1、聲發射檢測一、聲發射檢測原理二、聲發射的特點三、聲發射技術及其所涉及的儀器四、聲發射技術的應用五、壓力管道泄露的聲發射檢測實驗 研究聲發射檢測 Acoustic Emission Testing 簡稱 AE一、 聲發射檢測的原理 材料或結構受外力和內力作用產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現象稱為聲發射。發射彈性波的位置（缺陷）稱為聲發射源。聲發射是一種常見的物理現象，如果釋放的應變能足夠大，就可產生人耳聽得見的聲音。大多數金屬材料塑性變形和斷裂時有聲發射發生，但許多金屬材料的聲及射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。 用儀器檢測、記錄、分析聲發射信號和

2、利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術，所采用的儀器成為聲發射儀 。 各種材料的聲發射的頻率很寬，從次聲波，到超聲波。聲發射傳感器檢測的信號通常為中心頻率為300KHz的超聲波信號。 人們將聲發射儀器形象地稱為材料的聽診器。如果裂紋等缺陷處于靜止狀態，沒有變化和擴展，就沒有聲發射發生，也就不能實現聲發射檢測。聲發射檢測的這一特點使其區別于超聲、X射線、渦流等其它常規無損檢測方法。 由于聲發射檢測是一種動態無損檢測方法，而且，聲發射信號來自缺陷本身，因此，用聲發射法可以判斷缺陷的嚴重性。一個同樣大小、同樣性質的缺陷，當它所處的位置和所受的應力狀態不同時，對結構的損傷程度也不同，所以它的聲

3、發射特征也有差別。明確了來自缺陷的聲發射信號，就可以長期連續地監視缺陷的安全性長期連續地監視缺陷的安全性，這是其它無損檢測方法難以實現的。 除極少材料外，金屬和非金屬材料在一定條件下都有聲發射發生，所以，聲發射檢測幾乎不受材料的限制。利用多通道聲發射裝置，可以對缺陷進行準確的定位。聲發射檢測的這一特點對大型結構如球罐等檢測特別方便。 在利用聲發射技術確定缺陷部位后，還可以利用其它無損檢測方法加以驗證。當然隨著信號處理水平的提高，根據信號本身的特征，也可以對缺陷的性質和嚴重程度進行識別。由于聲發射技術具有許多獨特的優點，近年來有許多科學家和工程技術人員致力于發展和應用該項技術。 二、聲發射的特點

4、a 能夠檢測出活動的缺陷，即材料的斷裂和裂紋的擴展，從 而為使用安全性評價提供依據； b 可遠距離操作，長期監控設備允許狀態和缺陷擴展情況； c 無法探測靜態缺陷； d 設備價格昂貴； f 聲發射檢測完成后，一般需要常規無損檢測方法（UT） 復驗。 e 檢測過程中干擾因素較多；很多情況伴隨有各種干擾噪聲信號，如機械摩擦及異物撞擊等。從噪聲中提取或識別感興趣的信號是聲發射的核心。三、聲發射檢測技術與儀器 （1）聲發射技術 聲發射源定性問題涉及到AE源信號，包括AE特征量和AE波形的獲取，AE波形含有大量的聲發射信息，如利用當今先進的計算機、信號處理技術對AE波形進行分析處理，就給較準確的分析AE

5、源性質提高了可能。傳統的聲發射技術對聲源特征和識別沒有采用合適的手段去充分研究，也就無法實現對缺陷的定性分析。定量的方法也只是對提取的少量參數進行統計分析。 因此，為了更加準確的對檢測對象進行定位、定量、定性分析，更加準確的對檢測對象進行無損評價，具有大吞吐量獲取AE波形數據、靈活布置傳感器進行源位的多通道全波形聲發射準實時檢測系統應運而生。 數字信號處理（DSP）和計算機技術的迅速發展導致全數字式聲發射儀的問世，這給瞬態波形分析的研究創造了條件并使其實際應用成為可能。通過對聲發射信號的全部采集，這樣就不會丟失有用的信息，而且從整個波形信號的細節可以運用現代信號分析手段進行處理，達到對缺陷定量

6、、定性、定位的目的。 波形分析是指通過分析AE信號的時域波形或頻譜特征來獲取信息的一種信號處理方法。理論上講，波形分析應當能給出任何所需的信息，因而也是最精確的方法，并可導致對AE的定量了解。 從所記錄的AE波形，人們可以很容易地獲得信號的頻譜和相關函數等特性，并可同時得到任何感興趣的參數。可以肯定，對設備材料的檢驗，波形分析技術可能會對識別聲發射源及提高源定位精度有較大作用。 隨著數字技術和計算機技術的迅速發展，研制高性能全波采集的聲發射儀成為可能。其原理是，聲發射信號經高靈敏度傳感器接收后，經過全波列數字采集變為數字信號，再進行數字信號處理，最后把信號輸入計算機通過軟件設計，對檢測缺陷進行

7、定位和定量。 （2）聲發射所涉及的設備 1 傳感器（換能器、探頭） 傳感器就是用來把聲發射產生的彈性波信號接收下來并轉換成電信號輸出到前置放大器在輸出到主放大器然后又采集卡采集后進入計算機。 聲發射檢測中，要求傳感器為寬頻帶的前置放大器內置式的共振型高靈敏傳感器，主響應頻率為150KHz；前置放大器增益為40dB，濾波器帶通為100300KHz。 2 前置放大器 聲發射信號經換能器轉換成電信號后，其輸出低至十幾微伏。這樣微弱的信號若經過長電纜輸送，可能衰減到無法分辨出信號和噪聲。設置前置放大器的目的是為了增大信噪比，增加微弱信號的抗干擾能力。 3 主放大器 電信號經前置放大器和電纜長途傳播后進

