1、聲發射檢測原理 日期：2005-10-012005-10-01 來自：摘自臺灣網站 一、聲發射檢測原理聲發射技術，是一種動態非破壞檢測技術，涉及聲發射源、波的傳播、聲電轉換、信號處理、數據顯示與 紀錄、解釋與評定等基本概念，基本原理如下圖所示。瞥投射技ilj基本原理廣義而言，聲發射是指材料局部因能量的快速釋放而發出瞬態彈性波的現象。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。這種直接與變形和斷裂機制有關的彈性波源，通常稱為典型聲發射源。流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒、磁疇壁運轉等與變形和斷裂機制無直接關系的另一類源，稱為其它或二次 聲發射源。聲發射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超

2、聲頻，可包括數 HzHz 到數 MHz;MHz;其幅度從微觀的位錯轉 動到大規模宏觀斷裂在很大的范圍內變化， 按傳感器的輸出可包括數到數百，不過多數為止能用高靈敏傳 感器才能探測到的微弱振動。用最靈敏的傳感器，可探測到約為表面振動。聲發射源發出的彈性波，經介質傳播到達被檢體表面，引起表面的機械振動。聲發射傳感器將表面的瞬態位移轉換成電信號。聲發射信號在經放大、處理后，其波形和特性參數被紀錄與顯示。最后，經數據的分 析與解釋，評定出聲發射源的特性。跋典Si示聲發射檢測的主要目標是：（1 1）確定聲發射源的部位；（2 2）鑒別聲發射源的類型；（3 3）確定聲發射聲生的時間 和載荷；（4 4）評定聲

3、發射源的重要性。一般而言，對超標聲發射源，要用其它非破壞檢測方法進行局部復檢，已精確確定缺陷的性質與大小。、聲發射技術的特點缺陷；(2)(2)缺陷的信息直接來自缺陷本身，而不是靠外部輸入掃查缺陷。這種差別導致該技術具有以下優點和局限性。1.1.優點(1(1 ) )可檢測對結構安全更為有害的活動性缺陷。能提供缺陷在應力作用下的動態信息，適于評價缺陷對結購的實際有害程度。(2)(2)對大型構件，可提供整體或大范圍的快速檢測。由于不并進行繁雜的掃查操作，而只要布置好足夠數量的傳感器，經一次加載或試驗過程，就可確定缺陷的部位，從而省工、省時、易于提高檢測效率。(3)(3)可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等

4、外部變量而變化的實時或連續信息，因而適用于運行過程在在線監控及早期破壞預測。(4)(4)由于對被檢件的接近要求不高，而適于其它方法難以或不能接近環境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及據毒等環境。(5)(5)于由對構件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其它方法受到限制的形狀復雜的構件。2.2.局限性(1(1 ) )聲發射特性對材料甚為敏感，又易受到機電噪音的干擾，因而對數據的正確解釋要有更為豐富的數據庫和現場檢測經驗。(2)(2)聲發射檢測，需要適當的加載程序且一般僅有一或二次加載檢測的機會。多數情況下，可利用現成的加載條件，但有時還需要特殊準備。(3)(3)聲發射檢測所發現缺陷的定性定量，能需

5、依賴于其它非破壞檢測方法。由于上述特點，現階段聲發射技術主要用于：(1)(1)其它方法難以或不能適用的環境與對象；(2)(2)重要構件的綜合評價；(3)(3)與安全性和經濟性關系重大的對象。因此，聲發射技術不適替代傳統的方法，而是一種新的補充手段。三、影響聲發射特性的因素聲發射來自材料的變形與斷裂機制，因而所有影響變形與斷裂機制的因素均構成影響聲發射特性的因素，主要包括：1.1.材料，包括成分、組織、結構，例如進屬材料中的晶格類型、晶粒尺寸、夾雜、第二相、缺陷，復合材料中的基材、增強劑、界面、纖維方向、殘余應力等。與其它非破壞檢測相比，聲發射技術具有兩個基本差別:(1)(1)檢測動態缺陷，如缺

