《無(wú)損檢測(cè)（第2版）》 課件第六章 聲發(fā)射檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)（第2版）

第六章聲發(fā)射檢測(cè)圖6.1聲發(fā)射檢測(cè)原理示意圖第一節(jié)聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理2聲發(fā)射檢測(cè)是一種通過(guò)探測(cè)和分析材料中聲發(fā)射源的信號(hào)

來(lái)評(píng)定材料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無(wú)損檢測(cè)方法。從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播至被檢測(cè)材料表面時(shí)，由于波的振動(dòng)引起了材料表面位移的變化，可以用聲發(fā)射傳感器探測(cè)位移變化情況，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再被放大、濾波等處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，最后可對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析及判定。若對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，就可以連續(xù)監(jiān)測(cè)材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化的整個(gè)過(guò)程。一、聲發(fā)射源3當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受應(yīng)力作用時(shí)，由于其微觀結(jié)構(gòu)的不均勻以及缺陷的存在，導(dǎo)致局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成不穩(wěn)定的應(yīng)力分布。當(dāng)這種不穩(wěn)定狀態(tài)下的應(yīng)變能積累到一定程度時(shí)，不穩(wěn)定的高能狀態(tài)一定要向穩(wěn)定的低能狀態(tài)過(guò)渡。在此過(guò)程中將產(chǎn)生應(yīng)變能并被釋放，其中一部分以彈性應(yīng)力波的形式釋放出來(lái)，這種以彈性應(yīng)力波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象即所謂的“聲發(fā)射”。產(chǎn)生應(yīng)力波的部位即為聲發(fā)射源（下簡(jiǎn)稱“源”），通過(guò)分析“源”釋放的聲信號(hào)可以確定材料發(fā)生損傷以及缺陷的位置，甚至可以評(píng)價(jià)出損傷程度和缺陷大小。圖6.2裂紋擴(kuò)展期間釋放應(yīng)變能的分配過(guò)程一、聲發(fā)射源4（一）突發(fā)型和連續(xù)型聲發(fā)射聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻，而且它的幅度動(dòng)態(tài)范圍亦很廣，從微弱的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)直到強(qiáng)烈的地震波。目前人們根據(jù)聲發(fā)射時(shí)間是否可區(qū)分將聲發(fā)射信號(hào)分為突發(fā)型和連續(xù)型兩類。（a）突發(fā)型信號(hào)波源

（b）突發(fā)型信號(hào)頻譜曲線圖6.3突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)類型及相應(yīng)的頻譜曲線（a）連續(xù)型信號(hào)波源

（b）連續(xù)型信號(hào)頻譜曲線圖6.4連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)類型及相應(yīng)的頻譜曲線一、聲發(fā)射源5（二）金屬材料中的聲發(fā)射源引起聲發(fā)射的材料局部變化稱為聲發(fā)射事件，而聲發(fā)射源是指材料局部產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象的物理源點(diǎn)。在金屬材料中，有許多種損傷與破壞機(jī)制可產(chǎn)生聲發(fā)射源。（三）非金屬材料中的聲發(fā)射源目前，人們已經(jīng)對(duì)巖石、玻璃、陶瓷和混凝土等非金屬材料這類脆性材料進(jìn)行了聲發(fā)射現(xiàn)象的研究和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這些材料中的“源”主要為微裂紋開(kāi)裂和宏觀開(kāi)裂。圖6.5金屬材料中的聲發(fā)射源6一、聲發(fā)射源（四）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)基體中的第二相材料熔融固化制備而成的。根據(jù)第二相材料的不同，可將復(fù)合材料分為擴(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。在擴(kuò)散增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中，“源”主要包括基體開(kāi)裂和第二相顆粒與基體的脫粘。而在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，聲發(fā)射源類型主要包括：1）基體開(kāi)裂；2）纖維與基體的脫開(kāi)；3）纖維拔出；4）纖維斷裂；5）纖維松弛；6）分層；7）摩擦。（五）其他聲發(fā)射源1）常壓貯罐的底部泄漏，閥門(mén)的泄漏和埋地管道的泄漏；2）氧化物或氧化層的開(kāi)裂；3）夾渣開(kāi)裂；4）摩擦源；5）液化和固化；6）元件松動(dòng)、間歇接觸；7）流體和非固體；8）裂紋閉合；9）變壓器局部放電。第二節(jié)聲發(fā)射檢測(cè)的物理基礎(chǔ)7一、凱賽爾效應(yīng)凱賽爾效應(yīng)指的是聲發(fā)射現(xiàn)象是不可逆的，是應(yīng)變能快速釋放不可逆性的反映。產(chǎn)生凱賽爾效應(yīng)的原因包括位錯(cuò)、滑移、塑性變形和裂紋生成、擴(kuò)展及斷裂等。凱賽爾效應(yīng)在聲發(fā)射技術(shù)中的重要用途包括：（1）在役構(gòu)件新生裂紋的定期過(guò)載聲發(fā)射檢測(cè)；（2）巖體等原先所受最大應(yīng)力的推測(cè)；（3）疲勞裂紋起始與擴(kuò)展的聲發(fā)射檢測(cè)；（4）通過(guò)預(yù)載措施消除加載銷孔的噪聲干擾；（5）加載過(guò)程中常見(jiàn)的可逆性摩擦噪聲的鑒別。凱賽爾效應(yīng)反映了聲發(fā)射現(xiàn)象的實(shí)時(shí)性，

