声发射技术的基础原理.ppt

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1、声发射声发射材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。波的现象。(Acoustic Emission,简称简称AE)，也称为，也称为应力波发射。应力波发射。声发射事件声发射事件引起声发射的局部材料变化。引起声发射的局部材料变化。声声发发射射源源材材料料中中直直接接与与变变形形和和断断裂裂机机制制有有关关的的弹弹性性波波发发射射源源。声声发发射射源源的的实实质质是是指指声声发发射射的的物物理理源源点点或或发发生生声声发发射射的的机机制制源源。材材料料在在应应力力作作用用下下的的变变形形与与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。裂纹扩展，是结构失效的重要机制。其其

2、它它声声发发射射源源流流体体泄泄漏漏、摩摩擦擦、撞撞击击、燃燃烧烧等等与与变变形形和和断断裂裂机机制制无无直直接接关关系系的的另另一一类类弹弹性性波波源源。也也称称为二次声发射源。为二次声发射源。声发射的概念声发射的概念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

3、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能探测到的微弱振动。探测到的微弱振动。n声声发发射射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。声发射技术的基础原理Kaiser 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。Felicity EffectEffect材

4、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。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

5、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。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。GB181

6、82：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。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

7、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连连续续信信息息，因因而而适适用用于于工工业业过程在线监控及早期或临近破坏预报；过程在线监控及早期或临近破坏预报；声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理声发射技术的优点声发射技术的优点(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、核核辐辐射射、易易燃燃、易易爆爆及及极极毒等环境；毒等环境；(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验的的停停产产时时间间或或者者不不需

8、需要停产；要停产；(7)(7)对对于于压压力力容容器器的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难性失效和限定系统的最高工作压力；灾难性失效和限定系统的最高工作压力；(8)(8)适于检测形状复杂的构件。适于检测形状复杂的构件。声发射技术的缺点声发射技术的缺点(1)(1)对对数数据据的的正正确确解解释释要要有有更更为为丰丰富富的的数数据据库库和和现现场场检检测测经经验验。因因为为声声发发射射特特性性对对材材料料甚甚为为敏敏感感，又又易易受到机电噪声的干扰。受到机电噪声的干扰。(2)(2)声声发发射射检检测测，一一般般需

9、需要要适适当当的的加加载载程程序序。多多数数情情况况下下，可可利利用用现现成成的的加加载载条条件件，但但有有时时，还还需需要要特作准备；特作准备；(3)(3)声声发发射射检检测测目目前前只只能能给给出出声声发发射射源源的的部部位位、活活性性和和强强度度，不不能能给给出出声声发发射射源源内内缺缺陷陷的的性性质质和和大大小小，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。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理声发射检测方法其它常规无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

10、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声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理晶界晶界晶粒之间的界面称为晶界。典型晶粒的大小为几微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。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，例在晶粒内部，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如，铁素体钢中的部分碳可以形成Fe3C（碳化铁），它具有（碳化铁），它具有自已的结晶结构，并在局

11、部位置上代替了铁素体晶格。夹杂自已的结晶结构，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。对金属的机械性能具有非常大的影响。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理应应力力材材料料单单位位面面积积上上所所受受的的作作用用力力。物物体体内内的的应应力力称称为为应应力力场场。应应力力的的单单位位：Kg/cm2 和和 Mpa。与压强的单位相同。与压强的单位相同。应应力力的的种种类类拉拉应应力力、压压应应力力和和剪剪切切应应力力。根根据据物物体体的的结结构构和和加加载载方方式式的的不不同同，物物体体内内出出现现的的应应力力状状态态也也不不同同，分分别别有有拉拉应应力力、压压应

12、应力力和和剪剪切切应应力力。实实际际物物体体结结构构中中的的应应力力要要复复杂杂得得多多，通通常常是是这这三三种种应力的组合。应力的组合。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理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)声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理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。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，

13、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。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理大量位错运动的结果将导致材料产生如下的结果：大量位错运动的结果将导致材料产生如下的结果：滑移滑移屈服屈服留德尔斯线（钢）留德尔斯线（钢）裂纹尖端塑性区裂纹尖端塑性区空隙增长和聚结空隙

