第6章声发射检测

1、.6. 4 声发射检测声发射检测本节学习需要解决的问题：本节学习需要解决的问题：A. 什么是声发射？B. 声发射检测的原理是什么？C. 声发射检测具有什么特点？D. 声发射检测是如何进行的？E. 声发射检测技术的应用现状及其发展前景如何？. 6. 4. 1 概述概述 声发射 (Acoustic Emission =AE) 材料受外力或内力作用产生变形或断裂, 以弹性波形式释放出应力应变能的现象以弹性波形式释放出应力应变能的现象 声发射信号的频率范围 从次声频、声频到数十 MHz 超声频 声发射信号幅度范围可从几微伏到上百伏 声发射技术用仪器检测、记录、分析声发射信号并利用声发射信号推断声发射源

2、. 德国人Kaiser于19501953 年期间观察到金属锌、铜、铝及铅都有声发射现象，并发现了声发射的不可逆效应 Kaiser效应声发射检测的物理基础 由于材料塑性形变具有不可逆的特点，由塑性形变引起的声发射也不可逆的。第二次重复载荷当超过第一次最大载荷时才产生声发射，这一现象称为声发射的不可逆效应. 从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射换能器探测的表面位移， 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 Principle of acoustic emission6. 4. 2 声发射检测原理声发射检测原理.6. 4. 3 声发射信号声发射信

3、号 6. 4. 3. 1 声发射信号的传播声发射信号的传播 理想半无限大固体内：声发射信号以纵波、横波等模式从声发射源传到传感器 实际情形：声发射信号因界面反射作用，不断多次反射而到达传感器，称为循轨波循轨波。传感器接收的是由于界面反射产生变换的几种波模式的叠加传感器横波纵波表面波波源传感器波源 半无限大固体内声发射波的传播半无限大固体内声发射波的传播 循轨波的传播情况循轨波的传播情况. 1. 连续声发射信号连续声发射信号 一种发射次数很多的连续波形 连续型信号对应变速率敏感，主要与材料的位错和交叉滑移等塑性变形有关6. 4. 4 声发射信号的两种基本类型声发射信号的两种基本类型 连续型声发射

4、信号. 2. 突发型声发射信号突发型声发射信号 当脆性材料或带裂纹的金属材料在裂纹不连续扩展时所发出的高幅值、不连贯、持续时间为微秒级的单个应力波脉冲 突然型信号主要与材料中的堆跺层错的形成和机械孪晶以及裂纹的形成和断裂过程有关 突发型声发射次数少，幅度大，发生部位限制在某个区域，脉冲的形状各不相同突发型声发射信号突发型声发射信号.6. 4. 5. 1 声发射信号的波形声发射信号的波形 由声发射源产生的弹性波，其纵波分量先到达换能器。用谐振式传感器测到的声发射信号波形如右图所示 由于衰减，声发射信号逐渐减小。后面出现的小峰是这同一个声发射信号的反射波或除纵波以外的其它模式的波。每一个脉冲称为振

5、铃振铃。脉冲峰值包络线所围起来的一个大的信号称为声发射事件声发射事件 1: 达到最大输出幅度上升时间t； 2: 阈值电压Vt； 3: 最大信号输出幅度Vp； 4: 事件宽度te； 5: 事件间隔时间ti；46. 4. 5 声发射信号的表征声发射信号的表征. 为排除噪声干扰，可设置阈值电压 Vt ，当传感器输出信号低于阈值电压时无效 从包络线超过 Vt 的一点开始到包络线降到 Vt的时间称为事件宽度te 为避免同一个事件的反射信号当作另一个事件处理，设置事件间隔时间 ti，在该时间内出现的信号，仪器不予处理 te+ti 称为事件时间或事件持续事件 1: 达到最大输出幅度上升时间 t 2: 阈值电

