢測經驗。因為聲發(fā)射特性對材料甚為敏感，又易受到機電噪聲的干擾。（2）聲發(fā)射檢測，一般需要適當的加載程序。 多數情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件， 但有時, 還需要特作準備；仍需依賴于其它無損檢測方法進行復驗。（3）聲發(fā)射檢測目前

4、只能給出聲發(fā)射源的部位、活性和強度，不能給出聲發(fā)射源內缺陷的性 質和大小，第二章聲發(fā)射檢測的物理基礎晶體材料:固體材料中原子按一定的規(guī)則進行排列，則這些材料被稱為晶體材料。如金屬、陶瓷、各種無機鹽和各種巖石（包括鉆石、礦石）非晶體材料：原子以無序狀態(tài)進行排列或者原子之間互相形成長鏈的大分子而大分子以無序狀態(tài)進行排列，則這些材料被成為非晶體材料,比如玻璃、各種有機固體材料（包括塑料、橡膠、木材）。液態(tài)急冷產生面心立方：（有色金屬、奧氏體） 體心立方：（碳鋼、低合金鋼、鐵素體），將產生的線缺陷稱之為位錯。典型的工程應用金屬材料在位錯：晶體中的原子在排列時會有缺陷產生（點、線缺陷） 位錯是晶格中原子

5、范圍大小的線缺陷 位錯的形成：結晶中的位錯是由熔融狀態(tài)下固化過程中形成的, 每個微觀的晶粒中就有幾百萬個位錯;位錯的形式：刃型位錯與螺型位錯;晶體中的點缺陷：空位、間隙原子、點缺陷、雜質原子;晶界：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。晶間腐蝕：貧Cr現(xiàn)象應力：材料單位面積上所受的作用力。物體內的應力稱為應力場。應力的單位：Kg/cm2和Mpa。與壓強的單位相同。應力的種類：拉應力、壓應力和剪切應力。根據物體的結構和加載方式的不同，物體內出現(xiàn)的應力狀態(tài)也不同，分別有拉應力、壓應力 和剪切應力。實際物體結構中的應力要復雜得多，通常是這三種應力的組合。應變：應力所產生的變形

6、稱為應變。應變的計算:應變是無量綱，即無單位，應變通過分數或百分數表示。應力與應變的關系：在應力和應變很小的條件下，固體材料呈彈性的性質， 應力與應變成正 比；當作用應力達到較高值的條件下，應力與應變不成正比關系。彈性模量：材料在彈性變形范圍里，應力與應變的比值。彈性變形：材料在應力作用下產生變形，當應力消逝后，材料的變形也將消逝,材料完全回復到原來的狀態(tài)，這種變形即稱為彈性變形。塑性變形：材料在應力作用下產生變形，當應力消逝后，即使材料的應力全部解除,材料也不能回復到原來的狀態(tài)，即永久變形，這種變形即稱為塑性變形。這時，材料的應力達到或超過了材料的屈服點，材料產生的塑性變形， 材料也不能回復

7、到原來的狀態(tài)。聲發(fā)射檢測主要討論材料的塑性變形。材料的塑性變形（金屬）機理：由位錯運動和孿生變形所引。位錯運動：位錯在晶體內的移動。孿生變形：在晶粒大小范圍內整個晶格截面取向改變?yōu)閮蓚€完全相同的“孿生”（鏡面）晶大量位錯運動的結果 將導致材料產生如下的結果：滑移；屈服；留德爾斯線（鋼）；裂紋尖端塑性區(qū)；空隙增長和聚結；韌性斯裂。孿生產生較高幅值的聲發(fā)射 ，孿生發(fā)生在錫、鋅、鈦中，但不發(fā)生在鋼與鋁中。臨界裂紋：是指達到這一點后，裂紋將很快地前進擴展，并且迅速地使部件斷裂。斷裂韌性：材料抵抗斷裂的能力。用KIC來衡量材料的斷裂韌性。裂紋尖端附近應力場的強度通過“應力強度因子” K來描述，K值與作用

8、在部件上的載荷和裂紋的大小有關。K的臨界值就是用于裂紋張開的力，在這個力的作用下裂紋將很快擴展，同時部件將立刻斷裂。用KIc來表示K的臨界值。亞臨界裂紋：就是發(fā)生在臨界裂紋發(fā)生以前的裂紋。“亞臨界”裂紋擴展：就是發(fā)生在裂紋臨界擴展發(fā)生以前的擴展。能引起亞臨界裂紋擴展的條件下如下：a）不斷上升的載荷作用b）疲勞（循環(huán)或重復載荷）；C）應力腐蝕開裂；d）氫脆開裂e）腐蝕疲勞 亞臨界裂紋擴過程中，聲發(fā)射主要來自于兩種聲源: 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動。材料的斷裂的形式 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； 從斷口的形貌來看又

9、可分為解理斷裂和疲勞斷裂。聲發(fā)射源分類：穩(wěn)態(tài)源、動態(tài)源。穩(wěn)態(tài)源模型 ：將源看作一個能量發(fā)射器 , 并用應力應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。計算與源的行為有關的動力學動態(tài)源模型 ：是應用局域在源附近隨時間變化的應力應變場， 變化，叫動態(tài)源模型。聲發(fā)射的能量來源 ：一般由外加負載、相變潛熱、外加磁場等來提供。突發(fā)聲發(fā)射信號 ：聲發(fā)射事件信號是斷續(xù)， 且在時間上可以分開， 那么這種信號就叫突發(fā)聲 發(fā)射信號。連續(xù)聲發(fā)射信號 ：如果大量的聲發(fā)射事件同時發(fā)生,且在時間上不可分辨，這些信號就叫做 連續(xù)聲發(fā)射信號。實際上連續(xù)型聲發(fā)射信號也是由大量小的突發(fā)型信號組成的，只不過太密集不能單個分