連續(xù)檢測(cè)材料的聲發(fā)射信號(hào)可以獲得實(shí)時(shí)的物體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化信息。圖6.6凱賽爾效應(yīng)二、費(fèi)利西蒂效應(yīng)8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，稱為費(fèi)利西蒂效應(yīng)，也稱為反凱賽爾效應(yīng)。重復(fù)加載時(shí)的聲發(fā)射起始載荷P1對(duì)原先最大載荷P2之比P1/P2，稱為費(fèi)利西蒂比，它可以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)。費(fèi)利西蒂比大于或等于1（一些復(fù)合材料中為0.95）表示凱賽爾效應(yīng)成立，反之則表示不成立。三、聲波的傳播9彈性波傳播是材料對(duì)于不平衡或者動(dòng)態(tài)力的響應(yīng)。對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)而言，當(dāng)固體材料受到外部的拉伸力或擠壓力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部的彈性形變，隨著力的增加，彈性形變到達(dá)極限形成了固體的剪切變形，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩種類型的波，一種是縱波（也稱壓縮波），另外一種是橫波（也稱切變波）。上述兩種聲波在“源”處產(chǎn)生后，將向四周進(jìn)行傳播，當(dāng)傳播到材料表面時(shí)，一部分聲波會(huì)被放置在材料表面且位于該聲波傳播路徑上的聲發(fā)射傳感器直接采集到，形成聲發(fā)射信號(hào)。三、聲波的傳播101、聲波的波速聲波在介質(zhì)中的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性模量、密度和泊松比等參數(shù)，對(duì)于理想的均勻介質(zhì)，縱波聲速與橫波聲速可分別由下式表示：式中，VL是縱波速度；VT是橫波速度；s是泊松比；E是楊氏模量；G是切變模量；r是密度。材料縱波聲速（km/s）橫波聲速（km/s）空氣0.34—水1.48—油1.7—鋁6.33.1鑄鐵4.52.5鋼5.93.23302不銹鋼5.563.12表6-1常見(jiàn)材料的聲速值三、聲波的傳播112、聲波的衰減（1）幾何衰減指的是聲波傳播中因波陣面擴(kuò)張引起的聲強(qiáng)減小。當(dāng)聲波由一個(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，隨著波傳播距離的增加，波的幅度逐漸減小。（2）頻散是在某些物理系統(tǒng)中波速（光波、聲波和電磁波等）隨頻率變化引起的一種現(xiàn)象。實(shí)際的聲發(fā)射信號(hào)包含多種頻率成分，由于頻散效應(yīng)，隨著波傳播距離的增加，各頻率成分發(fā)生分離或擴(kuò)展，導(dǎo)致信號(hào)幅度下降。（3）散射和衍射衰減聲波在具有復(fù)雜邊界或不連續(xù)（如空洞、裂紋、夾雜物等）的介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)與上述幾何不連續(xù)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生損耗。（4）材質(zhì)衰減在非理想介質(zhì)中，由于存在材料內(nèi)摩擦作用、塑性形變以及裂紋擴(kuò)展等因素，因此聲波傳播在其內(nèi)部傳播的總機(jī)械能是逐漸衰減的。（5）其它因素引起的衰減一種是因聲波向相鄰介質(zhì)“泄漏”而造成波的幅度下降。四、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)12優(yōu)點(diǎn)：（1）受被檢測(cè)工件的形狀影響小，可以檢測(cè)不同形狀的工件；（2）對(duì)缺陷的動(dòng)態(tài)變化較為敏感，能夠檢測(cè)出動(dòng)態(tài)缺陷的微量增長(zhǎng)；（3）受外部環(huán)境的限制小，高低溫、輻射等惡劣環(huán)境下均可適用；（4）可提供缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等變量改變而實(shí)時(shí)或連續(xù)變化的信息，因而適用于工業(yè)過(guò)程在線監(jiān)控及材料早期損壞預(yù)報(bào)；（5）可采用多個(gè)通道同時(shí)檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)整體損傷的高效率檢測(cè)。