聲發射技術及其在檢測中的應用

摘要：介紹了聲發射檢測技術原理及其發展歷程和現狀，綜述聲發射信號處理的困難、降噪方法、信號分析方法、源定位和在檢測中的應用。 

關鍵詞：聲發射技術；信號處理；源定位；安全評定 1聲發射技術發展 

現代聲發射技術的開始上世紀50年代初Kaiser在德國所作的研究工作為標志。聲發射技術在20世紀70年代初引入我國，希望利用聲發射進行斷裂力學難點裂紋的開裂點預報和測量研究。20世紀80年代初，國內開始嘗試將聲發射技術用于壓力容器檢驗等工程，但是由于當時聲發射儀器性能和信號處理方面的限制，以及缺乏對聲發射源性質和聲發射信號傳輸特性等理論知識，聲發射技術陷入低谷。20世紀80年代中期，從美國PAC公司引進聲發射儀器，使我國聲發射技術的研究、應用和儀器技術水平不斷提高。20世紀90年代至今，隨著聲發射儀研制國產化程度不斷提高，聲發射技術在我國的研究和應用呈快速發展的趨勢。 2聲發射信號處理分析技術 

2．1聲發射信號及信號處理的困難：從時域形態上，一般將聲發射信號分為兩種基本類型：突發型和連續型。突發型信號，指在時域上可分離的波形。如斷續的裂紋擴展。當聲發射頻度高達時域上不可分離的程度時，就以連續型信號顯示出來，如流體泄漏信號。突發信號參數包括：波擊計數、振鈴計數、幅度、能量計數、上升時間、持續時間和時差等；連續信號參數包括：振鍘寸數、平均信號電平和有效值電壓。圖2常用信號特征參數的定義： 

聲發射信號處理分析是實現聲發射源定性識別、定位判斷和定量評價。AE信號處理面臨的zui大難題，首先是AE源的多樣性、信號本身的突發性和不確定性。不同的AE源機制，可以產生*不同的AE信號。其次，AE信號傳輸途徑的影響。AE傳感器所獲得的信號至少是聲源、傳輸介質、耦合介質和換能器響應等因素的綜合結果。聲發射信號在材料或結構中經多次反射、衰減以及波形轉換后，其波形將發生很大畸變。聲源發出的聲波可以經多種路徑到達傳感器，因此，所探測到的聲信號波形是不同路徑到達傳感器聲波的疊加，使信號趨于復雜。此外，由于傳感器本身的“振鈴”效應，從而導致輸出信號更加復雜。AE信號處理技術面臨的另外兩大困難是AE信號的微弱性和干擾噪聲的多樣性。聲發射是以被動檢測的方式用于動態監測，噪聲干擾十分嚴重，外部干擾噪聲可能遠遠大于AE信號。AE檢測干擾噪聲主要有：環境噪聲、機械噪聲和電子儀器干擾噪聲等。這些噪聲的主要時域特征是隨機地分布在整個采樣時間范圍內，不僅影響信號采集速率，而且造成采集的數據非常龐大難以有效處理，很難保證AE監測的實時性。 

2．2克服干擾噪聲的常用方法： 

在AE檢測中，克服干擾噪聲十分重要，也是AE信號的處理方法。常用的降噪的方法如下： 

(1)選擇適當的工作頻率。 (2)利用差動傳感器。 

(3)設置閾值或降低測試靈敏度。同時去除低于閾值的AE信號和噪聲信號。 (4)在聲源處阻止噪聲發生。設備適當接地或屏蔽，噪聲源和傳感器問引入屏蔽或衰減介質。 

(5)時間閘門。為抑制來自電源開關的噪聲，測試電路僅在產生有用AE信號時才工作。 

(6)負載控制閘門。采用電子閘門電路，僅在負荷接近zui大值時才記錄AE數據，排除其他期間噪聲干擾。 2．3 AE信號處理技術 

2．3．1 AE信號參數分析：早期的聲發射儀不具備對信號進行瞬態波形捕捉和實時處理的能力，因此信號分析中用得較多的是參數分析方法。盡管每個聲發射參數都能提供與聲發射源特征的相關信息，但聲發射參數只是對聲發射信號波形某個特征的描述，用其表征整個聲發射源的特征具有局限性。參數分析方法的zui大缺點是有關AE源本質的信息往往被諧振式傳感器自身的特點所掩蓋或模糊掉，其實驗結果的重復性很差。此外，傳統參數分析方法認為AE信號是以某一固定速度傳播的假設，在具有較強聲各向異性的復合材料檢測中受到了嚴重挑戰。 