8、入主放大器進一步放大到適合PCI數據采集卡的幅值大小。 4 PCI數據采集卡 電信號（模擬信號）經采集卡數字化后，通過采樣進入計算機，供分析，計算，轉換和存儲。 5 軟件系統 對采集的數據進行分析，計算，波型重組，聲發射源定位，缺陷識別等。四、 聲發射技術的應用 現代聲發射儀除了能進行聲發射參數實時測量和聲發射源定位外，還可直接進行聲發射波形的觀察、顯示、記錄和頻譜分析。 目前人們已將聲發射技術應用于許多領域，主要包括以下方面：（1）金屬結構： 對壓力容器、金屬橋梁、起重機臂、鐵 軌和飛機骨架等金屬結構進行無損檢測和安全評定（2）巖石：研究巖石的受力和破壞特性，對巖石塌方進 行預測預報；（3）

9、水泥混凝土：研究水泥及鋼筋混凝土的受力和破壞 特性，評價橋梁和建筑物等大型混凝土構件的承載能力和壽命；（4）金屬材料：研究金屬材料的塑性變形、斷裂和相變機制； （5）復合材料：研究和測量復合材料內基體和纖維的斷裂、脫開、分層和整體失效等；（6）磁性材料：通過測量磁聲發射的信號，研究磁性材料的某些特性；（7）陶瓷材料：研究陶瓷材料的受力和破壞特性，對陶瓷材料進行無損評估；（8）核工業領域：對核容器和管道的泄漏進行監測，對 核壓力容器進行無損檢測和安全評定；（9）焊接過程控制：通過實時監測焊接過程中金屬冷卻 產生的聲發射信號來控制焊接質量；（10）機械加工：通過探測機械加工過程中產生的聲發 射信號

10、，監測刀具的磨損情況；（11）機械診斷：通過監測機器在運轉過程中產生的聲發射信號 ，診斷機器軸承的磨損情況。（12）醫學領域：研究骨頭的摩擦|受力和破壞特性，無 損檢測和評價骨關節的狀況。 五、壓力管道泄露的聲發射檢測實驗研究 管道作為現行五大運輸工具之一，在運送液體、氣體、漿液等方面具有特殊的優勢，然而管道經長期使 用，常常發生泄漏事故，以自來水管道為例，據統汁世界各大城市自來水的損失率在20左右。使用常規無損檢測方法（如超聲、漏磁檢測爬機等）對管道泄漏檢測有著眾多的優勢，但都存在一個嚴重的不足：檢測過程為逐點掃描，因此不可能有效地用于成千上萬km的管道檢測而聲發射作為一種動態 無損檢測力法

11、，對于壓力管道的泄漏檢測具有潛在的特殊效果，因此對于壓力管道泄漏的聲發射實驗研究 具有重要的意義。1、壓力管道泄露聲發射檢測實驗系統 嚴格地講，壓力管道或容器等泄漏所激發的應力波并不是聲發射現象，因為在泄漏過程中，管壁只是 波導，本身不釋放能量，但由于泄漏點液體泄漏同樣也會在管道中激發出應力波，通過該應力波可以描述材料結構上的某種狀況，所以從這個意義上講，也可以認為是一種聲發射現象。 壓力管道泄漏所激發的聲發射現象是個非常復雜的問題，涉及到諸多因素，如：泄漏孔徑大小、形狀 及液體壓力、湍流、固液耦合等因此，要建證一套完備的數學物理模型來描述問題的各個方面幾乎不可能。根據實際問題特點，建立壓力管

12、道泄漏聲發射檢測簡化實驗模型如圖所示壓力管道泄漏的聲發射檢測實驗系統主要包括：壓力管道泄漏實驗模型、PCI -DSP聲發射數字采集板(PAC)、聲發射傳感器 (PAC Rl 5)、前置放大器(PAC 1220A)、濾波器等 2、實驗結果分析 通過壓力管道泄漏的聲發射檢測實驗研究，能夠定性判斷是否有泄漏的發生以及泄漏信號隨壓力、泄漏孔徑大小，傳感器取向、距離變化的關系。（1）通過對聲發射傳感器接收到信號的頻譜分析 可以判斷是否有泄漏發生圖3(a)、3(b)分別為有、無泄漏隋況下，聲發射傳感器接收到的波形和頻譜 從頻譜圖可以明顯推斷是否有泄漏的發生以及泄漏聲發射信號的頻帶范圍 （2）在保持其他條件小變時，隨著壓力的增加，聲發射傳感器檢測信號的強度線性增加，但在0.2 MPa 附近有轉折，壓力超過0.2MPa后，隨壓力增加，聲發射信號增加幅度減小，但仍是線性變化圖4為在保 持傳感器的取向不變，傳感器距離漏孔1 5 cm、漏孔直徑l 5mm條件下，聲發射信號的強度隨壓力變化的關系重復實驗證明，這種結果存在普遍性，即對其他泄漏孔徑、距離及傳感器取向不變條件下，同