14、增长和聚结韧性斯裂韧性斯裂 声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理孪生变形孪生变形孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，但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。不发生在钢与铝中。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理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

15、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。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理裂纹周围的应力场分布图裂纹周围的应力场分布图 声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理 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。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KIc来衡量材料的断裂来衡量材料的断裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过韧性。裂纹尖端附近应力场

16、的强度通过“应力强度因子应力强度因子”K来描述，来描述，K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。K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。用很快扩展，同时部件将立刻断裂。用KIc来表示来表示K的临界值。的临界值。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。“亚亚临临界界”裂裂纹纹扩扩展展就就是是发发生生在在裂裂纹纹临临界界扩扩展展发发生生以以前前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下：的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的

17、条件下如下：a)不断上升的载荷作用不断上升的载荷作用 b)疲劳（循环或重复载荷）疲劳（循环或重复载荷）c)应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂 d)氢脆开裂氢脆开裂 e)腐蚀疲劳腐蚀疲劳 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 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 塑性穿晶断裂塑性穿晶断裂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 声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理声发射源分类稳态源、动态源。稳态源模型将源看作一个能量发射器,并用应力应变等宏观参量来得到这一问题的

18、稳定解,叫稳态源模型。动态源模型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化，叫动态源模型。声发射的能量来源一般由外加负载、相变潜热、外加磁场等来提供。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）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 突突发发声声发发射射信信号号声声发发射射事事件件信信号号是是断断续续，且且在在时时间间上上可可以以分分开开，那那么么这这种种信信号号就就叫叫突突发发声声发发射射信信

19、号。号。连连续续声声发发射射信信号号如如果果大大量量的的声声发发射射事事件件同同时时发发生生,且且在在时时间间上上不不可可分分辨辨，这这些些信信号号就就叫叫做做连连续续声声发发射射信信号号。实实际际上上连连续续型型声声发发射射信信号号也也是是由由大大量量小小的的突突发发型型信信号号组组成成的的，只只不不过过太太密密集集不不能能单单个个分分辨辨而而已已 。声声发发射射信信号号动动态态范范围围材材料料内内产产生生的的声声发发射射信信号号具具有有很很宽宽的的动动态态范范围围，其其位位移移幅幅度度可可以以从从小小于于1010-15-15 m m到到1010-9-9 m,m,达到达到10106 6量级（

20、量级（120dB120dB）的范围。）的范围。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 晶体材料中的声发射源晶体材料中的声发射源 滑移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

21、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。复合材料中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2 2相材料所组成的。根据第相材料所组成的。根据第2 2相相材料的不同，复合材料分为材料的不同，复合材料分为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

22、制造出结构较复杂的部件。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2 2相颗相颗粒和基体的脱开。粒和基体的脱开。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7 7类：类：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拔出纤维拔出纤维断裂纤维断裂纤维松弛纤维松弛分层分层摩擦摩擦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 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

23、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常遇到这是在声发射检测过程中有可能经常遇到的。的。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理波波就是材料质点离开平衡位置的运动（振动）就是材料质点离开平衡位置的运动（振动）在材料中的传播。在材料中的传播。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向平行，可在固体、液体、气体介质中传播。方向平行，可在固体、液体、气体介质中传播。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

24、播。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。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。近场脉冲响应近场脉冲响应 点力阶跃脉冲力源点力阶

25、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。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

26、）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点脉冲加载的源点脉冲加载的源 TIME2.0冲击载荷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（t t），该处的速度响应为纵波），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与力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。的大小成正比。表面阶跃力源在厚

27、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 反射和折射反射和折射声发射源处产生的纵波和横波。它们传播到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。不同材料界面时，可产生反射、折射。LSL钢有机玻璃n各种反射波和折射波方向都符合反射、折射定律。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：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=sinL/CL2=sins/Cs2 nCL1、CS1 第一介质中的纵

28、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。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。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，在半无限体自由表

29、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2.28。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 厚板中传播厚板中传播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。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，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

