聲發(fā)射檢測(cè)原理1

1、聲發(fā)射檢測(cè)原理聲發(fā)射檢測(cè)原理一、聲發(fā)射技術(shù)一、聲發(fā)射技術(shù)材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)，聲發(fā)射是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很弱，人耳不能直接聽(tīng)見(jiàn)，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測(cè)出來(lái)，用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射檢測(cè)原理如下圖所示，從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達(dá)材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測(cè)的表面位移，這些探測(cè)器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后在被放大、處理和記錄，人們根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析與推斷，以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制。A

2、ESystem聲發(fā)射源聲發(fā)射源（1）晶體材料包括金屬的塑性變形、斷裂、相變、磁效應(yīng)；巖石、陶瓷等非金屬主要為微裂紋開(kāi)裂和宏觀開(kāi)裂。（2）復(fù)合材料的聲發(fā)射源包括基體開(kāi)裂、纖維和基體脫開(kāi)、纖維拔出、纖維斷裂和纖維松弛等。（3）在聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程還可能遇到其他聲源如流體介質(zhì)的泄露、氧化物和氧化層的開(kāi)裂、摩擦源、液化和固化、原件松動(dòng)和間歇接觸等。聲發(fā)射檢測(cè)的主要目的是聲發(fā)射檢測(cè)的主要目的是：（1）確定聲發(fā)射源的部位；（2）分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；（3）確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷；（4）評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。二、聲發(fā)射的應(yīng)用二、聲發(fā)射的應(yīng)用目前聲發(fā)射技術(shù)作為一種成熟的無(wú)損檢測(cè)方法，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，主要

3、包括以下方面：（1）石油化工工業(yè)：各種壓力容器、壓力管道和海洋石油平臺(tái)的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，常壓貯罐底部、各種閥門和埋地管道的泄漏檢測(cè)等。（2）電力工業(yè)：高壓蒸汽汽包、管道和閥門的檢測(cè)和泄漏監(jiān)測(cè)，汽輪機(jī)葉片的檢測(cè)，汽輪機(jī)軸承運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)，變壓器局部放電的檢測(cè)。（3）材料試驗(yàn)：材料的性能測(cè)試、斷裂試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、腐蝕監(jiān)測(cè)和摩擦測(cè)試,鐵磁性材料的磁聲發(fā)射測(cè)試等。（4）民用工程：樓房、橋梁、起重機(jī)、隧道、大壩的檢測(cè)，水泥結(jié)構(gòu)裂紋開(kāi)裂和擴(kuò)展的連續(xù)監(jiān)視等。（5）航天和航空工業(yè)：航空器殼體和主要構(gòu)件的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，航空器的時(shí)效試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)檢測(cè)和運(yùn)行過(guò)程中的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)等。（6）金屬加工：工具

4、磨損和斷裂的探測(cè)，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測(cè)，修理整形的驗(yàn)證，金屬加工過(guò)程的質(zhì)量控制，焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)，振動(dòng)探測(cè)，鍛壓測(cè)試，加工過(guò)程的碰撞探測(cè)和預(yù)防。（7）交通運(yùn)輸業(yè)：長(zhǎng)管拖車、公路和鐵路槽車及船舶的檢測(cè)和缺陷定位，鐵路材料和結(jié)構(gòu)的裂紋探測(cè)，橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)三、聲發(fā)射檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)三、聲發(fā)射檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn) 聲發(fā)射檢測(cè)方法在許多方面不同于其它常聲發(fā)射檢測(cè)方法在許多方面不同于其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：（1）聲發(fā)射是一種動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)方法，聲發(fā)射探測(cè)到的能量來(lái)自被測(cè)試物體本身，而不是象超聲或射線探傷方法一樣由無(wú)損檢測(cè)儀器提供；（2）聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)線性缺

5、陷較為敏感，它能探測(cè)到在外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下這些缺陷的活動(dòng)情況，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)；（3）在一次試驗(yàn)過(guò)程中，聲發(fā)射檢驗(yàn)?zāi)軌蛘w探測(cè)和評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中活性缺陷的狀態(tài)；（4）可提供活性缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過(guò)程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)；（5）由于對(duì)被檢件的接近要求不高，而適于其它方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測(cè)，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境；（6）對(duì)于在用設(shè)備的定期檢驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)方法可以縮短檢驗(yàn)的停產(chǎn)時(shí)間或者不需要停產(chǎn)；（7）對(duì)于設(shè)備的加載試驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作載荷；（8）由

