声发射技术的基础原理.pptx

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1、会计学1声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理n声声发发射射信信号号的的频频率率几几HZ到到数数MHZ，包包括括次次声声频频、声频（声频（20HZ20KHZ）、超声频。）、超声频。n声声发发射射信信号号幅幅度度从从微微观观的的位位错错运运动动到到大大规规模模的的宏宏观观断断裂裂，变变化化范范围围很很大大，波波长长范范围围从从10-13m的的微微观观位位错错运运动动到到1m量量级级的的地地震震波波；传传感感器器的的输输出出可可包包括括数数v到到数数百百mv。不不过过多多数数声声发发射射信信号号为为只只能能用用高高灵灵敏敏度度传传感感器器才才能探测到的微弱振动。能探测到的微弱振动。n声声发发射射

2、检检测测技技术术用用仪仪器器探探测测、记记录录、分分析析声声发发射射信信号号和和利利用用声声发发射射信信号号推推断断声声发发射射源的技术称为声发射技术源的技术称为声发射技术。第1页/共95页声发射效应声发射效应n nKaiser Kaiser EffectEffect材材料料被被重重新新加加载载期期间间，在在应应力力值值达达到到上上次次加加载载最最大大应应力力之之前前不不产产生声发射信号。生声发射信号。n nFelicity EffectEffect材材料料重重复复加加载载时时，重重复复载载荷荷到到达达原原先先所所加加最最大大载载荷荷前前发发生生明明显显声声发发射射的的现现象象，称称为为费费利

3、利西西蒂蒂效效应应。（PAEPmax），称称为为费费利利西西蒂蒂比比。PAEPmax 0.95作为声发射源超标的重要判据。作为声发射源超标的重要判据。第2页/共95页2 2 声发射检测的基本原理声发射检测的基本原理原理：从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料原理：从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。根据观察到的声发射信号再被放大、处理和记录。根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声

4、发射的机制。进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。第3页/共95页 3 3 声发射检测的的主要目的声发射检测的的主要目的确定声发射源的部位；确定声发射源的部位；分析声发射源的性质；分析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷；确定声发射发生的时间或载荷；评定声发射源的严重性。一般而言，对超评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。GB18182：检测由金属压力容器压力管道的：检测由金属压力容器压力管道的器壁、焊缝、装配的零部件等表面和内部产器壁、焊

5、缝、装配的零部件等表面和内部产生的声发射源，并确定声发射源的部位及划生的声发射源，并确定声发射源的部位及划分综合等级。分综合等级。第4页/共95页4 4 声发射技术的特点声发射技术的特点声发射技术的优点声发射技术的优点 (1)声发射检测是一种动态检验方法；声发射检测是一种动态检验方法；(2)声发射检测方法对线性缺陷较为敏感；声发射检测方法对线性缺陷较为敏感；(3)声声发发射射检检测测在在一一次次试试验验过过程程中中能能够够整整体体探测和评价整个结构中缺陷的状态；探测和评价整个结构中缺陷的状态；(4)可可提提供供缺缺陷陷随随载载荷荷、时时间间、温温度度等等外外变变量量而而变变化化的的实实时时或或

6、连连续续信信息息，因因而而适适用用于于工工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；业过程在线监控及早期或临近破坏预报；第5页/共95页4 4 声发射技术的特点声发射技术的特点声发射技术的优点声发射技术的优点n n(5)(5)适适于于其其它它方方法法难难于于或或不不能能接接近近环环境境下下的的检检测测，如如高高低低温温、核核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；辐射、易燃、易爆及极毒等环境；n n(6)(6)对对于于在在役役压压力力容容器器的的定定期期检检验验，声声发发射射检检验验方方法法可可以以缩缩短短检检验的停产时间或者不需要停产；验的停产时间或者不需要停产；n n(7)(7)对对于于压压力力容容器器的

7、的耐耐压压试试验验，声声发发射射检检验验方方法法可可以以预预防防由由未未知知不不连连续续缺缺陷陷引引起起系系统统的的灾灾难难性性失失效和限定系统的最高工作压力；效和限定系统的最高工作压力；n n(8)(8)适于检测形状复杂的构件。适于检测形状复杂的构件。第6页/共95页声发射技术的缺点声发射技术的缺点n n(1)(1)(1)(1)对对对对数数数数据据据据的的的的正正正正确确确确解解解解释释释释要要要要有有有有更更更更为为为为丰丰丰丰富富富富的的的的数数数数据据据据库库库库和和和和现现现现场场场场检检检检测测测测经经经经验验验验。因因因因为为为为声声声声发发发发射射射射特特特特性性性性对对对对材