10、辨 而已 。其位移幅度可以從小聲發(fā)射信號動態(tài)范圍 ：材料內產生的聲發(fā)射信號具有很寬的動態(tài)范圍， 于10-15 m到10-9 m,達到106量級（120dB）的范圍。非金屬材料中的聲發(fā)射源 ：這些材料均為脆性材料， 其強度很高， 但韌性很差， 因此其聲發(fā) 射源主要為微裂紋開裂和宏觀開裂。復合材料 是由基體材料和分布于整個基體材料中的第2相材料所組成的。根據第 2相材料的不同， 復合材料分為 3類：擴散增強復合材料、 顆粒增強復合材料和纖維增 強復合材料。與常規(guī)材料相比，復合材料具有強度高、疲勞性能和抗腐蝕性能好等優(yōu)點，而且容易制造出結構較復雜的部件。擴散增強和顆粒增強復合材料的聲發(fā)射源主要包括：

11、基體開裂和第 2相顆粒和基體的脫開。纖維增強復合材料中的聲發(fā)射源 主要包括以下7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。其它聲發(fā)射源 ： 流體介質的泄漏 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、間歇接觸 流體和非固體 裂紋閉合 腐蝕。波：就是材料質點離開平衡位置的運動（振動）在材料中的傳播?？v波（壓縮波） ：質點的振動方向與波的傳播方向平行， 可在固體、 液體、 氣體介質中傳播。橫波（剪切波） ：質點的振動方向與波的傳播方向垂直，只能在固體介質中傳播。表面波（瑞利波）：質點的振動軌跡呈橢圓形，沿深度約為12個波長的固體近表面?zhèn)鞑? 波的能量隨傳

12、播深度增加而迅速減弱。蘭姆波（板波） ：因物體兩平行表面所限而形成的縱波與橫波組合的波，它在整個物體內傳 播，質點作橢圓軌跡運動， 按質點的振動特點可分為對稱型 （擴展波） 和非對稱型（彎曲波） 兩種。點力階躍脈沖力源 F0H（t） 作用于板時， 板表面將產生相當復雜的運動， 在材料表面上產生的 位移迅速變化， 這是理論與實驗相符的唯一的情況。 Knopoff 給出了在力作用點對面的垂直通常用于聲發(fā)射傳感器的預標方向質點位移，這一情況對聲發(fā)射技術是十分有意義的，它 定。點脈沖加載的源：具有一般形狀的短脈沖力源 f（t ），該處的速度響應為縱波的速度響應與力的變化率成正比，而切變波的速度響應與力

13、的大小成正比。表面階躍力源在厚板對面產生的垂直位移。- 7 -各種反射波和折射波方向都符合反射、折射定律。以下是縱波入射時的反射折射定律公式：sinaL /CL1 = sin a'L /CL1 = sin a'S /CS1 = sin 3L /CL2 = sin 3s /Cs2CL1 、CS1第一介質中的縱波、橫波波速。CL2 、CS2第二介質中的縱波、橫波波速。(XL 縱波入射角、反射角。橫波?？v波、橫波折射角。a 'S 橫波反射角。聲發(fā)射波經傳播到探頭后，聲發(fā)射信號波形的上升時間變慢，幅度下降、持續(xù)時間變長、 到達時間延遲、頻率成份向低頻偏移 。波速=頻率X波長（C

14、 =f X入） 波速 :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。波的傳播速度 ：是與介質的彈性模量和密度有關的材料特性， 因而不同的材料， 波速也不同。在同種材料中， 不同模式的波速之間有一定比率關系。 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率無關，而板波的速度則與波的頻率有關，即具有頻散現(xiàn)象，約分布在縱波速度和橫波速度之間傳播速度主要用于聲發(fā)射源的時差定位計算，影響定位精度。 實際中， 難以理論計算， 需用1% 10%。實驗測量。 實測波速計算出的定位精度一般在傳感器間距的 常見容器類屬于二維結構 （薄壁），表面

15、波或板波的傳播衰減遠小于縱波和橫波，常成為主要的傳播模式。多數金屬容器中，典型傳播速度約為3000 m/s。在無法測得波速的情況下, 可用此值作為初設置。 復合材料中，聲波的傳播存在各向異性，時差定位精度較差。衰減 ：信號的幅值隨著離開聲源距離的增加而減小。衰減與聲發(fā)射檢測的關系 ：衰減控制了聲源距離的可檢測性， 對于聲發(fā)射檢驗來說它是確定 傳感器間距的關鍵因素。衰減的分類 ：幾何衰減 、材質衰減、色散衰減、散射與衍射衰減、。幾何衰減 ：當波由一個局域的源所產生時， 波動將從源部位向所有的方向傳播。 即使在無損耗的介質中， 整個波前的能量保持不變， 但散布在整個波前球面上， 隨著波傳播距離的增

16、加，波的幅度必定下降。（平面波無幾何衰減）。材質衰減 ：由材料內摩擦引起的衰減。 如果固體為彈性介質 , 聲發(fā)射波的總機械能保持不變。然而，在實際的介質中，波傳播的總機械能不能保持不變，而是逐漸衰減。由于質點振動內摩擦產生的熱彈效應， 機械能可以被轉變?yōu)闊崮堋?如果應力超過介質的彈性極限， 塑性變形也引起機械能的損失。 裂紋擴展將波的機械能轉換為新的表面能， 波與介質中位錯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合材料中非完全結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制等都能引起波的能量損失和