6、压 Vt； 3: 最大信号输出幅度 Vp 4: 事件宽度 te 5: 事件间隔时间 ti4.6. 4. 5. 2 声发射的测量参数声发射的测量参数 （1）事件计数）事件计数 事件计数事件计数 在事件持续时间内，对一个事件计一次数的方法。如在事件持续时间内到达了另一个越过阈值的事件，则当做前一个事件的反射信号处理，不计入计数内 事件计数率事件计数率 单位时间内的事件数目 事件总计数事件总计数 从试验开始到某一个阶段（如试验结束）的事件总数4. （2）振铃计数）振铃计数 振铃 换能器每振荡一次输出的一个脉冲 振铃计数 对一持续时间内超过门槛电压（阈值电压）的振铃次数的计数 振铃计数率单位时间内的振

7、铃计数 振铃总计数某一特定时间内总的振铃计数 振铃事件比用单位事件的振铃计数即振铃计数/事件4. 如将一个声发射事件的振铃信号看成阻尼正弦波，则有： 式中， V ：瞬时电压； Vp ：峰值电压； ：角频率； ：衰减系数； t：时间； teVVtpsin 声发射信号的阻尼正弦波模型. 以 t* 表示振铃下降到阈值电压 Vt 所需要的时间，如果 t* 2/（比振荡周期)，则振铃计数为： 从瞬时电压计算式可以近似有： 带入上式得： *tpteVVtpVVNln22)/2(ttN.讨论： 一个事件的振铃与传感器的谐振频率、传感器的阻尼、阈值电压和信号幅度等因素有关 实际测试中，传感器谐振频率是固定的；

8、对同一传感器，同一试样，可认为衰减系数是常数 结论 振铃计算在一定程度上反映了信号的幅度振铃计算在一定程度上反映了信号的幅度tpVVNln2. （3） 幅度和幅度分布幅度和幅度分布 声发射信号幅度可用于量度声发射信号的能量 声发射信号幅度 指按声发射信号峰值的大小分别进行事件计数，其表示方法有两种： 1）累计事件幅度分布）累计事件幅度分布 F (V) 即统计信号峰值高于 Vi 的事件数。i 通常取 5、10、100及1000。以i=10为例，将放大器的输出动态范围，按线性或对数的规律分为10等分称为10档，每档有一下限电平，接收到的声发射事件峰值幅度大于某一挡下限电平时，所有下限电平低于这一档

9、的计数器都计一次数。可见， F(V) 是Vi的函数. 实验表明，F(V) 和Vi 存在以下关系： 将此式取对数绘成图形是一直线，指数 b 是这条直线的斜率 biVVF. 2） 微分事件幅度分布微分事件幅度分布 f (V) f (V) 等于幅度位于 Vi 和 Vi+1 之间的声发射事件数。通常用直方图表示，x 轴为幅度的档，y 轴为各档的事件数 在幅度分析中，可用一个简单参数值来描述整个幅度分布，其作用在于可以区别断裂特征其作用在于可以区别断裂特征。当裂纹以大台阶扩展、大幅度声发射信号比例较大时，此参数值就低。当裂纹以小台阶扩展、次数很多时，此参数就大。若产生声发射的结构不变，则当同一因素（如传

10、播距离变化）而影响幅值时，此参数不变 iiiiVVVFVFVf11()显然，.（4） 能量能量 瞬变信号的能量为： 式中，R：电压测量线路的输入阻抗 V(t)：与时间有关的电压 将声发射信号的幅度平方，然后进行包络线检波，求出包络线检波后的包络线所围面积，可作为信号所包含的能量的量度 021dttVRE.6. 4. 6 声发射信号的采集和处理分析方法声发射信号的采集和处理分析方法 1.频谱分析频谱分析 存贮和记录声发射信号的波形,对波形进行频谱分析 2.波形特征参数分析和处理波形特征参数分析和处理 以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征，然后对这些波形特征参数进行分析和处理.6. 4.

