声发射技术及应用教程.pptx

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1、声发射技术及应用教程声发射技术及应用教程声发射技术及应用声发射技术及应用东北石油大学 戴 光什么是声发射？声发射检测原理声发射技术的特点主要研究内容第1页/共44页传统声发射的定义声发射(AcousticEmission，简称AE)是指物体在受到形变或外力作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。一、什么是声发射？一、什么是声发射？第2页/共44页一、什么是声发射？一、什么是声发射？广义的声发射随着声发射研究领域的扩大，声发射的含义已广义化，比如泄漏过程、轴承的磨损、钻井过程、骨关节的损伤和木材干燥时发出的声音等也都被称为AE。这些广义解释的AE情形很多，而且有大量的研究成果。

2、第3页/共44页二、声发射检测技术原理声发射检测技术原理图声发射检测技术原理图声发射声发射源源材料中传播材料中传播换能器换能器背景噪声背景噪声耦合界面耦合界面综合分综合分析研究析研究数据显示数据显示信号处理信号处理声发射仪声发射仪（接收信号）（接收信号）其它辅其它辅助信息助信息推断声发源状态或严重度推断声发源状态或严重度第4页/共44页由于声发射技术具有动态检测与分析的特点，从50年代以来，声发射技术得到许多发达国家工业的重视，在理论研究、实验研究和工业实用三个方面进行大量的工作，取得了相当的进展。综合分析不同发展阶段的大量文献可以看出，声发射理论和技术研究主要围绕、正反两个问题进行即声发射源

3、识别和声发射源评价，具体研究内容可概括为几个方面:三、声发射技术的主要研究内容第5页/共44页 不同声发射源模式或物理机制的理论与实验不同声发射源模式或物理机制的理论与实验研究。研究。声发射波在固体材料中的传播理论。声发射波在固体材料中的传播理论。机械声发射信号与电信号的转换机械声发射信号与电信号的转换高灵高灵敏度、多频带宽度和用途的换能器。敏度、多频带宽度和用途的换能器。声发射信号特征与源定位。声发射信号特征与源定位。多参量、多功能、高速度和实时分析的多参量、多功能、高速度和实时分析的数字式新型声发射检测分析仪。数字式新型声发射检测分析仪。三、声发射技术的主要研究内容第6页/共44页声发射信

4、号处理（如利用神经网络技术对声发射源特性进行模式识别，模糊综合评价等）的新理论、新方法。声发射检测/监测、评价的新方法及标准。声发射含义的广义化扩展新的研究和应用领域。三、声发射技术的主要研究内容第7页/共44页 不同声发射源模式或物理机制的理论与实验不同声发射源模式或物理机制的理论与实验研究研究 声声发发射射是是一一种种常常见见的的物物理理现现象象。树树枝枝在在它它真真正正断断裂裂之之前前会会发发出出断断裂裂的的声声音音，踏踏上上薄薄冰冰时时冰冰会会发发出出声声音音，预示着即将的塌陷。预示着即将的塌陷。五五十十年年代代初初，德德国国人人凯凯塞塞尔尔(Kaiser)Kaiser)通通过过对对多

5、多种种金金属属材材料料声声发发射射现现象象的的研研究究，发发现现了了声声发发射射不不可可逆逆效效应应凯凯塞塞效效应应：即即声声发发射射现现象象在在第第一一次次加加载载时时产产生生，如如果果第第二二次次及及以以后后各各次次加加载载载载荷荷小小于于等等于于第第一一次次加加载载载载荷荷，此此时时不不产产生生声声发发射射，但但当当载载荷荷大大于于第第一一次次加加载载载荷时，又将产生声发射。载荷时，又将产生声发射。三、声发射技术的主要研究内容第8页/共44页凯赛尔博士试验用的仪器和设备Dr Kaisers AE-sensor and specimen setup(Dissertation,1949)第9

6、页/共44页Kaiser Effect:A material produces AE not before exceeding the highest load previously experienced.(see point Z)Kaiser was the first who used the acoustic emission method to determine the maximum stress a specimen experienced in the past凯凯 赛赛 尔尔 效效 应应第10页/共44页 凯凯塞塞尔尔认认为为晶晶界界的的变变形形不不协协调调引引起起的摩擦是

7、声发射的主要来源。的摩擦是声发射的主要来源。六六十十年年代代，在在美美国国出出现现了了声声发发射射技技术的研究高潮。术的研究高潮。SchofieldSchofield提提出出了了声声发发射射来来源源于于材材料料内部机制位错运动。内部机制位错运动。连连续续型型声声发发射射信信号号来来源源于于位位错错钉钉扎扎和和交交叉叉滑滑移移；突突发发型型声声发发射射信信号号与与堆堆垛垛层层错错的的形形成成和和机机械械孪孪晶晶的的快快速速变变形形机机构构有关。有关。三、声发射技术的主要研究内容第11页/共44页 声发射波在固体材料中的传播理论声发射波在固体材料中的传播理论三、声发射技术的主要研究内容 回想一下石

