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声发射检测技术
发布时间:2016-11-29

声发射的概念

  材(cai)料(liao)中局域(yu)源快速(su)释放能量产(chan)生瞬态(tai)弹(dan)性波(bo)(bo)的(de)现象称为(wei)声发(fa)(fa)射(she)(she)(Acoustic Emission, 简(jian)称AE) ,有(you)时也称为(wei)应力波(bo)(bo)发(fa)(fa)射(she)(she)。材(cai)料(liao)在应力作用下(xia)的(de)变形与裂(lie)纹扩(kuo)展,是(shi)结构失效的(de)重(zhong)要机制。这种直(zhi)接与变形和断(duan)裂(lie)机制有(you)关的(de)源,被称为(wei)声发(fa)(fa)射(she)(she)源。近年来(lai),流体泄漏(lou)、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断(duan)裂(lie)机制无直(zhi)接关系的(de)另一(yi)类(lei)弹(dan)性波(bo)(bo)源,被称为(wei)其(qi)它或(huo)二次声发(fa)(fa)射(she)(she)源。

  声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)是(shi)一种(zhong)常见(jian)的(de)(de)(de)(de)物理(li)现(xian)象,各种(zhong)材(cai)料(liao)声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)信(xin)号(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)频(pin)率(lv)范围(wei)很(hen)宽(kuan),从几Hz的(de)(de)(de)(de)次声(sheng)频(pin)、20 Hz~20K Hz的(de)(de)(de)(de)声(sheng)频(pin)到数MHz的(de)(de)(de)(de)超声(sheng)频(pin);声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)信(xin)号(hao)(hao)幅度的(de)(de)(de)(de)变化范围(wei)也很(hen)大(da),从10-13m的(de)(de)(de)(de)微观(guan)位错运(yun)动到1m量级的(de)(de)(de)(de)地(di)震波。如果声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)释放(fang)的(de)(de)(de)(de)应变能(neng)(neng)足够大(da),就可(ke)产生(sheng)人(ren)耳(er)听得见(jian)的(de)(de)(de)(de)声(sheng)音。大(da)多(duo)数材(cai)料(liao)变形和(he)断裂时有声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)发(fa)(fa)生(sheng),但许多(duo)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)信(xin)号(hao)(hao)强度很(hen)弱(ruo),人(ren)耳(er)不能(neng)(neng)直接听见(jian),需要藉助(zhu)灵敏(min)的(de)(de)(de)(de)电子仪(yi)器(qi)才能(neng)(neng)检测出来。用仪(yi)器(qi)探测、记录(lu)、分析声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)信(xin)号(hao)(hao)和(he)利用声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)信(xin)号(hao)(hao)推断声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)源的(de)(de)(de)(de)技术(shu)(shu)称(cheng)为(wei)声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)技术(shu)(shu),人(ren)们(men)将声(sheng)发(fa)(fa)射(she)(she)仪(yi)器(qi)形象地(di)称(cheng)为(wei)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)听诊器(qi)。

 

声发射技术发展概述

  声(sheng)(sheng)发射(she)和(he)微(wei)震动都是自(zi)然界中(zhong)随时发生(sheng)的自(zi)然现象(xiang),尽管无(wu)法考证人(ren)们(men)何时首次听(ting)到声(sheng)(sheng)发射(she),但逐如折(zhe)断树技、岩石破碎和(he)折(zhe)断骨头等(deng)的断裂过(guo)程无(wu)疑是人(ren)们(men)最(zui)早听(ting)到的声(sheng)(sheng)发射(she)信号。可以十(shi)分(fen)肯(ken)定地推断“锡(xi)呜”是人(ren)们(men)首次观察到的金属中(zhong)的声(sheng)(sheng)发射(she)现象(xiang),因为纯(chun)锡(xi)在塑性(xing)形变(bian)期间(jian)机(ji)械栾(luan)晶产(chan)生(sheng)可听(ting)得到的声(sheng)(sheng)发射(she),而铜和(he)锡(xi)的冶炼可追朔到公元前(qian)3700年。

  现(xian)代的声(sheng)(sheng)发(fa)射技术的开始以Kaiser五十年代初在德(de)国所作的研究工作为标志。他观察到铜(tong)(tong)、锌(xin)、铝、铅(qian)、锡、黄铜(tong)(tong)、铸(zhu)铁和钢等金属和合金在形(xing)(xing)变过程中都(dou)有声(sheng)(sheng)发(fa)射现(xian)象。他最有意义的发(fa)现(xian)是(shi)材料(liao)形(xing)(xing)变声(sheng)(sheng)发(fa)射的不可逆效应(ying)(ying)即:“材料(liao)被重新加(jia)载期间,在应(ying)(ying)力值达(da)到上(shang)次加(jia)载最大应(ying)(ying)力之前不产生声(sheng)(sheng)发(fa)射信号(hao)”。现(xian)在人们(men)称(cheng)材料(liao)的这种不可逆现(xian)象为“Kaiser效应(ying)(ying)”。Kaiser同时提出(chu)了连续型和突发(fa)型声(sheng)(sheng)发(fa)射信号(hao)的概念。