17、衰減。無論上述那一種機制引起機械能的損耗，波的幅度都將隨波通過介質中的傳播而下降。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。散射和衍射衰減 ：波在具有復雜邊界或不連續(xù) （ 如空洞、裂紋、夾雜物等 ） 的介質中傳播將與這些幾何不連續(xù)產生相互作用產生散射和衍射現(xiàn)象。其他因素素起的衰減：相鄰介質泄漏”， 即由于波向相鄰介質“泄漏”而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介質，障礙物，即容器上的接管、人孔等障礙物也可造成幅度下降。實際工作中聲發(fā)射的衰減測量與應用：實際結構中，波的衰減機制很復雜，難以用理論計算，只能用試驗測得。隨著頻率的增加內摩擦也增加，衰減加快。實際工作中傳播衰減

18、的大小， 關系到每個傳感器可監(jiān)視的距離范圍， 在源定位中成為確定傳150kHz的高頻感器間距或工作頻率的關鍵因素。 在實際應用中， 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，對復合材料的局部監(jiān)視通常采用傳感器，而大面積監(jiān)視則采用30kHz的低頻傳感器，對大型構件的整體檢測，可相應增加傳 感器的數量。凱賽爾效應 ：重復載荷到達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 性質稱為凱賽爾效應。 多數金屬材料和巖石中， 可觀察到明顯的凱賽爾效應。 但是， 重復加 載前，如產生新裂紋或其它可逆聲發(fā)射機制，則凱賽爾效應會消失。凱賽爾效應在聲發(fā)射檢測中的應用：在

19、役構件的新生裂紋的定期過載聲發(fā)射檢測；巖 體等原先所受最大應力的推定； 疲勞裂紋起始與擴展聲發(fā)射檢測； 通過預載措施消除加 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。費利西蒂效應： 材料重復加載時， 重復載荷到達原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象， 稱為費利西蒂效應，也可認為是反凱賽爾效應。費利西蒂比：重復加載時的聲發(fā)射起始載荷（PAE對原先所加最大載荷（PmaX之比（PAE/PmaX,稱為費利西蒂比。費利西蒂效應的應用： 費利西蒂比作為一種定量參數， 較好地反映材料中原先所受損傷或結構缺陷的嚴重程度， 已成為缺陷嚴重性的重要評定判據。 樹脂基復合材料等粘彈性材料， 由于具有

20、應變對應力的遲后效應而使其應用更為有效。費利西蒂比大于 1表示凱賽爾效應成立，而小于 1則表示不成立。在一些復合材料構件中，費利西蒂比小于0.95 作為聲發(fā)射源超標的重要判據。對于凱賽爾效應和費利西蒂效應的判別 ：關鍵是如何定義“明顯”聲發(fā)射。美國CARR增強塑料聲發(fā)射監(jiān)測委員會） 推薦的規(guī)范，提出了三項判據：1）當負載增加10%聲發(fā)射超過 5個事件計數； 2）當負載增加 10%，聲發(fā)射多于 20個振鈴計數； 3）在恒定載荷下的持續(xù)聲發(fā)射。我國航天部 QJ2914-1997 提出的確定二次加載聲發(fā)射起始載荷的判據：1）在恒載一分鐘周期內事件計數不小于 5；2）在 10%的載荷增量中事件計數不小

21、于10。必須指出的是：這些判據并不是通用的，不同的材料、實驗條件、通道數、檢測靈敏度，判據可能相差較大。因此，還需從實際出發(fā)，根據經驗作出自己的判定。聲發(fā)射技術的應用均以材料的聲發(fā)射特性為基礎。影響聲發(fā)射特性的因素1、材料，材料不同的聲發(fā)射特性差異很大。即使對同一材料而言，影響聲發(fā)射特性的因素也十分復雜，如熱處理狀態(tài)、組織結構、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。2、應力，應力狀態(tài)、應變率、受載史。環(huán)境，溫度、腐蝕介質。對同一試樣作聲發(fā)射試驗，在同樣的內部和外部條件下，由于試樣的聲發(fā)射源不同，也會表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射特性。第三章 聲發(fā)射波的探測聲發(fā)射波（即聲發(fā)射信號

22、）就是聲發(fā)射源在某種激勵作用下發(fā)出的一種應力脈沖波，通常與某缺陷的產生與發(fā)展過程有關。 多數情況下這種激勵都是指外力 ，如容器的加壓過程等可能激發(fā)缺陷產生聲發(fā)射波。也有諸如腐蝕、金屬相變等微觀過程也會發(fā)出聲發(fā)射波。聲發(fā)射檢測就是檢測接收聲發(fā)射信號并進行分析得到聲發(fā)射源（缺陷）的信息。聲發(fā)射信號的波形：聲發(fā)射信號的相關定義和術語: 聲發(fā)射（Acoustic emission AE ）：材料中局域源快速釋放能量產生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射信號（AE signal ）:傳感器將檢測到的彈性波轉化為電壓信號。通道（Channel）：用于傳送、處理、探測和測量信號的單個聲發(fā)射傳感器及相關的儀器組 件。聲

23、源（Source）： 一個或多個聲發(fā)射事件的物理源。定位（Lacation ）：以多個聲發(fā)射傳感器確定聲源的位置。衰減（Atte nu ation）：聲源在材料中傳播時引起的能量減少。突發(fā)型聲發(fā)射信號（Burst emission ）:在時間上可以區(qū)分開的快速上升、緩慢衰減的聲發(fā)射信號。連續(xù)型聲發(fā)射信號（Continuous emission）:在時間上難以區(qū)分開且幅值相近的聲發(fā)射信號。撞擊（Hit）：超過門檻并使某一通道獲取數據的任何信號稱之為一個撞擊。撞擊數（總數或計數率）主要反映聲發(fā)射活動的總量和頻度，常用于聲發(fā)射活動性的評價。事件（Event）:來自同一聲源的聲發(fā)射信號在介質的各個方向