8、子或小鸟落进池塘时所产生的波纹，就可以想象出声发射波的形象。波纹从源处向外扩散最终到达岸边，以一种很复杂的方式反射并最终消失。由于波纹的作用，靠近池塘岸边的漂浮软木塞会以一种很复杂的韵律上下振动几秒钟，即使石子的作用在不到一秒的时间内已经消失。声发射波的传播具有相同的原理。来自于源事件的短脉冲仅仅是声发射过程的开始。在传感器处的运动已大不同于源处的原始振动。第12页/共44页三、声发射技术的主要研究内容 池塘中波纹和构件中声发射波的主要差别是声发射过程的发生要快许多倍。典型的声发射运动在百万分之几秒就能完成。波或许通过千分之一秒就可以到达传感器，再经过百分之一秒就能消失。在池塘和构件之间的另外

9、一个不同点就是，通常情况下构件中波的传播更复杂。首先，构件有许多表面会对波进行反复的反射。其次，固体既可以承受剪切力又能承受压缩力。这导致了可以同时被激发出几种不同类型（模式）的波。第13页/共44页三、声发射技术的主要研究内容波的传播模式 声发射波在介质中的传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可构成纵波、横波、表面波、板波等不同传播模式。1纵波 波的传播方向是与质点的运动方向相一致的，这样的波称为纵波。纵波在介质中传播时会产生质点的稠密部分和稀疏部分，故又称疏密波。纵波传播示意图 第14页/共44页三、声发射技术的主要研究内容2.横波 各质点的运动情况与纵波情况相似。但由于质点的振动方

10、向对波的传播方向是横方向的，这种波称为横波。横波在介质中传播时介质会相应地产生交变的剪切形变故又称剪切波或切变波。横波纵波传播示意图 第15页/共44页三、声发射技术的主要研究内容3表面波(瑞利波)在半无限大固体介质与气体介质的交界面上，可产生瑞利波，这是瑞利(Rayleigh)于1887年首先研究并证实其存在的。表面波沿深度约为12个波长的固体近表面传播，波的能量随传播深度增加而迅速减弱。椭圆运动可视为纵向振动和横向振动的合成，即纵波和横波的合成，因此瑞利波和横波一样只能在固体介质中传播不能在液体或气体介质中传播。瑞利波传播示意图 第16页/共44页三、声发射技术的主要研究内容4.板波 如果

11、固体物质的尺寸进一步受到限制而成为板状，则当板厚小到某一程度时，瑞利波就不会存在而只能产生各种类型的板波。板波中最主要的一种是兰姆波，狭义地讲，通常所说的板波即指兰姆波。兰姆波是纵波与横波组合的波，它只能在固体薄板中传播，质点作椭圆轨迹运动，按质点的振动特点可分为对称型(膨胀波)和非对称型(弯曲波)两种。反对称模式，a0对称模式，s0板中Lamb(兰姆)波的基本形式第17页/共44页三、声发射技术的主要研究内容 a0 Lamb波模式（弯曲模式）是声发射检测中最重要的波型。它通常情况下会产生一种比s0（对称模式）波幅度高的波，且在典型的结构（薄板）中它传播得也更快（约3000米秒），因此会先到达

12、传感器。这两族Lamb波中的其它成员（称为a1 或s1，等等）可比a0 或s0传播得都快，但是它们的幅度都较低，因此，它们相对不重要。靠近声源时，即在一或两倍板厚内，按纵波和剪切波考虑会更好一些。声发射波在固体材料中的传播理论是理解各种变量和评价每个检测结果或状态的关键。第18页/共44页 机机械械声声发发射射信信号号与与电电信信号号的的转转换换高高灵灵敏敏度度、多频带宽度和用途的传感器。多频带宽度和用途的传感器。三、声发射技术的主要研究内容外壳接头压电晶体耐磨板声发射传感器结构示意图为了感觉到声发射波，使用了压电晶体传感器。当受到挤压（变形）时，压电材料会产生一个电压值和一个相应的分离电荷。

13、在声发射传感器中，变形是由振动引起的。当压电晶体受到进入的应力波撞击时的弹性反应。压电元件被固定在传感器壳内。电压是由元件材料本身产生的。元件不需要额外的电源。第19页/共44页高灵敏度、多频带宽度和用途的传感器第20页/共44页三、声发射技术的主要研究内容传感器的类型、特点和适用范围 类型类型特特 点点适用范围适用范围单端谐振传感单端谐振传感器器谐振频率，在50300kHz内，典型应用为150kHz，主要取决于晶片的厚度，敏感于位移速度。响应频带窄，波形畸变大，但灵敏度高，操作简便，价格便宜，适于大量常规检测 大多数材料研究和构件的无损检测宽宽 频频 带带传传 感感 器器响应频率，约为100

