声发射技术的基础原理资料课件.ppt

1、n声发射信号的频率声发射信号的频率几几HZ到数到数MHZ，包括次声频、声频（，包括次声频、声频（20HZ20KHZ）、超声频。）、超声频。n声发射信号幅度声发射信号幅度从微观的位错运动到大规模的宏观断裂，变化范围很大，波长范围从从微观的位错运动到大规模的宏观断裂，变化范围很大，波长范围从10-13m的微观位的微观位错运动到错运动到1m量级的地震波；传感器的输出可包括数量级的地震波；传感器的输出可包括数v到数百到数百mv。不过多数声发射信号为只能用高灵。不过多数声发射信号为只能用高灵敏度传感器才能探测到的微弱振动。敏度传感器才能探测到的微弱振动。n声发射检测技术声发射检测技术用仪器探测、记录、分

2、析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术发射技术。声发射效应Kaiser EffectKaiser Effect材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。Felicity EffectEffect材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应。（称为费利西蒂效应。（PAEPmax），称为费利西蒂比。），

3、称为费利西蒂比。PAEPmax 0.95作为声发射源超标的重作为声发射源超标的重要判据。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的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，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，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进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进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。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

4、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，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确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部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。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器壁、焊缝、装配的零部件等表面和内部产生的声发射源，：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生的声发射源，并确定声发射源的部位及划分综合

5、等级。并确定声发射源的部位及划分综合等级。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)声发射检测在一次试验过程中能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态；声发射检测在一次试验过程中能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态；(4)可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；及早期

6、或临近破坏预报；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(5)(5)适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；(6)(6)对于在役压力容器的定期检验，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；对于在役压力容器的定期检验，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；(7)(7)对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起

7、系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力；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)对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。因为声发射特性对材料甚为敏感，又易对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。因为声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰。受到机电噪声的干扰。(2)(2)声发射检测，一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要特声发射检测，一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要特作准备；作准备；(3)(3)声发射检

8、测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，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。4 4 声发射技术的特点声发射技术的特点 5 声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比 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

9、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第一节第一节 材料的结构材料的结构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米到几百微米之间。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。n在晶粒内部，有可能存在各种不同材料的微小的夹杂物，例如，铁素体钢中的部分碳可以形成在晶粒内部，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Fe3C（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。夹杂对金属的机械性能具有（碳化铁），它具有自已的结晶结构，并在局部位置上代替了

10、铁素体晶格。夹杂对金属的机械性能具有非常大的影响。非常大的影响。第二节第二节 材料力学材料力学应力应力材料单位面积上所受的作用力。物体内的应力称为应力场材料单位面积上所受的作用力。物体内的应力称为应力场。应力的单位：。应力的单位：Kg/cm2 和和 Mpa。与压强的单位相同。与压强的单位相同。应力的种类应力的种类拉应力、压应力和剪切应力。根据物体的结构和加载方式的不同，物体内出现的应拉应力、压应力和剪切应力。根据物体的结构和加载方式的不同，物体内出现的应力状态也不同，分别有拉应力、压应力和剪切应力。实际物体结构中的应力要复杂得多，通常是这力状态也不同，分别有拉应力、压应力和剪切应力。实际物体结

11、构中的应力要复杂得多，通常是这三种应力的组合。三种应力的组合。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(应力与应变的关系应力与应变的关系)第三节第三节 材料弹性和塑性变形材料弹性和塑性变形弹性变形弹性变形材料在应力作用下产生变形，当应力消逝后，材料的变形也将消逝，材料完全回复到原来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，材料完全回复到原来的状态，这种变形即称为弹性变形。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，当应力消逝后，即使材料的应力全部解除，材料也不能回复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