缺點(diǎn)：（1）聲發(fā)射特性對(duì)材料特性本身十分敏感，又易受到各類環(huán)境噪聲的干擾，因此對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的解釋依賴于數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)；（2）聲發(fā)射檢測(cè)通常需要適當(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)需要針對(duì)性地進(jìn)行特殊準(zhǔn)備；（3）聲發(fā)射檢測(cè)目前只能給出“源”的位置和強(qiáng)度，不能直接給出缺陷的性質(zhì)和大小。第三節(jié)聲發(fā)射信號(hào)處理和分析方法13對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理和分析的主要目的包括：1）確定“源”的位置；2）分析“源”的性質(zhì)；3）確定聲發(fā)射信號(hào)發(fā)生的時(shí)間或載荷；4）評(píng)定“源”的級(jí)別。最終確定被檢工件中是否含有缺陷及其狀態(tài)。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)性能和功能，聲發(fā)射信號(hào)的分析和處理主要包括：（1）信號(hào)識(shí)別（定性）通過(guò)對(duì)感興趣的信號(hào)或信號(hào)成分的提取和識(shí)別，來(lái)推斷“源”的性質(zhì)以及判斷“源”的類型；（2）信號(hào)評(píng)估（定量）通過(guò)定量分析聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和頻度等參數(shù)，來(lái)評(píng)價(jià)材料或構(gòu)件的損傷程度；（3）源定位（定位）通過(guò)傳感器接收“源”信號(hào)的時(shí)間參數(shù)來(lái)確定“源”的位置。第三節(jié)聲發(fā)射信號(hào)處理和分析方法14根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)分析對(duì)象，可將聲發(fā)射信號(hào)處理和分析方法分為：聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)分析，是指借助信號(hào)分析處理技術(shù)直接分析聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)，然后依據(jù)參數(shù)分析結(jié)果來(lái)對(duì)“源”進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法可以實(shí)現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的可視化，在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中具有較好的可行性。聲發(fā)射信號(hào)波形分析，則是根據(jù)所獲取信號(hào)的時(shí)域波形及其頻域參量、相關(guān)函數(shù)等來(lái)獲取聲發(fā)射信號(hào)所含信息的方法，常見(jiàn)的方法如快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT）以及小波變換等。因具有優(yōu)越的噪聲濾除性能，其工程實(shí)用性較好。一、聲發(fā)射波形特征參數(shù)的定義15聲發(fā)射特征參數(shù)是指從聲發(fā)射波形中提取的一系列描述波形的參數(shù)。根據(jù)突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)波形模型可以得到如下的聲發(fā)射特征參數(shù)：