2．3．2聲發射信號波形分析：波形分析是指通過分析聲發射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。從理論上講，波形分析應當能給出任何所需的信息，因而波形是表達AE源特征的zui的方法，并可獲得信號的定量信息。美國Gorman等人在復合材料板的聲發射波形特征方面提出了“模態聲發射”的概念，區分參數分析方法。模態聲發射技術基于導波理論，吸收了超聲波傳播中易解釋和接受的物理模型方面的優點。被測材料結構中的源或聲發射事件在負載作用下產生的是頻率和模態豐富的導波信號，利用導波理論和牛頓力學定律將聲發射應用中源定位不準確、信號解釋困難和噪聲問題等從理論上得到了較好的解釋和表達，并通過建立簡單明確的物理數學模型表征問題。 

2．3．3頻譜分析：頻譜分析方法可以分為經典譜分析和現代譜分析，是聲發射信號處理中zui常用的分析方法。兩種譜分析方法都是通過把聲發射信號從時域轉換到頻域，在頻域中研究聲發射信號的各種特征，找到識別聲發射源本征信息。但信號的頻譜分析要求被分析的信號是周期性的平穩信號，并且譜分析是一種忽略局部信息變化的全局分析方法。 3聲發射源的定位技術 

聲發射源定位是進行聲發射檢測的一項重要工作，是聲發射檢測與評定的一項重要指標，其準確程度反映了聲源檢測位置與實際出現的活動缺陷位置的吻合程度。目前，定位方法主要可以分為時差定位法、區域定位法和智能定位法。時差定位法是根據同一聲發射源所發出的聲發射信號到達不同傳感器的時間差，經波速、傳感器間距等參數的測量和算法運算，確定聲源的位置，是一種而復雜的定位方法。區域定位是根據聲發射信號的傳感器個數和相對時差時序來判定聲發射源所處的區域，是一種快速、簡便而粗略的定位方法。 4聲發射技術在工程中的應用 

聲發射技術作為一種新興的動態無損檢測方法已被廣泛地應用在材料試驗、航天和航空、金屬加工、等領域。在材料試驗中，由于聲發射對缺陷起始和擴展*的敏感性，及其所具有的動態檢測強度秘評估使用壽命的*功能，聲發射技術用在材料的性能測試、斷裂試驗、疲勞試驗、腐蝕監測和摩擦測試，鐵磁性材料的磁聲發射測試等方面。采用聲發射技術已能檢測每根碳纖維或玻璃纖維絲束的斷裂及絲柬斷裂載荷的分布，從而評價碳纖維或玻璃纖維絲束的質量。 

在航天和航空工業上，利用聲發射技術對航空器殼體和主要構件的檢測和結構完整性評價，航空器的時效試驗、疲勞試驗撿測運行過程中的在線連續監測等。首先研究裂紋擴展與聲發射信號包絡參數之間的關系，然后對數據進行適當處理，建立聲發射數據的統計參數與裂紋擴展之聞的關系，利用了波形分析技術進行信號識別和分析，從而獲得與損傷有關的聲源(裂紋擴展)信息，識別聲發射信號與噪聲，完成了對飛機、航天器關鍵結構的聲發射疲勞監測。 

在金屬加工中，工具磨損和斷裂的探測，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測，修理整形的驗證，金屬加工過程的質量控制，焊接過程監測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預防。實驗發現AE總計數與刀具后刀面的磨損存在著非常密切的相關性，刀具破損時AE信號比正常切削時大得多，并且大都有前兆信號。因此，可以利用AE監測刀具破損。 5結束語 

目前，雖然我國的聲發射技術取得了很大進展，但與歐美等王照發達國家相比，在很多方面還有差距，在缺陷檢測和監測和結構評價等方面需要研究的工作： 

(1)聲發射波傳播和波形轉換方蘧的理論研究，為聲發射技術在工程應用提供理論依據； 

(2)開發適用于各種工程檢測聲發射信號數據分析與處理軟件和儀器；(3)研制適用不同環境、不同結構和性能的聲發射傳感器，促進聲發射技術的應用。 

(4)同模式識別和預測技術相結合，充分利用聲發射信號包含的聲發射源信息，實現聲發射源模式識別、結構失效預測和自動報警。 

(5)加強聲發射儀的開發和研制，尤其全數字式聲發射儀的開發和生產，國內在這方面尤為落后。 

(6)制定聲發射檢測／監測、評價的新方法及標準。