30、向低频幅度下降、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，而且对波偏移。这种变化，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，应予以充分注意。形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充分注意。Vt 纵波速度；纵波速度；t 横波速度；横波速度；泊松比；泊松比；E 杨氏模量；杨氏模量；G 切变模量；切变模量；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，与波的频率和波长成正比，等于频率与传播速度，与波的频率和波长成正比，等于频率与波长的乘积。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

31、关的材料特性，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。因而不同的材料，波速也不同。）（ssrsr2111-=EVlrsruGEt）（121=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45.55.5625.03.12n在在同同种种材材料料中中，不不同同模模式式的

32、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象，约分布在纵波速度和横波速度之间。约分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。实实测测波波速计算出的定位精度一

33、般在传感器间距的速计算出的定位精度一般在传感器间距的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。复复合合材材料料中中，声波的传播存在各向异性，时差定位精度较差。声波的传播存在各向异性，时差定位精度较差。几几何何效效应应被被检检试试件件或或构构件件的的几几何何形形

34、状状对对波波的的传传播播有有很很大大的的影影响响，可可以以产产生生衍衍射射、反反射射和和折折射射等等，并并最最终终引引起起波波的的衰衰减减或或叠叠加加。声声发发射射在在小小试试件件中中产产生共振波形（驻波）。生共振波形（驻波）。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理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小。小。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。衰减的分类衰减的分类几何衰减几何衰减、材质衰

35、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、。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）。n材质衰减材质衰减由材料内摩擦引起的衰减。由材料内摩擦引起的衰减。如果固体为弹如果固体为弹性介质性介质,声发射波的总机械能保持不变

36、。然而，在实际声发射波的总机械能保持不变。然而，在实际的介质中，波传播的总机械能不能保持不变，而是逐渐的介质中，波传播的总机械能不能保持不变，而是逐渐衰减。由于质点振动内摩擦产生的热弹效应，机械能可衰减。由于质点振动内摩擦产生的热弹效应，机械能可以被转变为热能。如果应力超过介质的弹性极限，塑性以被转变为热能。如果应力超过介质的弹性极限，塑性变形也引起机械能的损失。裂纹扩展将波的机械能转换变形也引起机械能的损失。裂纹扩展将波的机械能转换为新的表面能，波与介质中位错的相互作用也可引起能为新的表面能，波与介质中位错的相互作用也可引起能量的损失和衰减。塑性材料的粘性行为、界面之间的摩量的损失和衰减。塑

37、性材料的粘性行为、界面之间的摩擦和复合材料中非完全结合的夹杂物或纤维都能引起波擦和复合材料中非完全结合的夹杂物或纤维都能引起波的能量损耗和衰减。磁弹相互作用、金属中的电子相互的能量损耗和衰减。磁弹相互作用、金属中的电子相互作用、顺磁电子或核子的自旋机制等都能引起波的能量作用、顺磁电子或核子的自旋机制等都能引起波的能量损失和衰减。无论上述那一种机制引起机械能的损耗，损失和衰减。无论上述那一种机制引起机械能的损耗，波的幅度都将随波通过介质中的传播而下降。波的幅度都将随波通过介质中的传播而下降。色散衰减色散衰减色散是在某些物理系统中波速随频率色散是在某些物理系统中波速随频率变化引起的一种现象。变化引

38、起的一种现象。散射和衍射衰减散射和衍射衰减 波在具有复杂边界或不连续波在具有复杂边界或不连续(如如空洞、裂纹、夹杂物等空洞、裂纹、夹杂物等)的介质中传播将与这些几何的介质中传播将与这些几何不连续产生相互作用产生散射和衍射现象。不连续产生相互作用产生散射和衍射现象。其他因素素起的衰减其他因素素起的衰减相邻介质相邻介质“泄漏泄漏”，即，即由于波向相邻介质由于波向相邻介质“泄漏泄漏”而也造成波的幅度下降，而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介质，例如，容器中的水介质，障碍物，即容器上的接障碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。实实际际工工作作中中声声