1）撞擊（事件）計(jì)數(shù)；2）振鈴計(jì)數(shù)；3）能量；4）幅度；5）持續(xù)時(shí)間；6）上升時(shí)間。

對(duì)于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，上述模型中只有振鈴計(jì)數(shù)和能量參數(shù)可以使用。為了更確切地描述連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)的特征，需要引入平均信號(hào)電平和有效電壓值兩個(gè)特征參數(shù)。圖6.7聲發(fā)射信號(hào)簡(jiǎn)化波形參數(shù)的定義一、聲發(fā)射波形特征參數(shù)的定義16實(shí)際的聲發(fā)射信號(hào)因受被檢測(cè)材料的幾何效應(yīng)影響，其波形往往如圖6.8所示，即呈現(xiàn)一系列波形包絡(luò)信號(hào)。引入聲發(fā)射信號(hào)撞擊定義時(shí)間（HitDefinitionTime,HDT），將一連串的波形包絡(luò)劃入一個(gè)撞擊信號(hào)。當(dāng)聲發(fā)射檢測(cè)儀器設(shè)定的HDT大于兩個(gè)波包過(guò)門(mén)限的時(shí)間間隔T時(shí)，則這兩個(gè)波包被視為同一個(gè)聲發(fā)射撞擊信號(hào)；但如儀器設(shè)定的HDT小于T時(shí)，則這兩個(gè)波包被劃歸為兩個(gè)獨(dú)立的聲發(fā)射撞擊信號(hào)。圖6.8聲發(fā)射撞擊信號(hào)的定義參數(shù)含義特點(diǎn)與用途撞擊計(jì)數(shù)超過(guò)閾值并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號(hào)稱為一個(gè)撞擊，可分為總計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)率反映AE活動(dòng)的總量和頻度，常用于AE活動(dòng)性評(píng)價(jià)事件計(jì)數(shù)由一個(gè)或幾個(gè)撞擊，鑒別所得AE事件的個(gè)數(shù)，可分為總計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)率反映AE事件的總量和頻度，用于源的活動(dòng)性和定位集中度評(píng)價(jià)振鈴計(jì)數(shù)越過(guò)門(mén)檻信號(hào)的振蕩次數(shù)，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率粗略反映信號(hào)強(qiáng)度和頻度，廣泛用于AE活動(dòng)性評(píng)價(jià)，但甚受門(mén)檻的影響幅值事件信號(hào)波形的最大振幅值，通常用dB表示直接決定事件的可測(cè)性，常用于波源的類型鑒別、強(qiáng)度及衰減的測(cè)量能量計(jì)數(shù)事件信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率反映事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度。可取代振鈴計(jì)數(shù)，也用于波源的類型鑒別持續(xù)時(shí)間事件信號(hào)第一次越過(guò)門(mén)檻到最終降至門(mén)檻所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，以μs表示與振鈴計(jì)數(shù)十分相似，但常用于特殊波源類型和噪聲鑒別上升時(shí)間事件信號(hào)第一次越過(guò)門(mén)檻至最大振幅所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，以μs表示因甚受傳播的影響而其物理意義變得不明確，有時(shí)用于機(jī)電噪聲鑒別有效值電壓RMS采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均方根值，以V表示與AE的大小有關(guān)。不受門(mén)檻的影響，主要用于連續(xù)型AE活動(dòng)性評(píng)價(jià)平均信號(hào)電平ASL采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均值，以dB表示對(duì)幅度動(dòng)態(tài)范圍要求高而時(shí)間分辨率要求不高的連續(xù)型信號(hào)，尤為有用。也用于背景噪聲水平的測(cè)量時(shí)差同一個(gè)AE波到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，以μs表示決定于波源的位置、傳感器間距和傳播速度，用于波源的位置計(jì)算外變量試驗(yàn)過(guò)程外加變量，包括經(jīng)歷時(shí)間、載荷、位移、溫度及疲勞周次不屬于信號(hào)參數(shù)，但屬于撞擊信號(hào)參數(shù)的數(shù)據(jù)集，用于AE活動(dòng)性分析一、聲發(fā)射波形特征參數(shù)的定義17表6-3聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法18（一）聲發(fā)射信號(hào)單參數(shù)分析方法1、計(jì)數(shù)分析法當(dāng)材料局部發(fā)生變化時(shí)，可產(chǎn)生突發(fā)型聲發(fā)射脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)分析法是處理該信號(hào)的一種常用方法。