8、材材材料料料料甚甚甚甚为为为为敏敏敏敏感感感感，又又又又易受到机电噪声的干扰。易受到机电噪声的干扰。易受到机电噪声的干扰。易受到机电噪声的干扰。n n(2)(2)(2)(2)声声声声发发发发射射射射检检检检测测测测，一一一一般般般般需需需需要要要要适适适适当当当当的的的的加加加加载载载载程程程程序序序序。多多多多数数数数情情情情况况况况下下下下，可可可可利利利利用用用用现现现现成成成成的的的的加加加加载载载载条条条条件件件件，但但但但有有有有时时时时，还还还还需需需需要要要要特作准备；特作准备；特作准备；特作准备；n n(3)(3)(3)(3)声声声声发发发发射射射射检检检检测测测测目目目目前

9、前前前只只只只能能能能给给给给出出出出声声声声发发发发射射射射源源源源的的的的部部部部位位位位、活活活活性性性性和和和和强强强强度度度度，不不不不能能能能给给给给出出出出声声声声发发发发射射射射源源源源内内内内缺缺缺缺陷陷陷陷的的的的性性性性质质质质和和和和大大大大小小小小，仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。4 4 声发射技术的特点声发射技术的特点第7页/共95页 5 声发射检测方法和其声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特它常规无损检测方法的特点对比点对比 声发射检测方法其它常规无

10、损检测方法缺陷的增长活动缺陷的存在与作用应力有关与缺陷的形状有关对材料的敏感性较高对材料的敏感性较差对几何形状的敏感性较差对几何形状的敏感性较高需要进入被检对象的要求较少需要进入被检对象的要求较多进行整体监测进行局部扫描主要问题：噪声、解释主要问题：接近、几何形状第8页/共95页第第二二章章声发射检测的物理基础声发射检测的物理基础第9页/共95页第一节第一节 材料的结构材料的结构n n晶界晶界晶界晶界晶粒之间的界面称为晶界。典型晶粒的大小为几晶粒之间的界面称为晶界。典型晶粒的大小为几晶粒之间的界面称为晶界。典型晶粒的大小为几晶粒之间的界面称为晶界。典型晶粒的大小为几微米到几百微米之间。微米到几

11、百微米之间。微米到几百微米之间。微米到几百微米之间。n在晶粒内部，有可能存在各种不同材料的微小的夹杂物，在晶粒内部，有可能存在各种不同材料的微小的夹杂物，例如，铁素体钢中的部分碳可以形成例如，铁素体钢中的部分碳可以形成Fe3C（碳化铁），它（碳化铁），它具有自已的结晶结构，并在局部位置上代替了铁素体晶格。具有自已的结晶结构，并在局部位置上代替了铁素体晶格。夹杂对金属的机械性能具有非常大的影响。夹杂对金属的机械性能具有非常大的影响。第10页/共95页第二节第二节 材料力学材料力学n n应应应应力力力力材材材材料料料料单单单单位位位位面面面面积积积积上上上上所所所所受受受受的的的的作作作作用用用用

12、力力力力。物物物物体体体体内内内内的的的的应应应应力力力力称称称称为为为为应应应应力力力力场场场场 。应应应应力力力力的的的的单单单单位位位位：Kg/cmKg/cm2 2 和和和和 MpaMpa。与压强的单位相同。与压强的单位相同。与压强的单位相同。与压强的单位相同。n n应应应应力力力力的的的的种种种种类类类类拉拉拉拉应应应应力力力力、压压压压应应应应力力力力和和和和剪剪剪剪切切切切应应应应力力力力。根根根根据据据据物物物物体体体体的的的的结结结结构构构构和和和和加加加加载载载载方方方方式式式式的的的的不不不不同同同同，物物物物体体体体内内内内出出出出现现现现的的的的应应应应力力力力状状状状