  二十(shi)世纪五十(shi)年代(dai)末,美国人Schofield和(he)Tatro经大量研(yan)究发现金属塑性形(xing)变(bian)的(de)声发射(she)主要由大量位错的(de)运(yun)动所引起(qi)[5], 而(er)(er)且还得到一个(ge)重要的(de)结论, 即(ji)声发射(she)主要是(shi)体积效应(ying)(ying)而(er)(er)不(bu)是(shi)表(biao)面效应(ying)(ying)。Tatro进行(xing)了导(dao)致声发射(she)现象(xiang)的(de)物理(li)机制方面的(de)研(yan)究工(gong)作, 首次提出声发射(she)可以(yi)作为(wei)研(yan)究工(gong)程材(cai)料行(xing)为(wei)疑难问题的(de)工(gong)具, 并预言声发射(she)在无(wu)损检(jian)测(ce)方面具有独特的(de)潜在优势。

  二十世纪六(liu)十年(nian)代(dai)(dai)初,Green等人(ren)首(shou)先(xian)开(kai)始了(le)声(sheng)发(fa)(fa)(fa)射(she)(she)技(ji)术在(zai)无(wu)损(sun)(sun)检测(ce)领(ling)域方面(mian)的(de)(de)应(ying)用, Dunegan首(shou)次(ci)将(jiang)声(sheng)发(fa)(fa)(fa)射(she)(she)技(ji)术应(ying)用于压力容器方面(mian)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)。在(zai)整个(ge)六(liu)十年(nian)代(dai)(dai), 美国(guo)和日本(ben)开(kai)始广泛地进行声(sheng)发(fa)(fa)(fa)射(she)(she)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)工作, 人(ren)们除开(kai)展声(sheng)发(fa)(fa)(fa)射(she)(she)现象的(de)(de)基础(chu)研(yan)究(jiu)(jiu)外, 还将(jiang)这(zhei)一技(ji)术应(ying)用于材(cai)料工程和无(wu)损(sun)(sun)检测(ce)领(ling)域。美国(guo)于1967年(nian)成(cheng)立了(le)声(sheng)发(fa)(fa)(fa)射(she)(she)工作组,日本(ben)于1969年(nian)成(cheng)立了(le)声(sheng)发(fa)(fa)(fa)射(she)(she)协会。

  二十世纪(ji)七十年代初, Dunegan等(deng)人于开(kai)展(zhan)了现代声发(fa)射(she)仪器的(de)(de)研(yan)制,他(ta)们把(ba)实验频(pin)率提高到100KHz-1MHz的(de)(de)范围内, 这是声发(fa)射(she)实验技术(shu)的(de)(de)重大进展(zhan), 现代声发(fa)射(she)仪器的(de)(de)研(yan)制成功为(wei)声发(fa)射(she)技术(shu)从实验室的(de)(de)材料研(yan)究阶段走向在生产(chan)现场用于监视大型构(gou)件的(de)(de)结构(gou)完(wan)整性创造了条(tiao)件。

  随(sui)着现(xian)代声发(fa)射(she)(she)仪器(qi)的(de)出现(xian),整个(ge)七十(shi)年(nian)代和八十(shi)年(nian)代初(chu)人(ren)们(men)从声发(fa)射(she)(she)源机制、波的(de)传播到声发(fa)射(she)(she)信号分析方面开展了广(guang)泛(fan)和系统的(de)深入研(yan)究工作。在生产现(xian)场也得到了广(guang)泛(fan)的(de)应(ying)用,尤其在化工容器(qi)、核容器(qi)和焊接过程的(de)控制方面取得了成功。Drouillard于1979年(nian)统计出版了1979年(nian)以(yi)前世(shi)界上(shang)发(fa)表的(de)声发(fa)射(she)(she)论(lun)文(wen)目录, 据他(ta)的(de)统计, 到1986年(nian)底(di)世(shi)界上(shang)发(fa)表有关(guan)声发(fa)射(she)(she)的(de)论(lun)文(wen)总数(shu)已超过5000篇。