24、傳播時，以撞擊的形式被多個通道檢測到并形成定位，此時的撞擊信號就稱為事件 （區(qū)域定位時，某一通道最先收到的撞擊也稱為事件）。也可定義為，產生聲發(fā)射的一次材料變化為一個聲發(fā)射事件。事件數（總數或計數率）主要反映聲發(fā)射事件的總量和頻度，用于聲源的活動性和定位集中度評價?；疃龋ˋctivity ）：聲發(fā)射源的事件數隨著加壓過程或時間變化的程度，如撞擊率、事件率、定位聚類等。強度（Intensity）：表征聲發(fā)射信號的大小，如平均幅值、平均能量或平均計數。噪聲（Noise）:與被檢測信號無關的聲發(fā)射信號。門檻（Threshold）：一個預先設定的電壓值，只有聲發(fā)射信號的幅值超過該電壓值才能被檢測到。增

25、益（Gain ）：儀器放大器對聲發(fā)射信號的放大倍數。振鈴計數（Counts）: 一個聲發(fā)射信號中振鈴超過門檻的次數，即振鈴計數。受門檻值大小-8 -的影響。計數率( Count rate )： 單位時間的累計個數。持續(xù)時間( Duration )： 信號從第一次超過門檻到最終下降到門檻的時間長度。其作用與 振鈴計數相似，但常用于特殊聲源類型和噪聲的鑒別。能量( Energy )： 聲發(fā)射信號釋放的總彈性能，一般以信號包絡線下方圖形的面積。由于 單個聲發(fā)射信號的絕對能量很小， 數值上表達不方便， 因此儀器中也經常使用目對能量， 即 能量計數。 主要反映聲發(fā)射信號的目對能量或強度， 不受門檻值大小

26、的影響， 對工作頻率和 傳播特性不敏感，有時可以代替振鈴計數，也可用于于聲源的類型鑒別。初始頻率( Initial frequency )： 信號超過門檻和到達峰值時波形的平均頻率，單位為kHz。dB表示，幅值( Amplitude )： 聲發(fā)射信號的最大峰值電壓。由于數值很小，習慣上以dB=20lgV/1卩V, V為信號最大峰值的原始電壓，單位為伏特，0 dB對應1卩V。聲發(fā)射信號的 幅度與事件的大小直接目關， 直接決定事件的可測性， 不受門檻的影響， 常用于聲源的類型 鑒別和強度及衰減的測量。上升時間( Rise time )： 信號第一次超過門檻至最大振幅所經歷勺時間間隔。由于受傳播的影

27、響，其物理意義不明顯，但可用于機電類噪聲的鑒別。特征數據( Signal features)： 檢測數據僅儲存聲發(fā)射的特征參數(幅值、能量等)，而不存儲波形。RMS( Root mean square )：有效值電壓( v )，即采集時間內，信號的均方根電壓值。與聲發(fā)射的大小有關， 測量簡便， 不受門檻的影響， 適用于連續(xù)型信號的檢測及聲發(fā)射活動性評價。ASL( Average sig nal level )：平均信號電平(dB)，即采集時間內，信號電平的均值。ASL=20lg ( RMS /1uv , RMS勺單位為伏特。ASL的作用與RMS目似，尤其適合于測量對幅度動態(tài)范圍要求高而時間分辨

28、率要求不高的連續(xù)型信號，也用于背景噪聲水平的測量。壓縮波或縱波(Compression wave, Longitudinal wave )： 在固體彈性介質中壓縮變形以波形形式傳播，稱為彈性介質中的壓縮波。 由于質點振動位移和波的傳播方向一致， 壓縮波也稱為縱波。切變波或橫波(Shear wave, Transverse wave )： 在固體彈性介質中剪切變形以波形形式傳播， 稱為彈性介質中的切變波。 由于質點振動位移和波的傳播方向垂直， 切變波也稱為橫波。液體中不存在橫波。表面波或瑞利波( Surface wave, Rayleigh wave )： 在半無限大固體物質的平面狀或曲面狀界面

29、上存在勺界面波稱為表面波或瑞利波。板波( Plate wave, Lamb wave )： 板狀固體勺板厚小到某一程度時，瑞利波就不會存在，而只能產生各種類型的板波。 蘭姆波是最主要的一種板波形式， 即當板厚與波長目當的情況產生的波。波速（Wave velocity ）:聲波在介質中的傳播速度，m/s。不同的波型以不同的速度在 介質中傳播。橫波速度 VT = 0.6VL （縱波速度）；表面波速度 VS = 0.9VT （橫波速度）；板 波速度VP = 2/（1-卩）1/2，卩為材料系數。傳感器（ Sensor ）：又稱換能器 （ Transducer ），壓電元件將機械波轉化為電壓信號的裝置。

30、寬頻傳感器（ Broadband sensor諧振傳感器（ Resonant sensors）： 在一定頻率范圍內具有高靈敏度響應的傳感器。）： 傳感器在較寬的頻率范圍內具有較平坦的響應曲線。- 13 -前置放大器（ Preamplifier ）：將傳感器轉換后的信號進行放大，以便將傳送到較遠距離 的聲發(fā)射主機中。耦合劑（ Couplant ）： 在傳感器和被檢測構件表面間提供聲耦合的物質。壓電效應：材料或結構中的缺陷產生與發(fā)展過程會發(fā)出聲發(fā)射波，并沿各方向傳播。 檢測儀器應具有 高相應速度、高靈敏度、高增益、寬動態(tài)范圍、強阻塞恢復能力和頻率檢測窗口可選擇等性能。當某些電介質沿一定方向受外力作

