1-聲發(fā)射技術及應用-1-(1)解析

聲放射技術及應用東北石油大學戴光?教授、博士生導師?無損檢測學會副主任?郵箱：?聲放射技術及應用東北石油大學戴光什么是聲放射？聲放射檢測原理聲放射技術的特點主要爭論內容傳統(tǒng)聲放射的定義聲放射(AcousticEmission，簡稱AE)是指物體在受到形變或外力作用時，因快速釋放彈性能量而產生瞬態(tài)應力波的一種物理現象。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論領域的擴大，聲放射的含義已廣義化，比方泄漏過程、軸承的磨損、鉆井過程、骨關節(jié)的損傷和木材枯燥時發(fā)出的聲音等也都被稱為AE。這些廣義解釋的AE情形很多，而且有大量的爭論成果。二、聲放射檢測技術原理聲放射檢測技術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論數據顯示信號處理聲放射儀〔接收信號〕其它輔助信息推斷聲發(fā)源狀態(tài)或嚴峻度由于聲放射技術具有動態(tài)檢測與分析的特點，從50年月以來，聲放射技術得到很多興盛國家工業(yè)的重視，在理論爭論、試驗爭論和工業(yè)有用三個方面進展大量的工作，取得了相當的進展。綜合分析不同進展階段的大量文獻可以看出，聲放射理論和技術爭論主要圍繞、正反兩個問題進展—即聲放射源識別和聲放射源評價，具體爭論內容可概括為幾個方面:三、聲放射技術的主要爭論內容不同聲放射源模式或物理機制的理論與試驗爭論。聲放射波在固體材料中的傳播理論。機械聲放射信號與電信號的轉換—高靈敏度、多頻帶寬度和用途的換能器。聲放射信號特征與源定位。多參量、多功能、高速度和實時分析的數字式新型聲放射檢測。三、聲放射技術的主要爭論內容聲放射信號處理〔如利用神經網絡技術對聲放射源特性進展模式識別，模糊綜合評價等〕的新理論、新方法。聲放射檢測/監(jiān)測、評價的新方法及標準。聲放射含義的廣義化——擴展新的爭論和應用領域。三、聲放射技術的主要爭論內容不同聲放射源模式或物理機制的理論與試驗爭論聲放射是一種常見的物理現象。樹枝在它真正斷裂之前會發(fā)出斷裂的聲音，踏上薄冰時冰會發(fā)出聲音，預示著馬上的塌陷。五十年月初，德國人凱塞爾(Kaiser)通過對多種金屬材料聲放射現象的爭論，覺察了聲放射不行逆效應－凱塞效應：即聲放射現象在第一次加載時產生，假設其次次及以后各次加載載荷小于等于第一次加載載荷，此時不產生聲放射，但當載荷大于第一次加載載荷時，又將產生聲放射。三、聲放射技術的主要爭論內容凱賽爾博士試驗用的儀器和設備DrKaiser’s

AE-sensorandspecimensetup(Dissertation,1949)KaiserEffect:AmaterialproducesAEnotbeforeexceedingthehighestloadpreviouslyexperienced.(seepointZ)Kaiserwasthefirstwhousedtheacousticemissionmethodtodeterminethemaximumstressaspecimenexperiencedinthepast凱賽爾效應凱塞爾認為晶界的變形不協(xié)調引起的摩擦是聲放射的主要來源。六十年月，在美國消逝了聲放射技術的爭論高潮。Schofield提出了聲放射來源于材料內部機制－位錯運動。連續(xù)型聲放射信號來源于位錯釘扎和穿插滑移；突發(fā)型聲放射信號與堆垛層錯的形成和機械孿晶的快速變形機構有關。三、聲放射技術的主要爭論內容聲放射波在固體材料中的傳播理論三、聲放射技術的主要爭論內容回想一下石子或小鳥落進池塘時所產生的波浪，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岸邊，以一種很簡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以一種很簡潔的韻律上下振動幾秒鐘，即使石子的作用在不到一秒的時間內已經消逝。聲放射波的傳播具有一樣的原理。來自于源大事的短脈沖僅僅是聲放射過程的開頭。在傳感器處的運動已大不同于源處的原始振動。三、聲放射技術的主要爭論內容池塘中波浪和構件中聲放射波的主要差異是聲放射過程的發(fā)生要快很多倍。典型的聲放射運動在百萬分之幾秒就能完成。波或許通過千分之一秒就可以到達傳感器，再經過百分之一秒就能消逝。在池塘和構件之間的另外一個不同點就是，通常狀況下構件中波的傳播更簡潔。首先，構件有很多外表會對波進展反復的反射。其次，固體既可以承受剪切力又能承受壓縮力。這導致了可以同時被激發(fā)出幾種不同類型〔模式〕的波。三、聲放射技術的主要爭論內容波的傳播模式聲放射波在介質中的傳播，依據質點的振動方向和傳播方向的不同，可構成縱波、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點的運動方向相全都的，這樣的波稱為縱波?？v波在介質中傳播時會產生質點的稠密局部和稀疏局部，故又稱疏密波?？v波傳播示意圖