12、部解除，材料也不能回复到原来的状态，即永久变形，这种变形即称为塑性变形。这时，材料的应力达到或超过了材料的屈服点，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服点，材料产生的塑性变形，材料也不能回复到原来的状态。材料产生的塑性变形，材料也不能回复到原来的状态。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增长和聚结韧性斯裂韧性斯裂 第三节第三节 材料弹性和塑性变形材料弹

13、性和塑性变形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，但不发生在钢与铝中。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。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裂纹周围的应力场分布内部带有裂纹的材料在受到应力作用时，应力场必定要内部带有裂纹的材料在受到应力作用时，应力场必定要“围绕着围绕着”裂纹裂纹的边界产生集中的边界产生集中，应力的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，应力的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于强性范围以内部位还都处于强性范围以内。在材

14、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发。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发射信号。射信号。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 第三节第三节 材料弹性和塑性变形材料弹性和塑性变形 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，并且迅速地使部件断裂。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。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来衡量材料的断裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过来衡量材料的断裂韧性。裂纹尖端附近应力场的强度通过“应力强度因子应

15、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。“亚临界亚临界”裂纹扩展裂纹扩展就是发生在裂纹临界扩展发生以前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如就是发生在裂纹临界扩展发生以前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下：下：a)不断上升的

16、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 第四节第四节 声发射源声发射源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稳定解,叫稳态源模型。动态源模型是应

17、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 突发声发射信号突发声发射信号声发射事件信号是断续，且在时间上可以分开，那么这种信号就叫突发声发射信号。声发射事件信号是断续，且在时间上可以分开，那么这种信号就叫突发声发射信号。连续声发射信号连续声发射

18、信号如果大量的声发射事件同时发生如果大量的声发射事件同时发生,且在时间上不可分辨，这些信号就叫做连续声发且在时间上不可分辨，这些信号就叫做连续声发射信号。实际上连续型声发射信号也是由大量小的突发型信号组成的，只不过太密集不能单个分辨而射信号。实际上连续型声发射信号也是由大量小的突发型信号组成的，只不过太密集不能单个分辨而已已 。声发射信号动态范围声发射信号动态范围材料内产生的声发射信号具有很宽的动态范围，其位移幅度可以从小于材料内产生的声发射信号具有很宽的动态范围，其位移幅度可以从小于1010-15-15 m m到到1010-9-9 m,m,达到达到10106 6量级（量级（120dB120d

19、B）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（或夹杂物断裂或脱开）第二相质点（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性变形金属塑性变形晶体材料晶体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，但韧性很差，因此其声发射源主要为微裂纹开裂和宏观开裂。这些材料均为脆性材料，其强度很高，但韧性很差，

20、因此其声发射源主要为微裂纹开裂和宏观开裂。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，而且容易制造出结构较复杂的部件。

21、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相颗粒和基体的脱开。相颗粒和基体的脱开。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化元件松动、间歇接触元件

22、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。第五节第五节 波的传播波的传播波波就是材料质点离开平衡位置的运动（振动）在材料中的传播。就是材料质点离开平衡位置的运动（振动）在材料中的传播。纵波（压缩波）纵波（压缩波）质点的振动方向与波的传播方向平行，可在固体、液体、气体介质中传播。质点的振动方向与波的传播方向平行，可在固体、液体、气体介质中传播。n横波（剪切波）横波（剪切波）质点的振动方向与波的传播方向垂直，只能在固体介质中传播。质点的振动方向与波的传播方向垂直，只能在固体介质中传播。n表面波（瑞利波）表面

23、波（瑞利波）质点的振动轨迹呈椭圆形，沿深度约为质点的振动轨迹呈椭圆形，沿深度约为12个波长的固体近表面传播，波的能量随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。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的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点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。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。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(

24、t)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给出了在力作用点对面的垂直方向给出了在力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术，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。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，在板中来回反射的波的贡献（第三项之后）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

25、波的贡献（第三项之后）在式中略去。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的速度响应与力的变化率成正比，而切变波），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大小成正比。的速度响应与力的大小成正比。表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位