6、于對(duì)構(gòu)件的幾何形狀不敏感，而適于檢測(cè)其它方法受到限制的形狀復(fù)雜的構(gòu)件。四、聲發(fā)射檢測(cè)的物理基礎(chǔ)四、聲發(fā)射檢測(cè)的物理基礎(chǔ)1、凱賽爾效應(yīng)、凱賽爾效應(yīng)凱賽爾效應(yīng)是德國(guó)學(xué)者凱賽爾在1963年研究金屬聲發(fā)射特性時(shí)發(fā)現(xiàn)的。材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。多數(shù)金屬材料和巖石中，可觀察到明顯的凱賽爾效應(yīng)。凱賽爾效應(yīng)在聲發(fā)射技術(shù)中有著重要用途：（1）在役構(gòu)建新生裂紋的定期過(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)；2、費(fèi)利西蒂效應(yīng)、費(fèi)利西蒂效應(yīng)在重復(fù)加載前，如產(chǎn)生新裂紋或其它可逆聲發(fā)射機(jī)制，凱賽爾效應(yīng)則會(huì)消失。材料重復(fù)加載時(shí)，重

7、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)，也可以認(rèn)為是反凱賽爾效應(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。費(fèi)利西蒂比作為一種定量參數(shù)，較好地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)。3、衰減、衰減 衰減就是信號(hào)的幅值隨著離開(kāi)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(shuō)它是確定傳感器間距的關(guān)鍵因素。 傳播衰減的大小，關(guān)系到每個(gè)傳感器可檢測(cè)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。為了減少衰減的影響而常采取的措施包括降低傳感器的頻率或減小傳感器間

8、距。五、聲發(fā)射信號(hào)的種類和參數(shù)五、聲發(fā)射信號(hào)的種類和參數(shù)目前人為的將聲發(fā)射信號(hào)分為突發(fā)型和連續(xù)型。如果聲發(fā)射事件信號(hào)是斷續(xù)的，且在時(shí)間上可以分開(kāi)，那么這種信號(hào)就稱為突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)，如下圖所示。裂紋擴(kuò)展、斷鉛信號(hào)等都是突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)。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)型聲發(fā)射信號(hào)。如下圖所示。一般流體泄露，金屬塑性變形等都是連續(xù)型信號(hào)。突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)的各個(gè)參數(shù)突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)的各個(gè)參數(shù)Db=20lg(v/1uv)-pre撞擊撞擊：超過(guò)門檻并使某一個(gè)通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號(hào)稱之為一個(gè)撞擊。它反映了聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度，常用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)。事件事件：同一個(gè)

9、撞擊被多個(gè)通道同時(shí)檢測(cè)到并能進(jìn)行定位.計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)：超過(guò)門檻信號(hào)的振蕩次數(shù)，用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)。能量能量：信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積，反映信號(hào)的強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間持續(xù)時(shí)間：信號(hào)第一次越過(guò)門檻至最終降至門檻所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。上升時(shí)間：上升時(shí)間：信號(hào)第一次越過(guò)門檻至最大振幅所經(jīng)歷的時(shí)間連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)RMS:有效值電壓，指采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)的均方根值。ASL:平均信號(hào)電平，指采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均值。六、聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)1、傳感器、傳感器傳感器是聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的重要部分是影響系統(tǒng)整體性能的重要因素。傳感器選擇不合理，會(huì)使接收到的信號(hào)和實(shí)際的聲發(fā)射信號(hào)有較大差別，直接影響采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)度

10、和數(shù)據(jù)處理結(jié)果。M44傳感器的種類：傳感器的種類：諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射系統(tǒng)中使用最多的，其參數(shù)技術(shù)的基礎(chǔ)歸結(jié)于兩個(gè)基本假設(shè)，即聲波在材料中傳播時(shí)波形和波速都是不變的傳感器的選擇：傳感器的選擇：傳感器的原則應(yīng)根據(jù)被檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)來(lái)確定。首先是了解別檢測(cè)聲發(fā)射的頻率范圍和幅度范圍，然后選擇對(duì)有效聲發(fā)射信號(hào)靈敏的傳感器。傳感器的耦合和安裝傳感器的耦合和安裝 使用耦合劑的目的：首先是填充接觸面之間的微小空隙；其次時(shí)通過(guò)耦合劑的過(guò)渡作用，使傳感器與檢測(cè)面之間的聲阻抗差減小，從而減少能量在此界面的反射損失。另外，還起到潤(rùn)滑的作用，減少接觸面間的摩擦。傳感器的固定方法傳感器的固定方法傳感器的固定方法