14、1000kHz，取决于晶片的尺寸和结构设计。灵敏度低于谐振传感器，幅频特性不甚理想，但操作简便，适于多数宽带检测频谱分析，波形分析等信号类型或噪声的鉴别差动传感器差动传感器由两个压电晶片的正负极差接而成，输出差动信号：与单端式相比，灵敏度较低，但对共模电干扰信号有好的抑制能力，适于强电磁噪声环境强电磁干扰环境下，要替代单端式传感器高温传感器高温传感器采用居里点温度高的晶片，如铌酸锂晶片。使用温度可达540高温环境下的检测，如在线反应容器微型传感器微型传感器一般为单瑞谐振传感器，因受体积尺寸限制，响应频带窄，波形畸变大小制件试样的试验研究和无损检测第21页/共44页三、声发射技术的主要研究内容声

15、发射信号特性与源定位非统计和统计参量的信号表征方法 仪器输出的声发射信号是随机和不确定的复杂信号，选取哪些特征参量，正确地记录和描述这些信号，是声发射检测技术中遇到的第一个重要问题。到目前为止，还不能直接检测到声发射源发射出的原始波形，声发射检测还只能以传感器的输出为基础。构件中的典型声发射波形第22页/共44页 声发射信号的处理与表征方法通常用非统计参量和统计参量两种。一个信号的表征用非统计参量，例如，声发射信号的幅度、能量、振铃、计数、事件、上升时间、持续时间和门槛等。多个信号及它们之间的关系用统计参量表征，如总振铃计数、总事件数、总能量、计数率、RMS、幅度分布和定位点分布等，再利用辅助

16、参量(如压力、温度、时间、位移和应变等)，就可得到数十个相关图。三、声发射技术的主要研究内容第23页/共44页 在实际的声发射检测中，检测到的单个信号是经过多次反射和波型变换的复杂脉冲信号。在声发射检测分析仪中，对单个声发射信号常用以下6个表征参量。（1）声发射事件与振铃计数一个突发型信号的时域波形，通过包络检波后，波形超过预置的阀值电压(也称门槛值)形成一个脉冲，该脉冲就是一个事件计数。一般，一个声发射事件反映了声源一次应变能的释放。若将时域波形中超过门槛值的振铃次数形成矩形脉冲，则计数这些振铃脉冲就是振铃计数，如图所示，跃过门槛值的振铃计数为7。三、声发射技术的主要研究内容第24页/共44

17、页 声发射信号特征参量声发射信号特征参量三、声发射技术的主要研究内容Voltsor dBTime AmplitudeThreshold andFirst threshold crossingDuration第25页/共44页幅度（峰值幅度）幅度是指时域波形中超过门槛值的峰值电压。能量将声发射信号的幅度平方，然后进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，并依此作为信号所包含能量的量度。上升时间在时域波形中，第一次超过门槛的振铃脉冲到峰值幅度的时间为上升时间。持续时间时域波形中第一次超过门槛值的振铃脉冲到最后一个超过门槛值振铃脉冲之间的时间为持续时间。三、声发射技术的主要研究内容第26页/共44

18、页三、声发射技术的主要研究内容统计参量的表征方法在材料测试和压力容器声发射检测过程中，将采集到大量的声发射信号，对这些信号进行处理和分析需采用统计参量的表征方法。（1）事件总计数、事件计数率、振铃总计数和振铃计数率在声发射信号处理中，将试验开始到结束(或某一阶段)的事件计数进行累积，称为事件总计数。也可以计单位时间内的事件数目，称为事件计数率。事件计数方法着重声发射事件出现的数目和频度，而不注意事件的幅度。它相当于裂纹扩展过程中释放应变能的次数和变化率。第27页/共44页三、声发射技术的主要研究内容从试验开始到结束(或某一阶段)的振铃计数的累积，称为振铃总计数。而单位时间内的振铃数称为振铃计数

19、率。这两统计参量也与裂纹状态和变化率有关。但是，由于振铃计数受传感器的特性和试件、结构的几何形状等因素的影响很大，所以测试中更常用事件总计数和事件计数率。（2）幅度分布幅度分布是指按声发射信号峰值幅度的大小分别进行事件累积计数。试验表明，不同的声发射源具有不同的幅度分布，主要有随幅度增加而事件数单调减少的高斯分布和对数正态分布两种。它也是反映声发射源本质的重要统计特征参量。第28页/共44页三、声发射技术的主要研究内容（3）总能量和总幅度从试验开始到某一阶段测得的声发射信号能量或幅度累积，称为总能量或总幅度。通常取X轴为时间或载荷，Y轴为总能量或总幅度。由测试数据所绘出的曲线可以反映出试件或结