26、移表面阶跃力源在厚板对面产生的垂直位移。阶跃力源产生的垂直位移00.20.40.60.811.21.400.511.522.53时间(ct/b)归一化位移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。它们传播到不同材料界面时，可产生反射、折射。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。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。以下是纵波入射时的反射折射定律公式：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：nsinL/CL1=sin L/

27、CL1=sin S/CS1=sinL/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。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。两种入射波除各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限体

28、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，在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，见图自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，见图2.28。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度。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，波的传播变得更为复杂远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为复杂 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、不同波程、不同时序到达传感器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。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

29、度下降、持续时间变长、到达时间延迟、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，而且对波形的常规参数分析也带来复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，而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充分注意。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，等于频率与波长的乘积。

30、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。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性，因而不同的材料，波速也不同。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。）（2111-=EVlGEt）（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

31、钢45.55.5625.03.12n在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如，横波速度约为纵波速度的在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如，横波速度约为纵波速度的60%60%，表面波速度约为，表面波速度约为横波的横波的90%90%。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，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传播速度主要用于声发射源的时差定位计算，影响定位精度。实际中，难以理论计算，需用实验测量。实测波传播速

32、度主要用于声发射源的时差定位计算，影响定位精度。实际中，难以理论计算，需用实验测量。实测波速计算出的定位精度一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%10%1%10%。n常见容器类属于二维结构（薄壁），表面波或板波的传播衰减远小于纵波和横波，常成为主要的传播模式。多常见容器类属于二维结构（薄壁），表面波或板波的传播衰减远小于纵波和横波，常成为主要的传播模式。多数金属容器中，典型传播速度约为数金属容器中，典型传播速度约为3000 m/s3000 m/s。在无法测得波速的情况下，可用此值作为初设置。复合材料中，。在无法测得波速的情况下，可用此值作为初设置。复合材料中，声波的传播存在

33、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。几何效应几何效应被检试件或构件的几何形状对波的传播有很大的影响，可以产生衍射、反射和折射等，并被检试件或构件的几何形状对波的传播有很大的影响，可以产生衍射、反射和折射等，并最终引起波的衰减或叠加。声发射在小试件中产生共振波形（驻波）。最终引起波的衰减或叠加。声发射在小试件中产生共振波形（驻波）。第六节第六节 波的衰减波的衰减衰减衰减信号的幅值随着离开声源距离的增加而减小。信号的幅值随着离开声源距离的增加而减小。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的可检测性，对于声发射检验来说它是确定传感器间衰减控制

34、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间距的关键因素。距的关键因素。衰减的分类衰减的分类几何衰减几何衰减、材质衰减、色散衰减、散射与衍射衰减、。、材质衰减、色散衰减、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，波动将从源部位向所有的方向传播。即使在无损耗的介质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，波的幅度必定下降。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，波的幅度必定下降。（平面波无几何衰减）。（平面波无几何衰减）。

35、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。如果固体为弹性介质如果固体为弹性介质,声发射波的总机械能保持不变。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，而是逐渐衰减。由于质点振动内摩擦产生的热弹效应，机械能可的介质中，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为新的表面能，波与介质中位错的相

36、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，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，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

37、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变化引起的一种现象。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。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(如空洞、裂纹、夹杂物等如空洞、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”，即由于波向相邻介质，即由于波向相邻介质“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

38、碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。障碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。实际工作中声发射的衰减测量与应用：实际结构中，波的哀减机制很复杂，难以用理论计算，只能用试实际工作中声发射的衰减测量与应用：实际结构中，波的哀减机制很复杂，难以用理论计算，只能用试验测得。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。实际工作中传播衰减的大小，关系到每个传感器可监视的距离范围，在源定位中成为确定传感器间距或实际工作中传播衰减的大小，关系到每个传感器可监视的距离范围，在源定位中成为确定传感器间距或工作频率的关键因素。在实际应用中，为减少衰