  二(er)十世(shi)纪八(ba)十年(nian)代初,美(mei)国(guo)PAC公司将现代微处(chu)理计(ji)算机技术(shu)引入声(sheng)(sheng)发(fa)(fa)射检测(ce)(ce)系统, 设计(ji)出了体积和(he)(he)(he)重(zhong)量较小的第二(er)代源(yuan)(yuan)定位声(sheng)(sheng)发(fa)(fa)射检测(ce)(ce)仪(yi)器, 并(bing)开发(fa)(fa)了一系列多功(gong)能(neng)高级检测(ce)(ce)和(he)(he)(he)数据(ju)分析(xi)(xi)软(ruan)件(jian), 通过微处(chu)理计(ji)算机控制, 可以对(dui)被检测(ce)(ce)构件(jian)进行(xing)实时声(sheng)(sheng)发(fa)(fa)射源(yuan)(yuan)定位监测(ce)(ce)和(he)(he)(he)数据(ju)分析(xi)(xi)显示(shi)。由于(yu)第二(er)代声(sheng)(sheng)发(fa)(fa)射仪(yi)器体积和(he)(he)(he)重(zhong)量小易携带,从(cong)(cong)而(er)推动了八(ba)十年(nian)代声(sheng)(sheng)发(fa)(fa)射技术(shu)进行(xing)现场(chang)检测(ce)(ce)的广泛应用(yong),另一方面,由于(yu)采用(yong)286及更(geng)高级的微处(chu)理机和(he)(he)(he)多功(gong)能(neng)检测(ce)(ce)分析(xi)(xi)软(ruan)件(jian),仪(yi)器采集和(he)(he)(he)处(chu)理声(sheng)(sheng)发(fa)(fa)射信(xin)号的速度大(da)幅度提高,仪(yi)器的信(xin)息存(cun)储量巨大(da),从(cong)(cong)而(er)提高了声(sheng)(sheng)发(fa)(fa)射检测(ce)(ce)技术(shu)的声(sheng)(sheng)发(fa)(fa)射源(yuan)(yuan)定位功(gong)能(neng)和(he)(he)(he)缺陷(xian)检测(ce)(ce)准确率。

  进入九十年代,美国PAC公司(si)、美国DW公司(si)、德国Vallen Systeme公司(si)和(he)我国的(de)声(sheng)华兴业科技有(you)限公司(si)先后分(fen)(fen)别开发(fa)生产了计算(suan)机化(hua)程度更高、体积和(he)重量更小的(de)第三代数(shu)(shu)字化(hua)多(duo)通道声(sheng)发(fa)射(she)检测分(fen)(fen)析系统,这些(xie)系统除能进行(xing)声(sheng)发(fa)射(she)参数(shu)(shu)实时测量和(he)声(sheng)发(fa)射(she)源(yuan)定位外,还可直接进行(xing)声(sheng)发(fa)射(she)波形的(de)观察、显示、记录和(he)频(pin)谱分(fen)(fen)析。

  我(wo)国于二十(shi)世(shi)纪七十(shi)年(nian)代(dai)初首先开(kai)展(zhan)了(le)金(jin)属和复合材料的(de)(de)声发射(she)(she)特性(xing)研究,八十(shi)年(nian)代(dai)中期声发射(she)(she)技术(shu)在(zai)压力容器(qi)和金(jin)属结构的(de)(de)检测方面得到(dao)应(ying)用。发射(she)(she)检测仪(yi)已(yi)在(zai)制造、信号处理、金(jin)属材料、复合材料、磁声发射(she)(she)、岩石、过程监测、压力容器(qi)、飞(fei)机等(deng)领域开(kai)展(zhan)了(le)广泛(fan)的(de)(de)应(ying)用。

我(wo)国于1978年(nian)在中国无损检测学会(hui)成立(li)了(le)声发(fa)射(she)专(zhuan)业专(zhuan)业大会(hui),并(bing)于1979年(nian)在黄(huang)山召(zhao)开了(le)第一(yi)届全国声发(fa)射(she)学术(shu)会(hui)议,近年(nian)来已(yi)固定每两年(nian)召(zhao)开一(yi)次学术(shu)会(hui)议,到目前为止已(yi)召(zhao)开了(le)十一(yi)届。

 

声发射基本检测原理

    从声发射源发射的(de)(de)(de)弹性波最(zui)终传(chuan)播到达材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)表面,引起(qi)可以用声发射传(chuan)感器探测(ce)(ce)的(de)(de)(de)表面位(wei)移,这些探测(ce)(ce)器将材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)机械振动(dong)转(zhuan)换为电信号(hao)(hao)(hao),然后再(zai)被放大、处(chu)理和记(ji)录。固体材(cai)料(liao)中(zhong)内应力(li)(li)的(de)(de)(de)变化产生声发射信号(hao)(hao)(hao), 在(zai)材(cai)料(liao)加工、处(chu)理和使用过程中(zhong)有(you)很多(duo)因素能引起(qi)内应力(li)(li)的(de)(de)(de)变化,如位(wei)错运动(dong)、孪生、裂纹萌(meng)生与扩(kuo)展、断裂、无扩(kuo)散型相(xiang)变、磁畴壁运动(dong)、热(re)胀冷缩、外加负荷的(de)(de)(de)变化等(deng)等(deng)。人们根据(ju)观察到的(de)(de)(de)声发射信号(hao)(hao)(hao)进行(xing)分析与推(tui)断以了解(jie)材(cai)料(liao)产生声发射的(de)(de)(de)机制。