11、主要包括機(jī)械固定、粘結(jié)固定和磁吸附固定方式。有些情況下不能將傳感器直接放置在被檢測(cè)對(duì)象的表面，例如高溫、高壓等，需要通過(guò)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)聲連接即通過(guò)波導(dǎo)桿接受聲發(fā)射信號(hào)。波導(dǎo)波導(dǎo) 有些情況下傳感器不能直接放在被測(cè)試對(duì)象的表面如高溫、高壓、低溫表面疏松等，而需要通過(guò)波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲連接。波導(dǎo)桿一端固定在被檢測(cè)對(duì)象表面，另一端面上放置聲發(fā)射傳感器。2、前置放大器、前置放大器傳感器輸出的電壓信號(hào)有時(shí)低至微伏數(shù)量級(jí)，這樣微弱的信號(hào)，若進(jìn)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸，信噪比必然要降低?？拷鼈鞲衅髟O(shè)置前置放大器，將信號(hào)提高到一定程度，再經(jīng)過(guò)電纜傳輸給信號(hào)的處理單元。前置放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是放大倍數(shù)、通頻帶和輸入噪聲電壓。前置放大

12、器也可與傳感器組成一體，即將前置放大器置于傳感器外殼內(nèi)，通常需要設(shè)計(jì)體積小的前置放大器電路3、信號(hào)電纜、信號(hào)電纜從前置放大器到聲發(fā)射檢測(cè)儀主體，往往需要很長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線，通常采用信號(hào)電纜實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。信號(hào)電纜包括同軸電纜、雙絞電纜和光導(dǎo)纖維電纜。同軸電纜一般應(yīng)用不超過(guò)100米；光導(dǎo)纖維電纜一般用于傳輸距離大于100米的聲發(fā)射應(yīng)用；雙絞電纜用于前端數(shù)字化的聲發(fā)射系統(tǒng)。4、多通道聲發(fā)射系統(tǒng)、多通道聲發(fā)射系統(tǒng) PAC公司生產(chǎn)的多通道聲發(fā)射系統(tǒng)一般是由PCI-8卡或PCI-2卡組成的。這兩種卡均采用PCI總線技術(shù)，由先進(jìn)的表面封裝設(shè)備制造的多層、高密度PC卡。PCI-8卡是PAC公司第三代全數(shù)字化系統(tǒng)

13、的核心，在一塊板卡上具有8個(gè)通道的實(shí)時(shí)聲發(fā)射特征參數(shù)提取和波形采集和處理的能力。是PAC公司目前集成化更高、價(jià)格更低的系統(tǒng)，非常適合與壓力容器檢測(cè)、橋梁監(jiān)測(cè)等工程應(yīng)用。PCI-8卡的主要特性卡的主要特性（1）每塊板卡上有8個(gè)通道，具有同時(shí)進(jìn)行特征參數(shù)的提取和波形處理的能力；（2）PCI總線提供聲發(fā)射數(shù)據(jù)與PC機(jī)的傳輸速度可達(dá)132MB/S；（3）4個(gè)高通、4個(gè)低通濾波器可供選擇，可組成13個(gè)濾波段；（4）8個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器；（5）每塊板卡上有兩個(gè)外參數(shù)輸入通道，更新速度可達(dá)到10K/S（6）1-400LKHZ的帶寬PCI-2卡是PAC公司最新研制適用于大學(xué)、研究所等高端聲發(fā)射研究用的高性