39、减的影响而常采取的措施包括：降低传感器频率或减小工作频率的关键因素。在实际应用中，为减少衰减的影响而常采取的措施包括：降低传感器频率或减小传感器间距，例如，对复合材料的局部监视通常采用传感器间距，例如，对复合材料的局部监视通常采用150kHz的高频传感器，而大面积监视则采用的高频传感器，而大面积监视则采用30kHz的低频传感器，对大型构件的整体检测，可相应增加传感器的数量。的低频传感器，对大型构件的整体检测，可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）第七节第七节 凯塞凯塞(Kaiser)

40、(Kaiser)和费利西蒂和费利西蒂(Felicity)(Felicity)效应效应 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前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为凯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，如产生新裂纹或赛尔效应。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，如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。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的新生裂纹的定

41、期过载声发射检测：在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测：岩体等原先所岩体等原先所受最大应力的推定：受最大应力的推定：疲劳裂纹起始与扩展声发射检测，疲劳裂纹起始与扩展声发射检测，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。费利西蒂效应费利西蒂效应材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应，也可认为是反凯赛尔效应。利西蒂效应，也可认为是反凯赛尔效应。费利西蒂比费利西蒂比重复加载时

42、的声发射起始载荷（重复加载时的声发射起始载荷（P PAEAE）对原先所加最大载荷（）对原先所加最大载荷（P Pmaxmax）之比（）之比（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的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，由于具有应变对应力的严重程度，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，由于具有应变对应力的迟后效应而使其应用更为有效。费利西蒂比

43、大于迟后效应而使其应用更为有效。费利西蒂比大于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。在一些则表示不成立。在一些复合材料构件中，费利西蒂比小于复合材料构件中，费利西蒂比小于0.950.95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。n对于凯赛尔效应和费利西蒂效应的判别：关键是如何定义对于凯赛尔效应和费利西蒂效应的判别：关键是如何定义“明显明显”声发射。声发射。n美国美国CARP（增强塑料声发射监测委员会）推荐的规范，提出了三项判据：（增强塑料声发射监测委员会）推荐的规范，提出了三项判据：1）当负载增加）当负载增加10%，声发射超，声发射超过过5

44、个事件计数；个事件计数；2）当负载增加）当负载增加10%，声发射多于，声发射多于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我国航天部我国航天部QJ2914-1997提出的确定二次加载声发射起始载荷的判据：提出的确定二次加载声发射起始载荷的判据：1）在恒载一分钟周期内事件计数不）在恒载一分钟周期内事件计数不小于小于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必须指出的是：这些判据并不是通用的，不同的材料、实验条件、通道数、检测灵敏度，判据可能相差较必须指出的是：这些判据并不是通用的，不同的材料、实验条件、通道数、检

45、测灵敏度，判据可能相差较大。因此，还需从实际出发，根据经验作出自己的判定。大。因此，还需从实际出发，根据经验作出自己的判定。第八节第八节 影响声发射特性的因素影响声发射特性的因素 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

46、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

47、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并进行分析得到声发射源（缺陷）的信息。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，由于声发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因此，在进行某项具体的检测

48、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，以便滤去噪声的干扰。一般的机械噪声和电气噪声的围，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频率都比较低，因此在声发射检测中首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通滤波器。传感器和带通滤波器。第一节第一节 压电效应压电效应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

49、电效应正压电效应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逆压电效应逆压电效应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。机械应力，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

50、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，正压电效应和逆压电效应的总称为是可逆的，正压电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。它与机械形变方向有关，对一定材料一定方向则为常量。电介质受力产生电荷的极性取决于变形的形式（压缩或伸长）。压电材料具有明显压电效应的材料称为压电材料。常用的有石英晶体、铌酸锂LiNbO3、镓酸锂LiGaO3、锗酸铋Bi12GeO20等单晶和经极化处理后的多晶体如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系列压电陶