聲發(fā)射計(jì)數(shù)，亦稱為振鈴計(jì)數(shù)，是指聲發(fā)射信號(hào)超過(guò)某一設(shè)定門(mén)限的次數(shù)，而信號(hào)單位時(shí)間超過(guò)門(mén)限的次數(shù)則稱為計(jì)數(shù)率。對(duì)于一個(gè)聲發(fā)射事件，由聲發(fā)射傳感器探測(cè)到的聲發(fā)射計(jì)數(shù)可以表示為：式中，f0是傳感器響應(yīng)中心頻率；β是波的衰減系數(shù)；Vp是峰值電壓；Vt是閾值電壓。計(jì)數(shù)分析法的缺點(diǎn)是易受樣品幾何形狀、傳感器的特性及連接方式、門(mén)限壓、放大器和濾波器的工作狀況等因素的影響。二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法19（一）聲發(fā)射信號(hào)單參數(shù)分析方法2、能量分析法在對(duì)連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，多采用基于聲發(fā)射信號(hào)能量分析方法。通常選用均方根電壓（Vrms）或均方電壓（Vms）進(jìn)行測(cè)量。以突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)為例，可以對(duì)每個(gè)撞擊的能量進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)信號(hào)V(t)的均方電壓和均方根電壓定義如下：式中，ΔT是平均時(shí)間；V(t)是隨時(shí)間變化的信號(hào)電壓。根據(jù)電子學(xué)理論，可知Vms隨時(shí)間的變化量即為聲發(fā)射信號(hào)的能量變化率，聲發(fā)射信號(hào)從t1到t2時(shí)間內(nèi)的總能量E可表示為，聲發(fā)射信號(hào)能量的測(cè)量可與材料的重要物理參數(shù)直接關(guān)聯(lián)，且可解決小幅度連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)的測(cè)量問(wèn)題。此外，Vrms和Vms不依賴于任何閾值電壓，對(duì)電子系統(tǒng)增益和傳感器耦合狀態(tài)的微小變化不敏感。Vrms和Vms與連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)的能量有直接關(guān)系，分析過(guò)程較為簡(jiǎn)單。二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法20（一）聲發(fā)射信號(hào)單參數(shù)分析方法3、幅度分析法信號(hào)幅度與材料中“源”的強(qiáng)度有直接關(guān)系，而幅度分布則與材料的形變機(jī)制密切相關(guān)，因此信號(hào)幅度及其分布進(jìn)行分析可以更多地反映“源”信息。在聲發(fā)射信號(hào)幅度的測(cè)量過(guò)程中，傳感器的響應(yīng)頻率、阻尼特性以及門(mén)限電壓水平等因素均會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。目前，已經(jīng)建立了描述聲發(fā)射信號(hào)的幅度、撞擊和計(jì)數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：式中，N是聲發(fā)射信號(hào)累加振鈴計(jì)數(shù)；P是聲發(fā)射信號(hào)撞擊總計(jì)數(shù)；f是傳感器的響應(yīng)頻率：τ是聲發(fā)射撞擊的下降時(shí)間；b是幅度分布的斜率參數(shù)。二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法21（二）聲發(fā)射信號(hào)其他分析方法1、經(jīng)歷圖分析法經(jīng)歷圖分析法是指通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的某一個(gè)特征參數(shù)隨時(shí)間或其他外變量的經(jīng)歷變化進(jìn)行分析，從而獲取“源”在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)。采用經(jīng)歷圖分析方法對(duì)“源”進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)如下目的：（1）聲發(fā)射源的活動(dòng)性評(píng)價(jià)（2）凱賽爾效應(yīng)和費(fèi)利西蒂比（3）恒載聲發(fā)射評(píng)價(jià)（4）起裂點(diǎn)測(cè)量圖6.9壓力容器加壓過(guò)程中