13、态态态态也也也也不不不不同同同同，分分分分别别别别有有有有拉拉拉拉应应应应力力力力、压压压压应应应应力力力力和和和和剪剪剪剪切切切切应应应应力力力力。实实实实际际际际物物物物体体体体结结结结构构构构中中中中的的的的应应应应力力力力要要要要复复复复杂杂杂杂得得得得多多多多，通通通通常常常常是这三种应力的组合。是这三种应力的组合。是这三种应力的组合。是这三种应力的组合。第11页/共95页第二节第二节 材料力学材料力学材料的应力应变曲线材料的应力应变曲线材料的应力应变曲线材料的应力应变曲线(应力与应变的关系应力与应变的关系应力与应变的关系应力与应变的关系)第12页/共95页第三节第三节 材料弹性和塑

14、性变形材料弹性和塑性变形n n弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形材料在应力作用下产生变形，当应力材料在应力作用下产生变形，当应力材料在应力作用下产生变形，当应力材料在应力作用下产生变形，当应力消逝后，材料的变形也将消逝，材料完全回复到原消逝后，材料的变形也将消逝，材料完全回复到原消逝后，材料的变形也将消逝，材料完全回复到原消逝后，材料的变形也将消逝，材料完全回复到原来的状态，这种变形即称为弹性变形。来的状态，这种变形即称为弹性变形。来的状态，这种变形即称为弹性变形。来的状态，这种变形即称为弹性变形。n n塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形材料在应力作用下产生变形，当应力材料在应力作用下产生变形，当

15、应力材料在应力作用下产生变形，当应力材料在应力作用下产生变形，当应力消逝后，即使材料的应力全部解除，材料也不能回消逝后，即使材料的应力全部解除，材料也不能回消逝后，即使材料的应力全部解除，材料也不能回消逝后，即使材料的应力全部解除，材料也不能回复到原来的状态，即永久变形，这种变形即称为塑复到原来的状态，即永久变形，这种变形即称为塑复到原来的状态，即永久变形，这种变形即称为塑复到原来的状态，即永久变形，这种变形即称为塑性变形。这时，材料的应力达到或超过了材料的屈性变形。这时，材料的应力达到或超过了材料的屈性变形。这时，材料的应力达到或超过了材料的屈性变形。这时，材料的应力达到或超过了材料的屈服点

16、，材料产生的塑性变形，材料也不能回复到原服点，材料产生的塑性变形，材料也不能回复到原服点，材料产生的塑性变形，材料也不能回复到原服点，材料产生的塑性变形，材料也不能回复到原来的状态。来的状态。来的状态。来的状态。第13页/共95页第三节第三节 材料弹性和塑性变形材料弹性和塑性变形大量位错运动的结果将导致材料产生大量位错运动的结果将导致材料产生如下的结果：如下的结果：n n滑移滑移n n屈服屈服n n留德尔斯线（钢）留德尔斯线（钢）n n裂纹尖端塑性区裂纹尖端塑性区n n空隙增长和聚结空隙增长和聚结n n韧性斯裂韧性斯裂 第14页/共95页第三节第三节 材料弹性和塑性变形材料弹性和塑性变形孪生变

17、形孪生变形孪生变形孪生变形n n孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，但不发生在钢与铝中。但不发生在钢与铝中。但不发生在钢与铝中。但不发生在钢与铝中。第15页/共95页第三节第三节 材料弹性和塑性变形材料弹性和塑性变形n n裂纹周围的应力场分布裂纹周围的应力场分布内部带有裂纹内部带有裂纹的材料在受到应力作用时，应力场必定要的材料在受到应力作用时，应力场必定要“围绕着围绕着”裂纹的边界产生集中裂纹的边界产生集中，应力的，应力的集中作用将

18、使裂纹尖端的材料产生变形，集中作用将使裂纹尖端的材料产生变形，甚至破坏，而这时材料的其它部位还都处甚至破坏，而这时材料的其它部位还都处于强性范围以内于强性范围以内。在材料整体处于弹性范。在材料整体处于弹性范围时，裂纹和类似的缺陷确已经产生了声围时，裂纹和类似的缺陷确已经产生了声发射信号。发射信号。第16页/共95页第三节第三节 材料弹性和塑性变形材料弹性和塑性变形裂纹周围的应力场分布图裂纹周围的应力场分布图裂纹周围的应力场分布图裂纹周围的应力场分布图 第17页/共95页第三节第三节 材料弹性和塑性变形材料弹性和塑性变形n n 临界裂纹临界裂纹临界裂纹临界裂纹是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩

19、展，是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩展，是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩展，是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩展，并且迅速地使部件断裂。并且迅速地使部件断裂。并且迅速地使部件断裂。并且迅速地使部件断裂。n n断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性材料抵抗断裂的能力。用材料抵抗断裂的能力。用材料抵抗断裂的能力。用材料抵抗断裂的能力。用KKIcIc来衡量材料的断来衡量材料的断来衡量材料的断来衡量材料的断裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过“应力强度因子应力强度因子应力强度因子应力强度因子

20、”KK来描述，来描述，来描述，来描述，KK值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。KK的临界值就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹的临界值就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹的临界值就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹的临界值就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹将很快扩展，同时部件将立刻断裂。用将很快扩展，同时部件将立刻断裂。用将很快扩展，同时部件将立刻断裂。用将很快扩展，同时部件将立刻断裂。用KIcKIc来表示来表示来表示来表示KK的临界的临界的临界

21、的临界值。值。值。值。n n亚临界裂纹亚临界裂纹亚临界裂纹亚临界裂纹就是发生在临界裂纹发生以前的裂纹。就是发生在临界裂纹发生以前的裂纹。就是发生在临界裂纹发生以前的裂纹。就是发生在临界裂纹发生以前的裂纹。n n“亚亚亚亚临临临临界界界界”裂裂裂裂纹纹纹纹扩扩扩扩展展展展就就就就是是是是发发发发生生生生在在在在裂裂裂裂纹纹纹纹临临临临界界界界扩扩扩扩展展展展发发发发生生生生以以以以前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下：前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下：前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下：前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下：n n a)a)不断上升的载荷作用不断上升

22、的载荷作用不断上升的载荷作用不断上升的载荷作用n n b)b)疲劳（循环或重复载荷）疲劳（循环或重复载荷）疲劳（循环或重复载荷）疲劳（循环或重复载荷）n n c)c)应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂n n d)d)氢脆开裂氢脆开裂氢脆开裂氢脆开裂n n e)e)腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀疲劳 第18页/共95页断裂方式的示意断裂方式的示意断裂方式的示意断裂方式的示意 脆性沿晶断裂脆性沿晶断裂 塑性沿晶断裂塑性沿晶断裂 第19页/共95页断裂方式的示意断裂方式的示意断裂方式的示意断裂方式的示意 拉应力作用下的拉应力作用下的 切应力作用下的切应力作用下的塑性穿晶断裂塑性穿晶断裂

23、塑性穿晶断裂塑性穿晶断裂第20页/共95页断裂方式的示意断裂方式的示意断裂方式的示意断裂方式的示意解理断裂解理断裂 疲劳断裂疲劳断裂 第21页/共95页第四节第四节 声发射源声发射源n n声发射源分类声发射源分类稳态源、动态源。稳态源、动态源。n n稳态源模型稳态源模型将源看作一个能量发射器将源看作一个能量发射器,并用并用应力应变等宏观参量来得到这一问题的稳定解应力应变等宏观参量来得到这一问题的稳定解,叫稳态源模型。叫稳态源模型。n n动态源模型动态源模型是应用局域在源附近随时间变化是应用局域在源附近随时间变化的应力应变场，计算与源的行为有关的动力学变的应力应变场，计算与源的行为有关的动力学变

24、化，叫动态源模型。化，叫动态源模型。n n声发射的能量来源声发射的能量来源一般由外加负载、相变潜一般由外加负载、相变潜热、外加磁场等来提供。热、外加磁场等来提供。第22页/共95页稳态源模型的声发射源事件的能量分配过程稳态源模型的声发射源事件的能量分配过程稳态源模型的声发射源事件的能量分配过程稳态源模型的声发射源事件的能量分配过程（裂纹扩展期间释放应变能）（裂纹扩展期间释放应变能）（裂纹扩展期间释放应变能）（裂纹扩展期间释放应变能）晶格应变能晶格应变能 新断口表面能新断口表面能 热能热能 弹性波能弹性波能 分配过程分配过程 源事件应变能释放源事件应变能释放 第23页/共95页n n突突突突发发

25、发发声声声声发发发发射射射射信信信信号号号号声声声声发发发发射射射射事事事事件件件件信信信信号号号号是是是是断断断断续续续续，且且且且在在在在时时时时间间间间上上上上可可可可以以以以分分分分开开开开，那那那那么么么么这这这这种种种种信信信信号号号号就就就就叫叫叫叫突突突突发发发发声声声声发发发发射射射射信信信信号。号。号。号。n n连连连连续续续续声声声声发发发发射射射射信信信信号号号号如如如如果果果果大大大大量量量量的的的的声声声声发发发发射射射射事事事事件件件件同同同同时时时时发发发发生生生生,且且且且在在在在时时时时间间间间上上上上不不不不可可可可分分分分辨辨辨辨，这这这这些些些些信信信