31、用而變形時，在其一定的兩個表面會產生正負電荷， 當外力去掉后又恢復到不帶電荷的狀態(tài)， 這種現(xiàn)象就被稱為 正壓電效應 。壓電效應是可逆的 ，習 慣上將 正壓電效應稱為壓電效應 。電介質受力產生的 電荷與力的大小成正比 ， 比例系數為壓電系數 ，與機械形變方向有關， 特定材料一定方向上為常量。 電介質受力產生電荷的極性取決于形變的形式 （壓縮或伸長） 。PZT。壓電材料： 具有明顯壓電效應的材料稱為壓電材料，常用的有石英晶體、鈮酸鋰、鎵酸鋰、 鍺等單晶，以及經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經極化處理后的新型壓電材料有高分子壓電薄膜和壓電半導體。 單晶體材料的壓電效應是由

32、于其單晶受外應 力時內部晶格結構變形， 使原來宏觀表現(xiàn)的電中性狀態(tài)破壞而產生電極化； 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果。逆壓電效應： 當在電介質的極化方向上施加電場， 某些電介質在一定方向上將產生機械變形 或機械應力， 當外電場撤除后， 變形和應力也隨之消失， 這種物理現(xiàn)象就稱之為 逆壓電效應 。利用逆壓電效應可制成超聲波發(fā)生器、 壓電揚聲器、 頻率高度穩(wěn)定的晶體振蕩器 （如石英鐘 表）。許多聲發(fā)射儀器自帶的標定信號源就是利用此原理產生的。壓電轉換元件的特點 優(yōu)點 ：自發(fā)電和可逆性；體積??；重量輕；結構簡單；固有頻率高；靈敏度和信噪比高。廣 泛應用在許多行業(yè)。缺點

33、 ：無靜態(tài)輸出，需要很高的電輸出電阻和低電容的低噪聲電纜。傳感器： 組成 ：通常由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成，輸出電學量。這些元件的功能為： 敏感元件： 直接感受和測量，并以確定關系輸出某一物理量（包括電學量）。轉換元件： 將敏感元件輸出的非非電物理量， 如位移、應變、應力、光強等轉換為電學量 （如 電路參數量、電壓、電流）。轉換電路： 將電路參數 （如電阻、 電感、電容等） 量轉換成便于測量的電量， 如電壓、電流、 頻率等。有些傳感器只有敏感元件， 如熱電偶; 有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成， 無需轉換電 路，如壓電式加速度傳感器; 還有些傳感器由敏感元件和轉換電路組成， 如電容式

34、位移傳感 器；有些傳感器要經多個轉換器多次轉換才輸出電量。聲發(fā)射傳感器 組成 ：通常由殼體、保護膜、壓電元件、阻尼塊、連接導線及高頻插座組成。壓電元件 ：通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇和鈮酸鋰等。結構 ：根據不同的檢測目的和環(huán)境采用不同結構和性能的傳感器。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。傳感器的靈敏度： 傳感器的輸入端作用為力、位移或者速度，輸出端為電壓。可以認為力、 位移或者速度轉換為電壓的整個系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。T （«）|= I U（3） /D（3）1T為靈敏度，一般用對數表示;3為頻率;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。校準 -靈敏度曲

35、線 ：根據特定的校準方法， 可以得到傳感器的頻率 -靈敏度曲線， 據此可根據 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。一般情況下傳感器的靈敏度要求 不低于 0.5 KV/m.s 。傳感器接收到的信號轉換為電信號 后，由同軸屏蔽電纜饋送給前置放大器， 信號得到放大， 提高信噪比。 通常要求前置放大器 具有40-60dB的增益，噪聲電平不超過5微伏特，并有較大的輸出動態(tài)范圍和頻率寬度。校準 - 標定方法： 傳感器的標定方法因激勵源和傳播介質的不同而不同。激勵源可分為噪聲源、連續(xù)波源和脈沖源三種 。噪聲源 有氦氣噴射、應力腐蝕、金鎘合金相變等； 連續(xù)波源 可由壓電傳感器、電磁超聲傳感器

36、或磁致伸縮傳感器等產生； 脈沖源 可以由電火花、玻璃毛細管破裂、鉛筆芯斷裂、落球和激光脈等產生。激光脈沖設備昂貴， 應用受限; 電火花法受氣候、 濕度和其他因素影響;玻璃毛細管破裂很 難做到壁厚均勻， 使用中難以獲得良好的重復性; 落球法獲得的頻率低; 鉛筆芯斷裂法受操 作人和材料表面條件的影響。耦合劑的作用：1)填充傳感器表面與檢測面之間的微小空隙，因為接觸面間的微量空氣會隔斷信號的傳輸； 2)通過耦合劑的“過渡”作用，使傳感器與檢測面之間的聲阻抗差減小，從而降低信號能 量在此界面的反射損失； 3)起到“潤滑”作用，減少傳感器表面與檢測面之間的摩擦。耦合劑性能的要求：1)聲衰減系數小，透聲良

37、好；2)聲阻抗介于傳感器表面材料與檢測面之間，匹配良好；3)粘附力低，容易擦拭掉；4)粘滯性適中，使用時不會流淌，又容易擠出；5)保濕性適中，不容易干燥；6)7)均勻性好，不含顆粒或雜質，使用時不堵塞管口；外觀上色澤鮮明，透明度高，不含氣泡(有雜質和氣泡容易看出)；8)9)不腐蝕或損壞傳感器。傳感器的固定方法 有機械固定、粘結固定和磁吸附方法。波導：有些情況下無法或很難將聲發(fā)射傳感器直接安裝在被檢測對象的表面，如高溫、高壓、低溫或深冷、表面疏松以及狹小空間等，此時往往可以借助波導方法實現(xiàn)聲波的傳導。常見的波導方法有金屬棒或管組成的波導，一端固定(焊接或機械連接)在檢測對象表面，另一端安裝傳感器