6、陷擴展，而不是檢測靜態2.2.試件，包括尺寸與形狀。3.3.應力，包括應力狀態、應變率、受載歷史。4.4.環境，包括溫度、腐蝕介質 這些因素對合理選擇檢測條件、正確解釋檢測結果，均為需要考慮的基本問題。1.1.凱塞效應材料的受載歷史，對重復加載聲發射特性有重要影響。重復載荷到達原先所加最大載荷以前不發生明顯聲發射，這種聲發射不可逆性質稱為凱塞效應。多數金屬材料中，可觀察到明顯的凱塞效應。但是重復加載 前，如產生新裂紋或其它可逆聲發射機制，則凱塞效應會消失。凱塞效應在聲發射技術中有著重要用途，包括：（1 1）在役構件新生裂紋的定期過載聲發射檢測；（2 2）巖體等原先所受最大應力的推定；（3 3）

7、疲勞裂紋起始與擴展聲發射檢測；（4 4）通過預載措施消除加載銷孔的噪音干擾；（5 5）加載過程中常見的可逆性摩擦噪音的鑒別。2.2.費利西蒂效應和費力西蒂比材料重復加載時，重復載荷到達原先所加最大載荷前發生明顯聲發射的現象稱為費利西蒂效應，也可認為 是反凱塞效應。重復加載時的聲發射起始載荷 （）對原先所加最大載荷（）之比（），稱為費利西蒂比。費利西蒂比做唯一種定量參數，較好地反應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。費利西蒂比大于1 1 表示凱塞效應成立，而小于 1 1 則表示不成立。在一些復合材料構件中，費利西蒂比/J/J、于 0.950.95 常作為聲發

8、射超標的重要判據。四、檢測設備1.1.聲發射傳感器（1 1 ）傳感器工作原理某些晶體受力產生變形時，其表面出現電荷，而在電場的作用下，芯片又會發生彈性變形，這種現象稱為壓電效應。常用聲發射傳感器的工作原理，基于晶體組件的壓電效應，將聲發射波所引起的被檢件表面振 動轉換成電壓信號，供于信號處理。壓電材料多為非金屬介晶體管，包括：錯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鑰等多晶體和憲酸鋰、碘酸鋰、硫酸鋰等單晶體。其中錯鈦酸鉛（）（）接收靈敏度高，式聲發射傳感器常用壓電材料。憲酸鋰晶體居里點高達12001200 C,C,常用作高溫傳感器。傳感器的特性包括：頻響寬度、諧振頻率、幅度靈敏度，取決于許多因素，包括：（1 1

9、）晶體的形狀、尺寸及其彈性和壓電常數；（2 2）芯片的阻尼塊及殼體中安裝方式；（3 3）傳感器的耦合、安裝及試件的聲學特性。（2 2）類型與選擇傳感器屬檢測系統的關鍵部位，其響應多敏感于表面振動的垂直位移，包括：位移、位移速度、位移加速 度，這主要取決于傳感器的頻率響應和靈敏度特性。傳感器可分為壓電型、電容型和光學型。其中，常用的壓電型有可分為：諧振式 式、錐型式、高溫式、微型、前放內置式、潛水式、定向式、空氣耦合式和可轉動式，其主要類型、特點和適用范圍如下表所示遭用鮑度1里端言皆振傅感器言皆振垣率要位於內，典型雁用舄150kHz，主要取泱遂晶片的厚度敏感於位移速BE.奔雁垣帶截波形畸夔大但蜜

10、敏度高操作 筒便、值格便宜，遮族犬星宮癌揄測大多額材科研充和商件的非破壤推浬1敏用感器卷蜓率輸舄IDOlOOkHz ,職泱於晶片的尺寸和 結橫哉th霜敏度低於言曾振博感瓣,幅特性不甚 理想，重操作筒便，遮於多敷竟:演帶揄演1步且分析、波形分析等信 哉型或噪音的造刖篋型傅感器10D1500kHz肉爭宜率影害平坦.蜜廁度高於竟：步身 帶傍感器-探用微型晶片和大彼浦結橫，尺寸大， 操作不便，逾於位移測量賴揄測源波形分析、握分祈-也可作舄傅感器校率的二差勃僖感器雨佃里雷晶片的正菖楝差接血成， 帖出差勵信簇. 典矍端式相比，震敏度藪低，但封共模置干損信髓 有好的抑制能力，遮恭強零磁噪音勇境-強重磁干提堪