裂紋擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)隨時(shí)間的變化經(jīng)歷圖二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法22（二）聲發(fā)射信號(hào)其他分析方法2、分布圖分析法分布分析是對(duì)聲發(fā)射撞擊或事件計(jì)數(shù)在某個(gè)聲發(fā)射參數(shù)上統(tǒng)計(jì)分布的一種聲發(fā)射信號(hào)分析方法。分析時(shí)通常以持續(xù)時(shí)間、幅值或能量等作為橫軸，聲發(fā)射撞擊數(shù)等作為縱軸，進(jìn)而觀察聲發(fā)射計(jì)數(shù)在某一參數(shù)上的分布情況。分布圖分析法多用于故障損傷的鑒別，此外，該方法也可用于評(píng)價(jià)“源”的強(qiáng)度。圖6.10壓力容器加壓過(guò)程中裂紋擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)隨時(shí)間的參數(shù)分布圖二、聲發(fā)射特征參數(shù)分析方法23（二）聲發(fā)射信號(hào)其他分析方法3、關(guān)聯(lián)圖分析法關(guān)聯(lián)分析方法是聲發(fā)射信號(hào)分析中最常用的方法之一，該方法可對(duì)任意兩個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的波形特征參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)圖進(jìn)行分析。將某兩個(gè)聲發(fā)射信號(hào)波形參數(shù)分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，而圖上每個(gè)點(diǎn)則代表一個(gè)聲發(fā)射撞擊，因此可通過(guò)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性分析來(lái)獲取“源”的特征，也可用于噪聲的鑒別。圖6.11壓力容器加壓過(guò)程中裂紋擴(kuò)展和泄露聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的關(guān)聯(lián)圖三、聲發(fā)射源定位技術(shù)24在缺陷的聲發(fā)射定位檢測(cè)過(guò)程中，其核心問(wèn)題是由傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)反推“源”的問(wèn)題，即所謂的“反向源”或“逆源”問(wèn)題。通常的做法是將幾個(gè)壓電傳感器按一定的幾何關(guān)系放置于被檢測(cè)材料的指定位置上，從而組成傳感器陣列，通過(guò)測(cè)定從“源”發(fā)射的聲波傳播到各傳感器的時(shí)間，據(jù)此求出相對(duì)時(shí)差，然后將這些時(shí)差代入滿足該陣列幾何關(guān)系的方程組中求解，從而得到“源”的位置坐標(biāo)，即完成了缺陷的定位檢測(cè)。三、聲發(fā)射源定位技術(shù)25（一）直線定位法當(dāng)被檢物體的長(zhǎng)度與半徑之比很大時(shí)，可采用直線定位進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，如管道、棒材、橋梁拉索以及鋼梁等。等直線定位法是在一維空間中放置兩個(gè)傳感器，它們所確定的“源”位置必須在兩個(gè)傳感器連線上，“源”位置可以由下式確定：式中T1是聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)1號(hào)傳感器的時(shí)間；T2是聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)2號(hào)傳感器的時(shí)間；D是兩傳感器之間的距離；V是聲波在被檢測(cè)材料中的傳播速度。圖6.12聲發(fā)射源時(shí)差直線定位原理圖三、聲發(fā)射源定位技術(shù)26（二）平面三角形定位法當(dāng)需要監(jiān)測(cè)一個(gè)相對(duì)較大的平面區(qū)域時(shí)，可以采用平面三角形定位檢測(cè)法進(jìn)行“源”定位。通過(guò)三個(gè)傳感器來(lái)確定聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間及兩個(gè)時(shí)差，則可由下式計(jì)算出“源”位置。圖6.13聲發(fā)射源時(shí)差三角形法定位原理圖三、聲發(fā)射源定位技術(shù)27假設(shè)根據(jù)傳感器S2和S3之間的時(shí)差