三、聲放射技術的主要爭論內容2.橫波各質點的運動狀況與縱波狀況相像。但由于質點的振動方向對波的傳播方向是橫方向的，這種波稱為橫波。橫波在介質中傳播時介質會相應地產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、聲放射技術的主要爭論內容3．外表波(瑞利波)在半無限大固體介質與氣體介質的交界面上，可產生瑞利波，這是瑞利(Rayleigh)于1887年首先爭論并證明其存在的。外表波沿深度約為1～2個波長的固體近外表傳播，波的能量隨傳播深度增加而快速減弱。橢圓運動可視為縱向振動和橫向振動的合成，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中傳播不能在液體或氣體介質中傳播。

瑞利波傳播示意圖

三、聲放射技術的主要爭論內容4.板波假設固體物質的尺寸進一步受到限制而成為板狀，則當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。板波中最主要的一種是蘭姆波，狹義地講，通常所說的板波即指蘭姆波。蘭姆波是縱波與橫波組合的波，它只能在固體薄板中傳播，質點作橢圓軌跡運動，按質點的振動特點可分為對稱型(膨脹波)和非對稱型(彎曲波)兩種。反對稱模式，a0對稱模式，s0板中Lamb(蘭姆)波的基本形式三、聲放射技術的主要爭論內容a0Lamb波模式〔彎曲模式〕是聲放射檢測中最重要的波型。它通常狀況下會產生一種比s0〔對稱模式〕波幅度高的波，且在典型的構造〔薄板〕中它傳播得也更快〔約3000米／秒〕，因此會先到達傳感器。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，它們相對不重要?？拷曉磿r，即在一或兩倍板厚內，按縱波和剪切波考慮會更好一些。聲放射波在固體材料中的傳播理論是理解各種變量和評價每個檢測結果或狀態(tài)的關鍵。機械聲放射信號與電信號的轉換—高靈敏度、多頻帶寬度和用途的傳感器。三、聲放射技術的主要爭論內容外殼接頭

壓電晶體耐磨板聲發(fā)射傳感器結構示意圖

為了感覺到聲放射波，使用了壓電晶體傳感器。當受到擠壓〔變形〕時，壓電材料會產生一個電壓值和一個相應的分別電荷。在聲放射傳感器中，變形是由振動引起的。當壓電晶體受到進入的應力波撞擊時的彈性反響。壓電元件被固定在傳感器殼內。電壓是由元件材料本身產生的。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、聲放射技術的主要爭論內容傳感器的類型、特點和適用范圍

類型特

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

大多數材料研究和構件的無損檢測寬

頻

帶傳

感

器響應頻率，約為100—1000kHz，取決于晶片的尺寸和結構設計。靈敏度低于諧振傳感器，幅頻特性不甚理想，但操作簡便，適于多數寬帶檢測頻譜分析，波形分析等信號類型或噪聲的鑒別差動傳感器由兩個壓電晶片的正負極差接而成，輸出差動信號：與單端式相比，靈敏度較低，但對共模電干擾信號有好的抑制能力，適于強電磁噪聲環(huán)境強電磁干擾環(huán)境下，要替代單端式傳感器高溫傳感器采用居里點溫度高的晶片，如鈮酸鋰晶片。使用溫度可達540℃高溫環(huán)境下的檢測，如在線反應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，響應頻帶窄，波形畸變大小制件試樣的試驗研究和無損檢測三、聲放射技術的主要爭論內容聲放射信號特性與源定位非統(tǒng)計和統(tǒng)計參量的信號表征方法儀器輸出的聲放射信號是隨機和不確定的簡潔信號，選取哪些特征參量，正確地記錄和描述這些信號，是聲放射檢測技術中遇到的第一個重要問題。到目前為止，還不能直接檢測到聲放射源放射出的原始波形，聲放射檢測還只能以傳感器的輸出為根底。構件中的典型聲發(fā)射波形聲放射信號的處理與表征方法通常用非統(tǒng)計參量和統(tǒng)計參量兩種。一個信號的表征用非統(tǒng)計參量，例如，聲放射信號的幅度、能量、振鈴、計數、大事、上升時間、持續(xù)時間和門檻等。多個信號及它們之間的關系用統(tǒng)計參量表征，如總振鈴計數、總大事數、總能量、計數率、RMS、幅度分布和定位點分布等，再利用幫助參量(如壓力、溫度、時間、位移和應變等)，就可得到數十個相關圖。三、聲放射技術的主要爭論內容