39、发发射射的的衰衰减减测测量量与与应应用用：实实际际结结构构中中，波波的的哀哀减减机机制制很很复复杂杂，难难以以用用理理论论计计算算，只只能能用用试试验测得。随着频率的增加内摩擦也增加，衰减加快。验测得。随着频率的增加内摩擦也增加，衰减加快。实实际际工工作作中中传传播播衰衰减减的的大大小小，关关系系到到每每个个传传感感器器可可监监视视的的距距离离范范围围，在在源源定定位位中中成成为为确确定定传传感感器器间间距距或或工工作作频频率率的的关关键键因因素素。在在实实际际应应用用中中，为为减减少少衰衰减减的的影影响响而而常常采采取取的的措措施施包包括括：降降低低传传感感器器频频率率或或减减小小传传感感器

40、器间间距距，例例如如，对对复复合合材材料料的的局局部部监监视视通通常常采采用用150kHz的的高高频频传传感感器器，而而大大面面积积监监视视则则采采用用30kHz的的低低频频传传感感器器，对对大大型型构构件件的的整整体体检检测测，可可相应增加传感器的数量。相应增加传感器的数量。压力容器压力容器9衰减曲线衰减曲线1200X12.5X12200mm）1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 距离（距离（m）声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理凯赛尔效应凯赛尔效应重复载荷到达原先所加最大载荷以重复载荷到达原先所加最大载荷以前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为前不发生明显声发射，这种声发射不

41、可逆性质称为凯赛尔效应。多数金属材料和岩石中，可观察到明凯赛尔效应。多数金属材料和岩石中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。凯赛尔效应在声发射检测中的应用凯赛尔效应在声发射检测中的应用在役构件在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测：的新生裂纹的定期过载声发射检测：岩体等原先岩体等原先所受最大应力的推定：所受最大应力的推定：疲劳裂纹起始与扩展声发疲劳裂纹起始与扩展声发射检测，射检测，通过预载措施消除加载销孔的噪声干扰，通过预载措施消除加载销孔的噪

42、声干扰，加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。费费利利西西蒂蒂效效应应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，称称为为费利西蒂效应，也可认为是反凯赛尔效应。费利西蒂效应，也可认为是反凯赛尔效应。费费利利西西蒂蒂比比重重复复加加载载时时的的声声发发射射起起始始载载荷荷（P PAEAE）对对原原先先所所加加最最大大载载荷荷（P Pmaxmax）之之比比（P PAEAEP Pmaxmax），称为费利西蒂比。称为费利西蒂比。费利西蒂效应的应用费利西蒂效应的应用费利西蒂比作为

43、一种定量费利西蒂比作为一种定量参数，较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷参数，较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据。的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据。树脂基复合材料等粘弹性材料，由于具有应变对应树脂基复合材料等粘弹性材料，由于具有应变对应力的迟后效应而使其应用更为有效。费利西蒂比大力的迟后效应而使其应用更为有效。费利西蒂比大于于1 1表示凯赛尔效应成立，而小于表示凯赛尔效应成立，而小于1 1则表示不成立。则表示不成立。在一些复合材料构件中，费利西蒂比小于在一些复合材料构件中，费利西蒂比小于0.950.95作为作为声发射源超标的重要判据。声

44、发射源超标的重要判据。n对对于于凯凯赛赛尔尔效效应应和和费费利利西西蒂蒂效效应应的的判判别别：关关键键是是如如何何定义定义“明显明显”声发射。声发射。n美美国国CARP（增增强强塑塑料料声声发发射射监监测测委委员员会会）推推荐荐的的规规范范，提提出出了了三三项项判判据据：1）当当负负载载增增加加10%，声声发发射射超超过过5个个事事件件计计数数；2）当当负负载载增增加加10%，声声发发射射多多于于20个振铃计数；个振铃计数；3）在恒定载荷下的持续声发射。）在恒定载荷下的持续声发射。n我我国国航航天天部部QJ2914-1997提提出出的的确确定定二二次次加加载载声声发发射射起起始始载载荷荷的的判