26、信号号号号就就就就叫叫叫叫做做做做连连连连续续续续声声声声发发发发射射射射信信信信号号号号。实实实实际际际际上上上上连连连连续续续续型型型型声声声声发发发发射射射射信信信信号号号号也也也也是是是是由由由由大大大大量量量量小小小小的的的的突突突突发发发发型型型型信信信信号号号号组组组组成成成成的的的的，只只只只不不不不过过过过太太太太密密密密集集集集不不不不能能能能单单单单个个个个分分分分辨辨辨辨而已而已而已而已 。n n声声声声发发发发射射射射信信信信号号号号动动动动态态态态范范范范围围围围材材材材料料料料内内内内产产产产生生生生的的的的声声声声发发发发射射射射信信信信号号号号具具具具有有有有

27、很很很很宽宽宽宽的的的的动动动动态态态态范范范范围围围围，其其其其位位位位移移移移幅幅幅幅度度度度可可可可以以以以从从从从小小小小于于于于10101010-15-15-15-15 m m m m到到到到10101010-9-9-9-9 m,m,m,m,达到达到达到达到101010106 6 6 6量级（量级（量级（量级（120dB120dB120dB120dB）的范围。）的范围。）的范围。）的范围。第24页/共95页突发声发射信号突发声发射信号突发声发射信号突发声发射信号 连续声发射信号连续声发射信号连续声发射信号连续声发射信号 第25页/共95页晶体材料中的声发射源晶体材料中的声发射源 滑移

28、变形滑移变形孪生变形孪生变形裂纹形成裂纹形成裂纹亚临界扩展裂纹亚临界扩展裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展第二相质点第二相质点（或夹杂物断裂或脱开）（或夹杂物断裂或脱开）马氏体相变、贝氏体相变等马氏体相变、贝氏体相变等磁畴运动磁畴运动 相变相变磁效应磁效应断裂断裂金属塑金属塑性变形性变形晶体晶体材料材料第26页/共95页非金属材料中的声发射源非金属材料中的声发射源这些材料均为脆性材料，其强度很高，但韧这些材料均为脆性材料，其强度很高，但韧性很差，因此其声发射源主要为微裂纹开裂性很差，因此其声发射源主要为微裂纹开裂和宏观开裂。和宏观开裂。第27页/共95页复合材料中的声发射源复合材料中的声发射源复合材料中

29、的声发射源复合材料中的声发射源复合材料是由基体材料和分布于整个基体材料中的第复合材料是由基体材料和分布于整个基体材料中的第复合材料是由基体材料和分布于整个基体材料中的第复合材料是由基体材料和分布于整个基体材料中的第2 2 2 2相材料所组成的。根据第相材料所组成的。根据第相材料所组成的。根据第相材料所组成的。根据第2 2 2 2相相相相材料的不同，复合材料分为材料的不同，复合材料分为材料的不同，复合材料分为材料的不同，复合材料分为3 3 3 3类：扩散增强复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强类：扩散增强复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强类：扩散增强复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强类：扩散

30、增强复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料。与常规材料相比，复合材料具有强度高、疲劳性能和抗腐蚀性能好等优复合材料。与常规材料相比，复合材料具有强度高、疲劳性能和抗腐蚀性能好等优复合材料。与常规材料相比，复合材料具有强度高、疲劳性能和抗腐蚀性能好等优复合材料。与常规材料相比，复合材料具有强度高、疲劳性能和抗腐蚀性能好等优点，而且容易制造出结构较复杂的部件。点，而且容易制造出结构较复杂的部件。点，而且容易制造出结构较复杂的部件。点，而且容易制造出结构较复杂的部件。1 1、扩散增强和颗粒增强复合材料的声发射源主要包括：基体开裂和第、扩散增强和颗粒增强复合材料的声发射源主要包括：基体开裂和第、