  声发射(she)检(jian)测的主要目的是:①确定声发射(she)源的部位;②分析声发射(she)源的性质(zhi)(zhi);③确定声发射(she)发生的时间(jian)或载荷;④评定声发射(she)源的严重性。一(yi)般而(er)言,对超标(biao)声发射(she)源,要用其它(ta)无损(sun)检(jian)测方法进行局部复检(jian),以精确确定缺陷的性质(zhi)(zhi)与大小。

 

声发射技术的特点

  声发射(she)检测(ce)方法在许多(duo)方面(mian)不同于其(qi)它常(chang)规无损检测(ce)方法,其(qi)优点主要表现为:

  (1) 声发(fa)射(she)(she)是(shi)一种动(dong)态检验方法,声发(fa)射(she)(she)探(tan)测到的(de)能量来(lai)自被测试(shi)物体本身,而不是(shi)象(xiang)超声或射(she)(she)线探(tan)伤方法一样(yang)由无(wu)损检测仪器提供(gong);

  (2) 声(sheng)发射检测方法对线性缺(que)(que)陷(xian)较为敏感,它能探(tan)测到在(zai)外(wai)加结构应力下(xia)这些缺(que)(que)陷(xian)的(de)活动情况,稳定的(de)缺(que)(que)陷(xian)不(bu)产生声(sheng)发射信号(hao);

  (3) 在(zai)一次试验(yan)(yan)过程中,声发射检验(yan)(yan)能够(gou)整体探测和评价整个结构中缺(que)陷的状(zhuang)态;

  (4) 可提供缺陷随载荷、时(shi)间、温度(du)等外变(bian)量而变(bian)化的实(shi)时(shi)或连续信(xin)息,因而适用(yong)于工(gong)业过程在(zai)线监控(kong)及早期或临近破(po)坏预报(bao);

  (5) 由(you)于(yu)对(dui)被检件的(de)(de)接近要求不高(gao)(gao),而适于(yu)其它方法(fa)难于(yu)或不能接近环境下的(de)(de)检测,如高(gao)(gao)低温、核(he)辐射、易燃、易爆(bao)及极毒等(deng)环境;

  (6) 对于(yu)在役压力(li)容器的定期检(jian)验(yan),声发射检(jian)验(yan)方法可以缩短检(jian)验(yan)的停(ting)产时(shi)间或者不需要(yao)停(ting)产;

  (7) 对于压力容器(qi)的耐压试验,声发射检验方法(fa)可以预防由(you)未(wei)知不连续缺(que)陷引起系统(tong)的灾难性失(shi)效(xiao)和限定系统(tong)的最高工作压力;

  (8) 由于对构(gou)件的(de)(de)几何形(xing)状(zhuang)不敏感,而适于检测其它方(fang)法受到(dao)限制的(de)(de)形(xing)状(zhuang)复杂的(de)(de)构(gou)件。

  由(you)于声发射(she)检测是一种动(dong)态检测方法,而且探测的是机(ji)械(xie)波,因此具有如下的特点(dian):

  (1) 声(sheng)发射(she)特(te)性对(dui)材料甚为敏(min)感(gan),又易受(shou)到机电(dian)噪声(sheng)的(de)干扰,因而,对(dui)数据(ju)的(de)正(zheng)确解释要(yao)有更(geng)为丰富的(de)数据(ju)库和现(xian)场检测经验;

  (2) 声发(fa)射检(jian)测,一般需要(yao)适当(dang)的加(jia)载程序。多数情况(kuang)下(xia),可利用现(xian)成(cheng)的加(jia)载条件,但(dan)有时,还需要(yao)特作(zuo)准备(bei);

  (3) 声(sheng)发(fa)射(she)(she)检测目(mu)前只能给出声(sheng)发(fa)射(she)(she)源的(de)部(bu)位、活(huo)性(xing)和强(qiang)度,不能给出声(sheng)发(fa)射(she)(she)源内缺(que)陷的(de)性(xing)质和大小,仍需(xu)依赖于其(qi)它无损(sun)检测方法进(jin)行复验。


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朱一龙
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