45、判据据：1）在在恒恒载载一一分分钟钟周周期期内内事事件件计计数数不不小小于于5；2）在）在10%的载荷增量中事件计数不小于的载荷增量中事件计数不小于10。n必必须须指指出出的的是是：这这些些判判据据并并不不是是通通用用的的，不不同同的的材材料料、实实验验条条件件、通通道道数数、检检测测灵灵敏敏度度，判判据据可可能能相相差差较较大大。因此，还需从实际出发，根据经验作出自己的判定。因此，还需从实际出发，根据经验作出自己的判定。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理声发射技术的应用均以材料的声发射特性为基础。影响声发射特性的因素：材料，材料不同的声发射特性差异很大。即使对同一材料而言，影响声发射特

46、性的因素也十分复杂，如热处理状态、组织结构、试样形状、加载方式、受载历史、温度环境和气氛等。试件，尺寸和形状。应力，应力状态、应变率、受载史。环境，温度、腐蚀介质。对同一试样作声发射试验，在同样的内部和外部条件下，由于试样的声发射源不同，也会表现出不同的声发射特性。条件产生高强度信号的因素产生低强度信号的因素材料特性(内部因素)高强度材料 各向异性材料 不均匀材料 铸造材料 大晶粒 马氏体相变 核辐照过的材料 低强度材料 各向同性材料 均匀材料 锻造材料 细晶粒 括散型相变 未辐照过的材料试验条件(外部因素)高应变速率 无预载 厚断面 低温 有腐蚀介质 低应变速率 有预载 薄断面 高温 无腐蚀

47、介质形变和断裂方式(内外部因素综合作用)孪生变形 解理型断裂 有缺陷材料 裂纹扩展 复合材料的纤维断裂 非孪生变形 剪切型断裂 无缺陷材料 塑性变形 复合材料的树脂断裂仪器特性(外部因素)通频带宽度 传感器的响应模式和频率 系统总增益 设置的阈值电压影响声发射信号强度的因素：影响声发射信号强度的因素：第第三三章章声发射波的探测声发射波的探测声发射检测就是检测接收声发射信号声发射检测就是检测接收声发射信号并进行分析得到声发射源（缺陷）的信并进行分析得到声发射源（缺陷）的信息。息。tV贮罐油面内置前放的传感器信号电缆线内置声发射卡计算机系统腐蚀点腐蚀信号由于声发射信号的每个脉冲都包含着一个由于声发

48、射信号的每个脉冲都包含着一个频率谱，这个频率谱所包括的频率范围可频率谱，这个频率谱所包括的频率范围可以从几赫兹到几十个兆赫兹，因此，在进以从几赫兹到几十个兆赫兹，因此，在进行某项具体的检测工作时，首先应该知道行某项具体的检测工作时，首先应该知道所要检测的缺陷在外力作用下产生的声发所要检测的缺陷在外力作用下产生的声发射的大致频率范围，然后再从这个总范围射的大致频率范围，然后再从这个总范围内选择一个最适合的频率窗口，以便滤去内选择一个最适合的频率窗口，以便滤去噪声的干扰。一般的机械噪声和电气噪声噪声的干扰。一般的机械噪声和电气噪声的频率都比较低，因此在声发射检测中首的频率都比较低，因此在声发射检测

49、中首先要确定频率窗口的下限。在频率窗口确先要确定频率窗口的下限。在频率窗口确定后，就能依此为根据来选定传感器和带定后，就能依此为根据来选定传感器和带通滤波器。通滤波器。声发射技术的基础原理声发射技术的基础原理压电效应分类压电效应分类正压电效应、逆压电效应。正压电效应、逆压电效应。正压电效应正压电效应当某些电介质沿一定方向受外力当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生正负作用而变形时，在其一定的两个表面上产生正负异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象就被称为正压电效应态，这种现象就被称为正压电效应逆压电效应逆压电

50、效应当在电介质的极化方向施加电场，当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或机某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。失，这种物理现象称为逆压电效应。压电效应的特点压电效应的特点压电效应压电效应是可逆的，正压电是可逆的，正压电效应和逆压电效应的总称为效应和逆压电效应的总称为压电效应压电效应。惯上把正。惯上把正压电效应称为压电效应。压电效应称为压电效应。压电常数电介质受力所产生的电荷与外力的大小成正比，比例系数为压电常数，也称机械品质系数。它与机械形变