11、境下可替 代罩端式傅感器高溫傅感器探用居里鴕溫度高的晶片，如罪酸鯉晶片。使用溫 度可謹540免高溫勇境下的橙測如在現反磨容器雷容僖感器一稚直流偏置的靜重是位道僖感器.直到3MHz,垣率香雁平坦、物理意曩明碓，遒麓表面法像位移 的定量量測，但操作不便，震敏度酎低，的舄bdfjJ畫於特殊慝用濾波形定量分析或倍感器射宜敏度螂點光學僖感器屈激光干涉酎量的一稚鷹用，直到20MHz,率餐 雁平坦垂具有非接躅、黏測量等特站，魂於表面 垂直位移的定量測量，但操作不便、靛度低，的1x10-*，通於特殊廊用侵用於震翳室定量分析 也可作舄摩率位移傅感器此部分內容只有注冊會員才能看到六、檢測系統選擇1.1.檢測對象與

12、目的(1)(1) 被檢材料：聲發射信號的頻域、幅度、頻度特性隨材料類型有很大不同，例如，金屬材料的頻域約為數 kHzkHz 至數 MHzMHz，復合材料約為數 kHzkHz 至數百 kHzkHz，巖石和混凝土約為數百 HzHz 至數百 kHzkHz。對不同材 料須考慮不同的工作頻率(單端和差動式)、寬帶帶(2)(2)檢測對象：對試驗室材料試驗、現場構件檢測、各類工業過程監視等不同的檢測，需選擇不同類型 的系統，例如，對實驗室研究，多選用通用形；對大型構件，采用多通道形；對過程監視，選用專用形。(3)(3)所需信息類型：根據所需信息類型和分析方法，需要考慮檢測系統的性能與功能，如信號參數、波 形

13、紀錄、原定位、信號鑒別、及實時或事后分析與顯示等。2.2.影響選擇的因素選擇檢測系統時需要考慮的主要因素如下表所示。性能及功能影奔因素工作率材料垣域、傅播衰減、橫械噪音傅感器霸型戔白窖、適敏度、使用溫度.璋境、尺寸通道敕被捻足寸疫僖嗷衰酒源定位不定位、甚域定位、畤差定位信費擎數速信費典夾程信斐參致、波形籍臻瞄分析朋示定位，、睡位、燎 分部等園表的即畤成事檀示噪音鏗刖空周浦波、特姓警敷浦波、外燮量浦波成耳前端典攀德濾波存iSB熟握量-包括波形稅敷坡浦高型度姿粉射、強噪音、多通道多套費1、即畤分析七、聲發射檢測應用1.1. 材料表征應用聲發射作為實驗室材料研究的工具已有較長的應用歷史。通過對材料表

14、征實驗過程的聲發射監視，建立聲發射、微觀機制、力學特性之間的關系，通常同時達到兩個目的：(1)(1)分析和評價變形、 斷裂機制與力學行 為； (2)(2)為構件的非破壞評價建立廣泛的聲發射特性數據庫。主要應用范圍如下表所示主要庶用塑性建形位第贛協滑移竇珍竇晶 燮形、夾裂典分蘸材料中，提供封雁力一雁襄曲的碧第射影 馨國形，用於分析塑性竇形榛布火行舄及材料因 素的影客，sfeJL塞效謎及最大雁力庭史斷裂力擘IS髓斷裂力擘就髓晰裂勤度IS髓中，用於起裂站測量也君橫件非 破壤揄測建立材料馨努射特性敷擒犀痕罷髓裂釵的起蛤摩展及合橫 制疲碧霞皤&即畤提供疲箸娜通程的畤序特 徵用於螳月疲罷捐借的起原

15、犒定撬屐陜速 *展等不同陪段，有畤諼用來言平估裂稅擄展速率勇境裂粒雁方腐翩輿活脆裂皎荏鹿方腐裁脆就感性霞翳中即畤提供黃境 起始典擄展遇程的畤序特鋤用來鏗別裂稅的起始 潛伏、快速擒展等不同的喈段，有畤遢 估裂展速率相實晶格相燮在晶格像實酷中， 用來測定啟式傲例竇黠M#或奧式髓斡燮星占As,皿可作福研究成核慢制 求出成痛速度的手段崔合材料if裂!蜩裂界面分雄基材分裂屑冏分雕*材料表徽中，用恭揖俺起星&刺除強.度、 揖但的型和糜史、缺陷和曾量等的值其他蠕復、腐育如殛蹤雁力、脆性鶉夔、耳他材料2.2.結構件應用范圍壓力容器、貯箱、管道等構件的結構完整性評價，是生發射技術的主要應用領域，可分為制品的驗收檢測、定期檢測和運轉過程中連續監視，其適用范圍如下表所示。徐測信息勵i收揄測材料缺陷，包括：焊接 映陀及