31、扩散增强和颗粒增强复合材料的声发射源主要包括：基体开裂和第、扩散增强和颗粒增强复合材料的声发射源主要包括：基体开裂和第2 2 2 2相相相相颗粒和基体的脱开。颗粒和基体的脱开。颗粒和基体的脱开。颗粒和基体的脱开。2 2、纤维增强复合材料中的声发射源主要包括以下、纤维增强复合材料中的声发射源主要包括以下、纤维增强复合材料中的声发射源主要包括以下、纤维增强复合材料中的声发射源主要包括以下7 7 7 7类：类：类：类：基体开裂基体开裂基体开裂基体开裂纤维和基体的脱开纤维和基体的脱开纤维和基体的脱开纤维和基体的脱开纤维拔出纤维拔出纤维拔出纤维拔出纤维断裂纤维断裂纤维断裂纤维断裂纤维松弛纤维松弛纤维松弛

32、纤维松弛分层分层分层分层摩擦摩擦摩擦摩擦第28页/共95页纤维增强复合材料中的声发射源纤维增强复合材料中的声发射源纤维增强复合材料中的声发射源纤维增强复合材料中的声发射源 第29页/共95页其它声发射源其它声发射源流体介质的泄漏流体介质的泄漏氧化物或氧化层的开裂氧化物或氧化层的开裂夹渣开裂夹渣开裂摩擦源摩擦源液化和固化液化和固化元件松动、间歇接触元件松动、间歇接触流体和非固体流体和非固体裂纹闭合裂纹闭合这是在声发射检测过程中有可能经这是在声发射检测过程中有可能经常遇到常遇到的。的。第30页/共95页第五节第五节 波的传播波的传播n n波波就是材料质点离开平衡位置就是材料质点离开平衡位置的运动（

33、振动）在材料中的传播。的运动（振动）在材料中的传播。n n纵纵波波（压压缩缩波波）质质点点的的振振动动方方向向与与波波的的传传播播方方向向平平行行，可可在在固固体体、液体、气体介质中传播。液体、气体介质中传播。第31页/共95页n横横波波（剪剪切切波波）质质点点的的振振动动方方向向与与波波的的传传播播方方向垂直，只能在固体介质中传播。向垂直，只能在固体介质中传播。第32页/共95页n表表面面波波（瑞瑞利利波波）质质点点的的振振动动轨轨迹迹呈呈椭椭圆圆形形，沿沿深深度度约约为为12个个波波长长的的固固体体近近表表面面传传播播，波波的的能能量量随随传播深度增加而迅速减弱。传播深度增加而迅速减弱。第

34、33页/共95页n兰姆波（板波）兰姆波（板波）因物体两平行表面所限而形成因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动，按质点的振动特点可分为对称点作椭圆轨迹运动，按质点的振动特点可分为对称型（扩展波）和非对称型（弯曲波）两种。型（扩展波）和非对称型（弯曲波）两种。第34页/共95页第35页/共95页 近场脉冲响应近场脉冲响应 点力阶跃脉冲力源点力阶跃脉冲力源F0H(t)作用于板时，板表面将产生相作用于板时，板表面将产生相当复杂的运动，在材料表面上产生的位移迅速变化，这当复杂的运动，在材料表面上产生的位移迅速变

35、化，这是理论与实验相符的唯一的情况。是理论与实验相符的唯一的情况。Knopoff给出了在力给出了在力作用点对面的垂直方向作用点对面的垂直方向质点位移质点位移，这一情况对声发射技，这一情况对声发射技术是十分有意义的，它通常用于声发射传感器的预标定。术是十分有意义的，它通常用于声发射传感器的预标定。n n式中括号内第一项是纵波贡献分量，而第二项是横波贡献，式中括号内第一项是纵波贡献分量，而第二项是横波贡献，式中括号内第一项是纵波贡献分量，而第二项是横波贡献，式中括号内第一项是纵波贡献分量，而第二项是横波贡献，在板中来回反射的波的贡献（第三项之后）在式中略去。在板中来回反射的波的贡献（第三项之后）在

36、式中略去。在板中来回反射的波的贡献（第三项之后）在式中略去。在板中来回反射的波的贡献（第三项之后）在式中略去。)1()1(4)12()/()1)(1(2)1()1(4)22()/()22(2)0,(212222221222212222222220ayyyybtHayyyawwwawbtHawwbFbUz+-+-+-+-+-=-bapm第36页/共95页点脉冲加载的源点脉冲加载的源点脉冲加载的源点脉冲加载的源 TIME2.0冲击载荷第37页/共95页n n具有一般形状的短脉冲力源具有一般形状的短脉冲力源具有一般形状的短脉冲力源具有一般形状的短脉冲力源f f f f（t t t t），该处的速度响