20、构内活性缺陷的破坏过程。第29页/共44页三、声发射技术的主要研究内容声发射源定位在声发射检测中，声发射源(简称声源)主要为裂纹的萌生和扩展、屈服和塑性变形、夹渣物的断裂和脱开等。这些声发射源多数表现为点源，并以球面波的形式向四面八方发射能量。因此，一个声发射传感器的检验是无取向性的。两个声发射传感器通过时差计算对声发射源可以进行线定位，而三个以上传感器通过时差计算可对声发射源进行面定位。由于瞬态应力波在传播过程能量逐渐衰减，因此，传感器之间距离应在声源的可检测范围之内。第30页/共44页三、声发射技术的主要研究内容衰 减 当声波在构件中传播时，它的幅度就降低。这一影响称为衰减。衰减是由几个因

21、素造成的。在大多数结构中，最主要的因素是几何扩散，结构边界的散射以及吸收。在现实的结构中，边界把应力波限制在一个有限的空间里，所以来自于波束扩散的衰减是有限的。衰减的第二个主要原因就是在结构边缘或几何不连续处的反射（散射）。当波遇到不连续处时，一部分能量被反射回来。衰减的第三个原因是吸收。波中的弹性能和动能被传导波的材料吸收并转化成热量。绘制衰减曲线的方法：在距传感器不同距离的几个位置上各断铅几次，然后记录每次断铅的幅度。在每个距离上取幅度的平均值，然后绘出平均幅度随距离的曲线图。第31页/共44页三、声发射技术的主要研究内容声发射源定位是声发射检测与评定中一个重要指标。较常见的有区域定位法和

22、点定位法（也称时差定位法）。区域定位方法对传感器的安装位置没有特殊要求，即不必按照一定的阵列形式布置，传感器的间距可以较大，但要求在被检区域任意位置处的声源信号至少被其中一个传感器接收到，声源的位置就是首先接收到该声源信号的传感器的位置。该方法灵活且检测范围大，但定位结果因为是表示一定区域内的缺陷，所以具有不确定性。第32页/共44页根据时差定位原理，推导出声源线定位公式：a=vt/2(t为正，a在x轴的正方向）例：已知压力容器上两传感器S1和S2的间距L=1600mm,在传感器S1处断铅，测得到达传感器S2的时差为t=500s。波速v2a/t=1.6/(50010-6)=3200m/s声 源

23、 线 定 位 原 理2a2LS2S1XY声声源源声源线定位图第33页/共44页声源三角定位原理声源三角定位原理第34页/共44页声 源 球 面 定 位第35页/共44页三、声发射技术的主要研究内容数字式声发射检测分析仪第36页/共44页AMSY-5:1st AE-system with central PCI bus controller.AMSY4-channels can beused with AMSY-5.For Windows 2K and XP.数字式新型声发射检测分析仪AMSY-5第37页/共44页2 2通道通道AEAE卡卡PCI-2PCI-2第38页/共44页现代科学技术史的研

24、究表明,一门新技术的发展必需具备三个条件:社会需要 具有新的方法和独特之处 对研究者有很强的吸引力四、声发射检测技术的特点第39页/共44页声发射技术之所以有生命力,除了该技术的社会发展背景和跨学科、多领域的研究课题外，主要还与它具有其他技术不可取代的自身特点有关。声发射检测技术的主要特点如下：声发射检测技术是一种动态无损检测技术。这是声发射检测同其它检测技术的根本区别。声发射探测到的声源能量来自被测试物体活性缺陷的本身，而不是由无损检测仪器提供（如：超声或射线探伤方法）。因此，声发射检测技术具有实时、在线的特点，并有广泛地应用前景。四、声发射技术的特点第40页/共44页 除极少数材料外，黑色

25、金属、有色金属、复合材料、塑料、木材、岩石和混凝土等各种固体材料都有声发射现象。10-4次次 声声可听声可听声超超 声声高频超声高频超声10-110210510810111014四、声发射技术的特点次声：104Hz几十Hz可听声：几十Hz20KHz超声：20KHz105KHz高频超声：高频超声：105KHz1011KHz压力容器声发射检测频率：压力容器声发射检测频率：100300KHz第41页/共44页四、声发射技术的特点 声发射检测技术是一种整体检测技术。在一次试验过程中，通过按一定阵列布置少量固定不动的传感器，声发射检测仪就可获得被检对象中声源在检测过程中的活动信息，并可确定声源的大致位置。适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号。第42页/共44页四、声发射技术的特点 声发射检测方法对构件的几何形状无特殊要求，适于用形状复杂构件的活性缺陷检测与评价。对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产。从以上特点可以看出，声发射检测与常规的无损检测方法有很大的差别，可以完成许多常规检测所不能完成的任务。第43页/共44页