38、。傳感器的主要類型 ：諧振式傳感器、寬帶傳感器、高溫傳感器、差動傳感器。其他類型：特定傳感器、微型傳感器、磁吸附傳感器、低頻抑制傳感器和電容式傳感器等。諧振式傳感器：最常用的一種傳感器。尤其是中心頻率為150KHZ窄帶諧振式傳感器，靈敏度和信噪比均較高、 價格便宜、 規(guī)格多， 常用于金屬材料結構的檢測。 因為金屬的結構較穩(wěn)定和均勻，可認為是各向同性，聲波衰減系數較小，頻帶范圍一般在25KHZ-750KHZ，所以,選用諧振式傳感器較合適。寬帶傳感器： 通常由多個不同厚度的壓電元件組成， 或者由凹球面形與楔形壓電元件達到張寬頻帶的目的。 有時為了測量到更加接近真實的聲發(fā)射信號，以研究 聲源的特性，

39、 就需要采用寬帶響應的傳感器來獲取根廣范圍頻率的信號。寬帶傳感器的主要 優(yōu)點是采集到的聲發(fā)射信號豐富、全面，其 缺點 是可能包含了噪聲信號。高溫傳感器： 應用較少，價格昂貴、靈敏度較低。需要耐高溫的材料和結構，以及耐高溫的耦合劑。高溫結構的聲發(fā)射監(jiān)測往往采用波導桿。特定傳感器： 特殊要求或特殊方法的傳感器。 如僅響應平行于測試物體表面的振動量或僅響應垂直于測試物體表面的振動量的傳感器。差動傳感器： 由兩只正負極差接的壓電元件組成， 輸出相應的差動信號， 信號因迭加而增大。穩(wěn)定性好，不變色、不改變稠度、不分層、不析出、不變質、不腐蝕(檢測面)；傳感器的選擇：根據被檢測結構的材料特性及缺陷類型等判

40、斷聲源可能發(fā)射出的信號頻率范圍和幅度，選擇合適的傳感器類型。如鋼材中焊接缺陷產生的聲發(fā)射源信號頻率范圍在25KHZ-750KHZ之間，同時考慮噪聲源的頻率范圍，盡可能避開其主要頻率范圍。對于實驗室小試樣，可選擇微型傳感器。大型常壓立式儲罐，選擇的傳感器，頻率范圍20KHZ-60KHZ, 以接收到遠距離傳播的信號。第四章聲發(fā)射檢測儀器系統(tǒng)聲發(fā)射檢測儀由傳感器、前置放大器、數據采集處理系統(tǒng)和記錄分析顯示系統(tǒng)4個部分組成。電信號經前置放大器聲發(fā)射儀器中傳感器接收采集來自聲發(fā)射源的聲波信號轉換為電信號，放大，由信號采集采集處理系統(tǒng)對聲發(fā)射信號做處理,由記錄顯示系統(tǒng)進行記錄分析顯示達到檢測聲發(fā)射源的目的

41、。聲發(fā)射傳感器用于接收聲波，將聲能轉換為電能;兩個主要的指標：靈敏度；工作頻寬;傳感器靈敏度的表征: 靈敏度的標定有表面波聲場校準、縱波聲場校準兩種;表面波沿聲介質表面?zhèn)鞑ィ洑v傳感器敏感面時，各點振動的相位不同;平面縱波垂直介質表面?zhèn)鞑?，經歷傳感器敏感面時，各點振動的相位相同傳感器頻帶的選用:聲發(fā)射實際運用中大量遇到的是結構穩(wěn)定的金屬結構,如壓力容器等，這類材料的各向異性較小，聲波衰減系數也小， 這類對象的缺陷檢測多選用 諧振式傳感器 比較合適，最常使用通 帶頻率150KHZ勺諧振式窄帶傳感器來測量工程材料的聲發(fā)射信號。對于腐蝕、泄漏等二類聲發(fā)射信號，多使用諧振頻率40KHZ的諧振式傳感器；

42、帶寬和靈敏度是一對互相矛盾的指標，帶寬越大，靈敏度相對越低 ,窄帶更容易獲得更高的靈敏度；應用的最終目的是高靈敏度;寬帶傳感器由于在較寬的頻帶內響應靈敏度相對已知信號 頻率特件未知佶弓 頻率牯?。阂恢?，因此 做譜分析原則上要用寬帶傳感器;根申+佶弓頻率特性選樣相應頻 寬的牢帶面錄敏度傳感器頻譜分忻，務収 頻率牛步性前置放大器:傳感器輸出的信號的電壓水平為微伏、毫伏量級的微弱信號， 若經過長距離的傳輸， 信噪比必然要降低。在靠近傳感器位置設置前置放大器，將信號放大到一定程度，再經過高頻同軸電纜傳輸給數據采集設備，常用有34、40到60dB增益。前放的輸入是傳感器輸出的模擬信號，輸出是放大后的模擬

43、信號，前放是模擬電路。-13 -前置放大器也常具有 模擬信號濾波器的功能和發(fā)射標定聲發(fā)射信號的功能 根據數據采集處理系統(tǒng)的形式需要， 前置放大器可以有內置于傳感器內和內置于數據采集系 統(tǒng)如無線聲發(fā)射采集模塊 / 手持聲發(fā)射系統(tǒng)等，也可獨立外置于傳感器和數據采集系統(tǒng)之間 由電纜連接。前置放大器主要指標： 放大倍數：固定增益通常為 40dB或34dB等，可調增益一般設置 20、40、60dB三檔可調;2微伏帶寬：一般為寬帶前放，也有少量具有濾波器作用的窄帶前放;噪聲水平：一般輸入噪聲小于 20微伏。有些特殊用途的前置放大器，噪聲電平應小于 供電電源： 和采集主機配套使用時由采集卡直接提供 28伏直