37、应为纵），该处的速度响应为纵），该处的速度响应为纵），该处的速度响应为纵波的速度响应与力的变化率成正比，而切变波的速度响应波的速度响应与力的变化率成正比，而切变波的速度响应波的速度响应与力的变化率成正比，而切变波的速度响应波的速度响应与力的变化率成正比，而切变波的速度响应与力的大小成正比。与力的大小成正比。与力的大小成正比。与力的大小成正比。n n表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移。P P、S S分别相应于纵波、横波到达时刻分别相应于纵波、横波到达时刻 第38页/共95页n n反射和折

38、射反射和折射反射和折射反射和折射声发射源处产生的纵波和横波。它们传播声发射源处产生的纵波和横波。它们传播声发射源处产生的纵波和横波。它们传播声发射源处产生的纵波和横波。它们传播到不同材料界面时，可产生反射、折射。到不同材料界面时，可产生反射、折射。到不同材料界面时，可产生反射、折射。到不同材料界面时，可产生反射、折射。LSL钢有机玻璃第39页/共95页第40页/共95页n各种反射波和折射波方向都符合反射、折射定各种反射波和折射波方向都符合反射、折射定律。以下是纵波入射时的反射折射定律公式：律。以下是纵波入射时的反射折射定律公式：nsinL/CL1=sin L/CL1=sin S/CS1=sin

39、L/CL2=sins/Cs2 nCL1、CS1 第一介质中的纵波、横波波速。第一介质中的纵波、横波波速。nCL2、CS2 第二介质中的纵波、横波波速。第二介质中的纵波、横波波速。n L、L 纵波入射角、反射角。横波。纵波入射角、反射角。横波。nL、s 纵波、横波折射角。纵波、横波折射角。n S 横波反射角。横波反射角。第41页/共95页n当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型转换。第42页/共95页n n波形变换（模式转换）波形变换（模式转换）波形变换（模式转换）波形变换（模式转换）声发射源处同时产生纵波和横波两种。两种入射波

40、除声发射源处同时产生纵波和横波两种。两种入射波除声发射源处同时产生纵波和横波两种。两种入射波除声发射源处同时产生纵波和横波两种。两种入射波除各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，见图见图见图见图2.282.28。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度接

41、近波长的薄板中又会发生板波。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为复杂复杂复杂复杂 厚板中传播厚板中传播第43页/共95页n n声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器不同波程、不同时序到达传感器不同波程、不同时序到达传感器不同波程

42、、不同时序到达传感器 。n n声发射波经传播到探头后，声发射信号波形的上升时间变声发射波经传播到探头后，声发射信号波形的上升时间变声发射波经传播到探头后，声发射信号波形的上升时间变声发射波经传播到探头后，声发射信号波形的上升时间变慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份向低频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分折，向低频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分折，向低频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分折，向低频偏移。这种变化

43、，不仅对声发射波形的定量分折，而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充分注意。分注意。分注意。分注意。第44页/共95页V Vt t 纵波速度；纵波速度；纵波速度；纵波速度；t t 横波速度；横波速度；横波速度；横波速度；泊松比；泊松比；泊松比；泊松比；E E 杨氏模量；杨氏模量；杨氏模量；杨氏模量；G G 切变模量；切变模量；切变模量；切变模量；密度。密度。密度。密度。n波速频率波速频率 波长波长 （C=f ）。）。n波速波速传播速度

44、，与波的频率和波长成正比，等于频率传播速度，与波的频率和波长成正比，等于频率与波长的乘积。与波长的乘积。n波的传播速度，是与介质的弹性模量和密度有关的材料特波的传播速度，是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性，因而不同的材料，波速也不同。性，因而不同的材料，波速也不同。）（ssrsr2111-=EVlrsruGEt）（121=第45页/共95页常用材料的声速和声阻抗表常用材料的声速和声阻抗表常用材料的声速和声阻抗表常用材料的声速和声阻抗表 材料纵波横波声阻抗kg/m2.s速度Km/sec声阻抗kg/m2.s速度Km/sec空气0.000430.33水1.481.48油（SAE30）1.51.7