在實際的聲放射檢測中，檢測到的單個信號是經過屢次反射和波型變換的簡潔脈沖信號。在聲放射檢測中，對單個聲放射信號常用以下6個表征參量?！?〕聲放射大事與振鈴計數一個突發(fā)型信號的時域波形，通過包絡檢波后，波形超過預置的閥值電壓(也稱門檻值)形成一個脈沖，該脈沖就是一個大事計數。一般，一個聲放射大事反映了聲源一次應變能的釋放。假設將時域波形中超過門檻值的振鈴次數形成矩形脈沖，則計數這些振鈴脈沖就是振鈴計數，如以以下圖，躍過門檻值的振鈴計數為7。三、聲放射技術的主要爭論內容聲放射信號特征參量三、聲放射技術的主要爭論內容VoltsordBTimeAmplitudeThresholdandFirstthresholdcrossingDuration幅度〔峰值幅度〕幅度是指時域波形中超過門檻值的峰值電壓。能量將聲放射信號的幅度平方，然后進展包絡檢波，求出檢波后的包絡線所圍的面積，并依此作為信號所包含能量的量度。上升時間在時域波形中，第一次超過門檻的振鈴脈沖到峰值幅度的時間為上升時間。持續(xù)時間時域波形中第一次超過門檻值的振鈴脈沖到最終一個超過門檻值振鈴脈沖之間的時間為持續(xù)時間。三、聲放射技術的主要爭論內容三、聲放射技術的主要爭論內容統(tǒng)計參量的表征方法在材料測試和壓力容器聲放射檢測過程中，將采集到大量的聲放射信號，對這些信號進展處理和分析需承受統(tǒng)計參量的表征方法?！?〕大事總計數、大事計數率、振鈴總計數和振鈴計數率在聲放射信號處理中，將試驗開頭到完畢(或某一階段)的大事計數進展累積，稱為大事總計數。也可以計單位時間內的大事數目，稱為大事計數率。大事計數方法著重聲放射大事消逝的數目和頻度，而不留意大事的幅度。它相當于裂紋擴展過程中釋放應變能的次數和變化率。三、聲放射技術的主要爭論內容從試驗開頭到完畢(或某一階段)的振鈴計數的累積，稱為振鈴總計數。而單位時間內的振鈴數稱為振鈴計數率。這兩統(tǒng)計參量也與裂紋狀態(tài)和變化率有關。但是，由于振鈴計數受傳感器的特性和試件、構造的幾何外形等因素的影響很大，所以測試中更常用大事總計數和大事計數率?！?〕幅度分布幅度分布是指按聲放射信號峰值幅度的大小分別進展大事累積計數。試驗說明，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單調削減的高斯分布和對數正態(tài)分布兩種。它也是反映聲放射源本質的重要統(tǒng)計特征參量。三、聲放射技術的主要爭論內容〔3〕總能量和總幅度從試驗開頭到某一階段測得的聲放射信號能量或幅度累積，稱為總能量或總幅度。通常取X軸為時間或載荷，Y軸為總能量或總幅度。由測試數據所繪出的曲線可以反映出試件或構造內活性缺陷的破壞過程。三、聲放射技術的主要爭論內容聲放射源定位在聲放射檢測中，聲放射源(簡稱聲源)主要為裂紋的萌生和擴展、屈服和塑性變形、夾渣物的斷裂和脫開等。這些聲放射源多數表現為點源，并以球面波的形式向四周八方放射能量。因此，一個聲放射傳感器的檢驗是無取向性的。兩個聲放射傳感器通過時差計算對聲放射源可以進展線定位，而三個以上傳感器通過時差計算可對聲放射源進展面定位。由于瞬態(tài)應力波在傳播過程能量漸漸衰減，因此，傳感器之間距離應在聲源的可檢測范圍之內。三、聲放射技術的主要爭論內容衰減當聲波在構件中傳播時，它的幅度就降低。這一影響稱為衰減。衰減是由幾個因素造成的。在大多數構造中，最主要的因素是幾何集中，構造邊界的散射以及吸取。在現實的構造中，邊界把應力波限制在一個有限的空間里，所以來自于波束集中的衰減是有限的。衰減的其次個主要緣由就是在構造邊緣或幾何不連續(xù)處的反射〔散射〕。當波遇到不連續(xù)處時，一局部能量被反射回來。衰減的第三個緣由是吸取。波中的彈性能和動能被傳導波的材料吸取并轉化成熱量。繪制衰減曲線的方法：在距傳感器不同距離的幾個位置上各斷鉛幾次，然后記錄每次斷鉛的幅度。在每個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、聲放射技術的主要爭論內容聲放射源定位是聲放射檢測與評定中一個重要指標。較常見的有區(qū)域定位法和點定位法〔也稱時差定位法〕。區(qū)域定位方法對傳感器的安裝位置沒有特殊要求，即不必依據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至少被其中一個傳感器接收到，聲源的位置就是首先接收到該聲源信號的傳感器的位置。該方法靈敏且檢測范圍大，但定位結果由于是表示確定區(qū)域內的缺陷，所以具有不確定性。依據時差定位原理，推導出聲源線定位公式：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，測得到達傳感器S2的時差為△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、聲放射技術的主要爭論內容數字式聲放射檢測AMSY-5:1stAE-systemwithcentralPCIbuscontroller.AMSY4-channelscanbe usedwithAMSY-5.ForWindows2KandXP..數字式新型聲放射檢測－AMSY-5

2通道AE卡——PCI-2現代科學技術史的爭論說明,一門新技術的進展必需具備三個條件:●社會需要●具有新的方法和獨特之處●對爭論者有很強的吸引力四、聲放射檢測技術的特點聲放射技術之所以有生命力,除了該技術的社會進展背景和跨學科、