tx計(jì)算得到雙曲線為1，而由傳感器S1和S4之間的時(shí)差ty所得雙曲線為2，“源”為Q，傳感器S2和S3間距為a，S1和S4的間距為b，則“源”位于兩條雙曲線的交點(diǎn)Q

(X,Y)上，其坐標(biāo)可計(jì)算得到：（三）四傳感器陣列平面定位法四傳感器陣列平面定位法實(shí)際上是對(duì)上面的平面三角形定位法的改進(jìn)，某些條件下求解會(huì)得到雙曲線的兩個(gè)交點(diǎn)，此時(shí)將存在1個(gè)真實(shí)的“源”和1個(gè)偽“源”，而如果增加一個(gè)傳感器，四個(gè)傳感器構(gòu)成的菱形陣列進(jìn)行平面定位，則只會(huì)得到一個(gè)真實(shí)的“源”。圖6.14聲發(fā)射源時(shí)差四傳感器法定位原理圖式中Lx=

txV，Ly=tyV。三、聲發(fā)射源定位技術(shù)28（四）聲發(fā)射源定位的影響因素由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非勻質(zhì)性、各向異性以及加載條件、受載歷史的不同等，會(huì)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的傳播速度等產(chǎn)生一定影響，從而影響到“源”的定位精度。波速的影響聲發(fā)射信號(hào)在材料內(nèi)部的傳播過(guò)程中若遇到不連續(xù)結(jié)構(gòu)，則會(huì)引起聲波傳播路徑的改變，同時(shí)波速也可能會(huì)有所改變。衰減的影響當(dāng)傳感器與“源”距離較大時(shí)，使得本應(yīng)該被采集到的聲發(fā)射信號(hào)因?yàn)樗p信號(hào)幅值過(guò)低而被傳感器漏掉，造成較大的誤差甚至漏檢。傳感器位置的影響聲發(fā)射傳感器位置的坐標(biāo)是作為已知參數(shù)的，將對(duì)“源”定位產(chǎn)生直接影響。時(shí)差的影響聲發(fā)射信號(hào)本身的復(fù)雜性與隨機(jī)性，會(huì)在不同程度上降低定位的準(zhǔn)確性。四、聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)29（一）基于FFT的頻譜分析技術(shù)頻譜分析是一種將復(fù)雜信號(hào)分解為較簡(jiǎn)單信號(hào)的技術(shù)。找出一個(gè)信號(hào)在不同頻率下的信息（如振幅、功率、強(qiáng)度或相位等）的做法即為頻譜分析。聲信號(hào)處理中通常采用離散傅里葉變換（DiscreteFourierTransform,DFT）對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻域分析：

式中，X(k)是離散頻譜的第k個(gè)值，x(n)是時(shí)域采樣的第n個(gè)值。時(shí)域與頻域的采樣數(shù)目相同均為N。

（k＝0,1,…N-1）

（n＝0,1,…N-1）四、聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)30（二）小波分析技術(shù)小波變換同時(shí)具有在時(shí)域和頻域描述信號(hào)局部特征的能力，既可以反映出某個(gè)局部時(shí)間范圍內(nèi)信號(hào)的頻譜信息，又可以給出某一頻率范圍內(nèi)信息對(duì)應(yīng)的時(shí)域信息情況。定義任意平方可積的函數(shù)為，其傅利葉變換為，如果滿足：式中，是小波基函數(shù)，將進(jìn)行伸縮和平移后可以得到一個(gè)小波序列：式中，a是尺度因子，b是時(shí)間因子。對(duì)于任意平方可積的函數(shù)，其連續(xù)小波變換的定義為：若對(duì)a和b進(jìn)行離散化處理，則可定義的離散小波變換函數(shù)。由于小波函數(shù)具有可變的時(shí)窗和頻窗，因此小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化特性，

對(duì)于含有瞬態(tài)變化特征的聲發(fā)射信號(hào)具有較好的適用性。四、聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)31（三）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別分析技術(shù)研究人員通過(guò)對(duì)大量的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別分析，發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)能夠?qū)δ承┞暟l(fā)生源的性質(zhì)進(jìn)行判斷。在眾多人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，誤差反向傳播（backpropagation，BP）訓(xùn)練算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用較為廣泛，該模型包含輸入層、隱含層和輸出層，其中隱含層內(nèi)可以包含一層或多層神經(jīng)節(jié)點(diǎn)。采用該方法可以對(duì)壓力容器產(chǎn)生聲發(fā)射源信號(hào)的機(jī)制進(jìn)行定量分析，包括表面裂紋、深埋裂紋、夾渣未焊透、殘余應(yīng)力和機(jī)械撞擊摩擦等。第四節(jié)聲發(fā)射檢測(cè)的應(yīng)用32一、聲發(fā)射在材料特性研究中的應(yīng)用（一）材料脆性表征聲發(fā)射技術(shù)特別適用于監(jiān)測(cè)脆性材料失穩(wěn)開(kāi)裂演化過(guò)程，可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)載荷作用下脆性材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，而且可以對(duì)其破壞位置進(jìn)行定位。（二）材料損傷表征聲發(fā)射特征參數(shù)可用于表征金屬構(gòu)件的損傷演化，可以通過(guò)試件在某一特定荷載或特定時(shí)刻的累積聲發(fā)射參數(shù)與最大荷載作用時(shí)的聲發(fā)射累積參數(shù)的比值，來(lái)表征材料的損傷狀態(tài)。此外，應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)還可以研究應(yīng)力腐蝕斷裂，氫脆斷裂和監(jiān)測(cè)馬氏體相變等。第四節(jié)聲發(fā)射檢測(cè)的應(yīng)用33二、聲發(fā)射在焊接質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用（一）焊接質(zhì)量監(jiān)測(cè)聲發(fā)射技術(shù)可以通