45、铝17.36.38.53.1铁45.45.925.03.2铸铁34.64.519.22.5钢46.05.925.33.23302不锈钢45.55.5625.03.12第46页/共95页n在在同同种种材材料料中中，不不同同模模式式的的波波速速之之间间有有一一定定比比率率关关系系。例例如如，横横波波速速度度约约为为纵纵波波速速度度的的60%60%，表表面面波波速速度度约约为为横横波波的的90%90%。纵纵波波、横横波波、表表面面波波的的速速度度与与波波的的频频率率无无关关，而而板板波波的的速速度度则则与与波波的的频频率率有有关关，即即具具有有频频散散现现象，约分布在纵波速度和横波速度之间。象，约分

46、布在纵波速度和横波速度之间。n传传播播速速度度主主要要用用于于声声发发射射源源的的时时差差定定位位计计算算，影影响响定定位位精精度度。实实际际中中，难难以以理理论论计计算算，需需用用实实验验测测量量。实实测测波波速速计计算算出出的的定定位位精精度度一一般般在在传传感感器器间间距距的的1%1%10%10%。n常常见见容容器器类类属属于于二二维维结结构构（薄薄壁壁），表表面面波波或或板板波波的的传传播播衰衰减减远远小小于于纵纵波波和和横横波波，常常成成为为主主要要的的传传播播模模式式。多多数数金金属属容容器器中中，典典型型传传播播速速度度约约为为3000 3000 m/sm/s。在在无无法法测测得

47、得波波速速的的情情况况下下，可可用用此此值值作作为为初初设设置置。复复合合材材料中，声波的传播存在各向异性，时差定位精度较差。料中，声波的传播存在各向异性，时差定位精度较差。第47页/共95页n n几几几几何何何何效效效效应应应应被被被被检检检检试试试试件件件件或或或或构构构构件件件件的的的的几几几几何何何何形形形形状状状状对对对对波波波波的的的的传传传传播播播播有有有有很很很很大大大大的的的的影影影影响响响响，可可可可以以以以产产产产生生生生衍衍衍衍射射射射、反反反反射射射射和和和和折折折折射射射射等等等等，并并并并最最最最终终终终引引引引起起起起波波波波的的的的衰衰衰衰减减减减或或或或叠叠

48、叠叠加加加加。声声声声发发发发射射射射在在在在小小小小试试试试件件件件中中中中产产产产生共振波形（驻波）。生共振波形（驻波）。生共振波形（驻波）。生共振波形（驻波）。第48页/共95页第六节第六节 波的衰减波的衰减n n衰减衰减衰减衰减信号的幅值随着离开声源距离的增加而减信号的幅值随着离开声源距离的增加而减信号的幅值随着离开声源距离的增加而减信号的幅值随着离开声源距离的增加而减小。小。小。小。n n衰减与声发射检测的关系衰减与声发射检测的关系衰减与声发射检测的关系衰减与声发射检测的关系衰减控制了声源距离衰减控制了声源距离衰减控制了声源距离衰减控制了声源距离的可检测性，对于声发射检验来说它是确定

49、传感器的可检测性，对于声发射检验来说它是确定传感器的可检测性，对于声发射检验来说它是确定传感器的可检测性，对于声发射检验来说它是确定传感器间距的关键因素。间距的关键因素。间距的关键因素。间距的关键因素。n n衰减的分类衰减的分类衰减的分类衰减的分类几何衰减几何衰减几何衰减几何衰减 、材质衰减、色散衰减、材质衰减、色散衰减、材质衰减、色散衰减、材质衰减、色散衰减、散射与衍射衰减、。散射与衍射衰减、。散射与衍射衰减、。散射与衍射衰减、。n n几何衰减几何衰减几何衰减几何衰减当波由一个局域的源所产生时，波动当波由一个局域的源所产生时，波动当波由一个局域的源所产生时，波动当波由一个局域的源所产生时，波

50、动将从源部位向所有的方向传播。即使在无损耗的介将从源部位向所有的方向传播。即使在无损耗的介将从源部位向所有的方向传播。即使在无损耗的介将从源部位向所有的方向传播。即使在无损耗的介质中，整个波前的能量保持不变，但散布在整个波质中，整个波前的能量保持不变，但散布在整个波质中，整个波前的能量保持不变，但散布在整个波质中，整个波前的能量保持不变，但散布在整个波前球面上，随着波传播距离的增加，波的幅度必定前球面上，随着波传播距离的增加，波的幅度必定前球面上，随着波传播距离的增加，波的幅度必定前球面上，随着波传播距离的增加，波的幅度必定下降。（平面波无几何衰减）。下降。（平面波无几何衰减）。下降。（平面波