44、流供電， 單獨使用時會配備信號 供電分離器，專門的電源適配器給前放獨立供電;輸入輸出阻抗：高阻輸入阻抗，一般為50歐輸出阻抗，與后端的采集卡輸入阻抗相匹配;濾波器的功能和脈沖標定功能： 窄帶前放也相當于一個前端模擬濾波器; 可發(fā)射電脈沖實現(xiàn) 傳感器自動標定功能;內置、 外置： 根據數據采集處理系統(tǒng)的形式需要， 前置放大器可以有內置于傳感器內和內置 于數據采集系統(tǒng)如無線聲發(fā)射采集模塊 / 手持聲發(fā)射系統(tǒng)等，也可獨立外置于傳感器和數據 采集系統(tǒng)之間由電纜連接。前置放大器主要功能特性： 傳感器的輸出阻抗比較高，前置放大器需要具有阻抗匹配和變換的功能。有時傳感器的輸出信號過大， 要求前置放大器具有抗電

45、沖擊的保護能力和阻塞現(xiàn)象的恢復能 力。并且具有比較大的輸出動態(tài)范圍。對于單端傳感器要配用單端輸入前置放大器，對于差動傳感器要配用差動輸入前置放大器， 后者比前者具有一定的抗共模干擾能力。在聲發(fā)射系統(tǒng)中， 系統(tǒng)的噪聲由前置放大器的性能所左右。 前置放大器在整個系統(tǒng)中的作用 就是要提高信噪比，要有高增益和低噪聲的性能。具有調節(jié)方便，一致性好，體積小等優(yōu)點。由于聲發(fā)射檢測通常在強的機械噪聲（頻帶通常低于50KHZ）、液體噪聲（通常100KHZ1MHz） 和電氣噪聲的環(huán)境中進行，因此前放還應具有一定的強抗干擾能力和排除噪聲的能力。傳感器信號線 用于連接傳感器與前置放大器，一般采用 屏蔽良好的同軸電纜

46、。由于傳感器1米的信號輸出非常微弱且阻抗很高， 信號在傳輸過程中非常容易受到來自外界電磁信號的干擾。通過盡量縮短傳感器信號線的長度來降低干擾是主要方法，一般信號線的長度選擇都在 左右。傳感器信號線的另一個重要技術指標是電容量。同軸電纜 主要有 50歐和75歐兩種。 聲發(fā)射儀器多使用阻抗 50歐的同軸電纜， 電纜的長度一般 選擇在 100米以內。其他配件: 耦合劑：耦合劑一般選用真空脂，也可使用凡士林、黃油等具有良好聲耦合性能的產品，對 于高溫環(huán)境應使用相應的高溫耦合劑;磁夾具：磁夾具用來將傳感器固定到鐵磁性檢測對象上;標定鉛筆：最新的檢測標準要求使用硬度為2H,直徑為0.3的鉛芯。第五章聲發(fā)射

47、信號處理方法目前采集和處理聲發(fā)射信號的方法可分為兩大類，一種是以多個簡化的波形特征參數來表示聲發(fā)射信號的特征，然后對這些波形特征參數進行分析和處理；一種是存貯和記錄聲發(fā)射信 號的波形，對波形進行頻譜分析。聲發(fā)射信號的特點：瞬態(tài)性；多態(tài)性；易受噪聲干擾。波形特性參數：波擊（時間）計數；振鈴計數；能量；幅度；持續(xù)時間；上升時間。聲發(fā)射信號參數分析：事件計數；振鈴計數；能量；幅度；持續(xù)時間；上升時間；平均信號 電平；有效值電壓。則幅值為VXE的聲發(fā)射信號聲發(fā)射信號的幅度 通常以dBAE表示，定義傳感器輸出1 V時為OdB,的dBAE幅度。dBAE 20lg計數法是處理聲發(fā)射脈沖信號的一種常用方法。目

48、前應用的計數法有 聲發(fā)射事件計數率與振鈴計數率及它們的總計數，另外還有一種對振幅加權的計數方式，稱為“加權振鈴”計數法。聲發(fā)射事件是由材料內局域變化產生的單個突發(fā)型信號，聲發(fā)射計數（振鈴計數）是聲發(fā)射信號超過某一設定門檻的次數，信號單位時間超過門檻的次數為計數率,聲發(fā)射計數率依賴于傳感器的響應頻率、換能器的阻尼特性、結構的阻尼特性和門檻的水平計數法的缺點 是易受下列因素影響 ：樣品幾何形狀；傳感器的特性；耦合條件；門檻電壓;接收儀器的響應。聲發(fā)射能量反映聲發(fā)射源以彈性波形式釋放的能量;由于計數法測量聲發(fā)射信號存在上述缺點，尤其對連續(xù)型聲發(fā)射信號更明顯，因而通常采用測量聲發(fā)射信號的能量來對連續(xù)型

49、聲發(fā)射信號進行分析。目前，聲發(fā)射信號的能量測量是定量測量聲發(fā)射信號的主要方法之一。聲發(fā)射信號的能量正比于聲發(fā)射波形的面積，通常用均方根電壓（Vrms）或均方電壓（Vms）來進行聲發(fā)射信號的能量測量。能量分析法的優(yōu)點:Vms和Vm對電子系統(tǒng)增益和換能器耦合情況的微小變化不太敏感,且不依賴于任何閾值電壓;Vms和Vm與連續(xù)型聲發(fā)射信號的能量有直接關系，但對計數技術來說，根本不存在這樣的簡單關系；Vrms與VmS很容易對不同應變率或不同樣品體積進行修正。信號峰值幅度和幅度分布是一種可以更多地反映聲發(fā)射源信息的處理方法,信號幅度與材料中產生聲發(fā)射源的強度有直接關系，幅度分布與材料的形變機制有關。聲發(fā)射