14、能、低價(jià)位聲發(fā)射卡，它就有兩個(gè)通道，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)提取和波形處理。該系統(tǒng)具有18位的A/D轉(zhuǎn)換速率、1KHZ-3MHZ的頻率范圍。是最新型的聲發(fā)射研究工具。PCI-2卡的主要特性卡的主要特性（1）低噪音、低功耗，非常適用于實(shí)驗(yàn)室研究。（2）內(nèi)置18位的A/D轉(zhuǎn)換器，更適用于低門檻設(shè)置（3）4個(gè)高通，6個(gè)低通濾波器。（4）采樣率最高可達(dá)40MHZ（5）PCI-2上裝有數(shù)據(jù)流量器，可將聲發(fā)射波形連續(xù)存入硬盤，速度可達(dá)10M/S。（6）每塊板卡上有兩個(gè)外參數(shù)輸入通道，更新速度可達(dá)到10K/S5、檢測(cè)儀器的選擇與校準(zhǔn)、檢測(cè)儀器的選擇與校準(zhǔn)（1）檢測(cè)儀器的選擇在進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)或檢測(cè)前，需要被檢測(cè)對(duì)象

15、和檢測(cè)目的來(lái)選擇檢測(cè)儀器，主要考慮因素如下：被檢測(cè)的材料：被檢測(cè)的材料：聲發(fā)射信號(hào)的頻域、幅度等特性隨材料類型有很大不同，對(duì)不同材料需考慮不同的工作頻率。被檢測(cè)的對(duì)象被檢測(cè)的對(duì)象：被檢測(cè)對(duì)象的大小和形狀、聲發(fā)射源出現(xiàn)的部位和特征的不同，決定選用檢測(cè)儀器的通道數(shù)量。（2）現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)通過(guò)直接在被檢測(cè)構(gòu)建上發(fā)射聲發(fā)射模擬信號(hào)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。靈敏度校準(zhǔn)的目的是確認(rèn)傳感器的耦合質(zhì)量和檢測(cè)電路的連續(xù)性。源定位校準(zhǔn)的目的是確定定位源的唯一性和實(shí)際模擬聲反射源發(fā)射部位的對(duì)應(yīng)性。七、聲發(fā)射源的定位技術(shù)七、聲發(fā)射源的定位技術(shù)當(dāng)用兩個(gè)或多個(gè)傳感器進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí),能夠時(shí)差定位的方法定出聲發(fā)射源的位置，這是

16、聲發(fā)射技術(shù)的基本功能之一。線性定位用于長(zhǎng)的高壓氣瓶及管線；平面定位用于各種立式/臥式容器；球面定位用于球形壓力容器；三維定位用于混凝土結(jié)構(gòu)、巖石、大型變壓器局部放電檢測(cè)。罐底定位用于儲(chǔ)罐底部缺陷定位。1、線性定位原理、線性定位原理當(dāng)被檢測(cè)物體的長(zhǎng)度與半徑之比非常大時(shí)，宜采用線性定位進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，如管道、棒材、鋼梁等。時(shí)差線性定位至少需要兩個(gè)聲發(fā)射探頭，其定位原理如下圖所示。到達(dá)傳感器1的時(shí)間T1=X/V到達(dá)傳感器2的時(shí)間T2=(L-X)/V到大量傳感器的時(shí)差T1-T2=(L-2X)/V2、平面定位原理、平面定位原理利用非線性回歸算法，用3-8各撞擊進(jìn)行定位計(jì)算。傳感器可任意布置，方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。2個(gè)傳感器可確定一條雙曲線，一般現(xiàn)場(chǎng)用3-8個(gè)傳感器進(jìn)行平面定位。3、三位定位、三位定位4、柱面定位、柱面定位它跟2D平面定位類似，在展開(kāi)圖中有X,Y坐標(biāo)。當(dāng)在圓柱上設(shè)置傳感器時(shí)，有一些要點(diǎn)請(qǐng)記住。對(duì)于2D平面，當(dāng)所有的撞擊被在同一條直線的傳感器接受時(shí)，軟件不能進(jìn)行正確的定位?？偟膩?lái)說(shuō)，推薦您在圓柱的每一圈裝3個(gè)傳感器。下圖是傳感器布置對(duì)話框，圓柱定位只適用水平或垂直的結(jié)構(gòu)類型。你需要在Structure下來(lái)菜單中選擇一項(xiàng)結(jié)構(gòu)類型。5、球面定位、球面定位6、罐底定位、罐底定位聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)狀況GB/T12604.4-2005聲發(fā)射檢測(cè)術(shù)語(yǔ)GB/T18182-2