50、信號幅度的測量同樣 受換能器的響應頻率、換能器的阻尼特性、結構的阻尼特性和門檻電壓水平等因素的影響。通過應用對數放大器，既可對聲發(fā)射大信號也可對聲發(fā)射小信號進行精確的峰值幅度測量。不同的聲發(fā)射源具有不同的幅度分布譜。聲發(fā)射信號的幅度、事件和計數得到如下經驗公式:N =聲發(fā)射信號累加振鈴計數； P=聲發(fā)射信號事件總計數;Pff =換能器的響應頻率；=聲發(fā)射事件的下降時間;b =幅度分布的斜率參數。聲發(fā)射信號經歷分析方法是通過對聲發(fā)射信號參數隨時間或外變量變化的情況進行分析,而得到聲發(fā)射源的活動情況和發(fā)展趨勢采用經歷圖分析方法對聲發(fā)射源進行分析可達到如下目的:聲發(fā)射源的活動性評價;費利西蒂(Fel

51、icity )比和凱塞(Kaiser )效應評價;恒載聲發(fā)射評價;起裂點測量。聲發(fā)射信號分布分析方法是將聲發(fā)射信號撞擊計數或事件計數按信號參數值進行統(tǒng)計分布分析。分布分析可用于發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射源的特征，從而達到鑒別聲發(fā)射源類型的目的關聯(lián)分析方法也是聲發(fā)射信號分析中最常用的方法，對任意兩個聲發(fā)射信號的波形特征參數可以作它們之間的關聯(lián)圖進行分析，圖中二維坐標軸各表示一個參數，每個顯示點對應于可以分析不同AE源的特一個聲發(fā)射信號撞擊或事件。通過作出不同參量兩兩之間的關聯(lián)圖, 征，從而能起到鑒別AE源的作用 突發(fā)性信號定位：時差定位，是經對各個聲發(fā)射通道信號到達時間差、波速、探頭間距等參數的測量及復雜的算法

52、運算，來確定波源的坐標或位置。時差定位是一種精確而又復雜的定位方式，廣泛用于 試樣和構件的檢測。不過，時差定位，易丟失大量的低幅度信號，其定位精度又受波速、衰 減、波形、構件形狀等許多易變量的影響，因而，在實際應用中也受到種種限制。區(qū)域定位，是一種處理速度快、簡便而又粗略的定位方式，主要用于復合材料等由于聲發(fā)射 頻度過高或傳播衰減過大或檢測通道數有限而難以采用時差定位的場合。-17 -源定位時差定位r突發(fā)信號一維定位 二維定位 三維定位平面定位柱面定位球面定位連續(xù)信號反弒牛行4獨立通道監(jiān)視 區(qū)域定位I信號到達次序幅度測量式區(qū)域定位 衰減測量式定位 互相關式時差定位 干涉式時差定位當被檢測物體的

53、長度與半徑之比非常大時，易采用線定位進行聲發(fā)射檢測,如管道、棒材、d TV D d l(D 影響聲發(fā)射信號定位源精度的因素鋼梁等。dT2V T2 T1ttV)不唯一解；圖形畸變；弱聲發(fā)射源；強聲源和多聲源；探頭位置；波速(多模態(tài))；時差測量；硬件影響；門檻值設定；噪聲影響；算法誤 差。連續(xù)聲發(fā)射源定位的幅度測量方法:(1)通過識別最高和第二高聲發(fā)射輸出信號，從聲發(fā)射探頭陣列中找到最靠近泄漏源的兩個探頭。在探頭陣列之外的泄漏源不能采用幅度測量法進行定位。(2)以分貝來確定兩個探頭輸出的差值，并與被測物體的衰減特征進行比較。(3) 對于二維平面，兩個探頭確定了一條通過泄漏源的雙曲線，因此需要第三個

54、探頭來得到 另一條雙曲線，兩個雙曲線的交點即為泄漏源部位。幅度測量法定位的條件:(1) 必須將所有通道(包括探頭和放大器)的靈敏度調整為相同。(2) 無任何電子或機械背景噪音。相關定位：對于任意一函數A(t)和時間延遲為t'的函數 B(t)，兩個函數A(t)和B(t+ T 在有限時間間隔內的互相關函數 Rb( T )在T = T肯定包含一個最大值，這一互相關方法可 用于連續(xù)型聲發(fā)射源的定位。干涉式定位方法: (1)在感興趣的二維或三維空間內定義一個位置;通過已知波速計算波到達陣列中(2)計算信號從定義位置到所有探頭之間的傳播路徑長度, 所有探頭的傳播時間和各個探頭的時間延遲;(3)按預定的時間同時捕捉每一個探頭的輸出，按照第2步計算的延遲時間推遲各通道的采-17 -樣時間；(4) 確定所有延遲的探頭間的相干性，高水平的相干性指出在假設的源部位有泄漏發(fā)生；(5) 如果相干性較低,假設另外一個部位從第2步重復進行。波形分析：指通過分析聲發(fā)射(AE信號的時域波形或頻譜特征來獲取信息的一種信號處理方法。理論上講，波形分析應當能給出任何所需的信息，因而波形也是表達 AE源特征的最精確的方法，并可導致對 AE勺定量了解。時域分析： 描述信號在時間域的完全信息，常用的統(tǒng)計特征參數有：波形時域特征描述參數 ，比如最大幅值，相關函