11、 6. 1 声发射信号波形分析方法声发射信号波形分析方法 经典谱分析方法 现代谱分析方法 小波分析方法 人工神经网络模式识别分析方法带保温层压力容器的带保温层压力容器的保温层摩擦声发射信号的保温层摩擦声发射信号的小波分析结果小波分析结果. 谱分析方法 用宽频探头采集和记录整个频率范围内的声发射波形信号，再借助于现代信号处理手段，进行信号特征提取；运用神经网络或其它模式识别方法进行声发射源的判别，以对缺陷进行定性分析.6. 4. 6. 2 声发射信号的特征参数分析方法声发射信号的特征参数分析方法特征参数分析法 可确定声发射源的强度 和活动程度特点： 信号量大，分析实时性强 近几十年来声发射仪器采

12、用的主要方法 目前压力容器声发射检测使用的主要方式不足： 波形特征参数中有大量信息损失.特征参数分析常用法：1. 参数随时间的变化分析2. 参数的分布分析3. 参数的关联分析幅度分布图. 6. 4. 7 声发射源的定位分析方法声发射源的定位分析方法1. 区域定位法 对传感器布置位置无特殊要求，声源位置就是首先接收到源信号的传感器的位置优点：传感器位置布置灵活 检测范围大缺点：检测到的声源的位置仅表示一定区域，具有不确定性.2. 点定位法 (时差定位法) 根据声源信号到达同一阵列内不同传感器时所形成的一组时差，经过几何关系计算确定声源位置 优点：定出的声源为一确定点，可靠性高， 为大多数试验和声

13、发射仪采用 两个传感器确定声发射源 四个传感器确定声发射源 . 目前国内外声发射源定位大多是依靠声源到达传感器的时间差时间差和传感器的坐标联立方程组坐标联立方程组求解 一般在由多个传感器组成的三角网络中，按一定算法选取某个三角形，在此三角形中联立求解方程，判断出源位置.6. 4. 8 A E 测试系统的发展历程测试系统的发展历程 1) 20 世纪 50 60 年代，出现初级声发射仪：由一个测量信号有效值的毫伏表，或一个脉冲计数器组成 2) 20 世纪 70 年代，结合计算机技术，形成各种插在一个机箱内的 AE 特征量输出的多通道硬件模块；工作速度慢， 存储能力不足，系统易出现闭锁状态. 3)

14、第3 代声发射仪将数据采集功能和显示、存储及计算相分离，利用IEEE488 标准总线和直接内存存取， 使系统在信号处理速度和实时显示方面有明显改进 4) 20 世纪80 年代后期应用并行处理技术，实现了实时采集和处理，使仪器在AE 数据处理能力上有较大的提高. 5) 20 世纪90 年代后，高速 A/D 及高性能 IC 芯片的出现，催生了全数字化 AE 检测系统。不仅保证了仪器的可靠性，而且较好地解决了模拟方法中 AE 信号特征量提取困难的问题。保留了更多的 AE 信息， 为信号分析和特征提取提供了更大空间. 6) 进入21 世纪后，全波形全数字化多通道声发射检测系统开始面世并迅猛发展 国外：

15、德国VALLEN 公司AMSY 系列 国内：广州声华公司WAE 系列 科海恒生公司CFAE 系列 .6. 4. 9 AE AE 测试系统的分类测试系统的分类6. 4. 9. 1 根据通道数划分根据通道数划分 1. 单通道声发射检测仪 2. 多通道声发射源定位和分析系统.1. 单通道声发射检测仪单通道声发射检测仪一体化结构，工作原理如下图所示： 单通道声发射仪工作原理图单通道声发射仪工作原理图.2. 多通道声发射检测仪多通道声发射检测仪 采用功能组件组合方式，根据不同需要组成不同功能的系统。 除包括单通道声发射仪器模拟量检测和处理系统外， 还包括数字量测定系统及计算机数据处理系统。 不仅可以在线

16、实时确定声发射源位置，还可实时评价声发射源有害度.6. 4. 9. 2根据采集信号形式划分根据采集信号形式划分 1. 模拟式声发射仪模拟式声发射仪 (OAES) 传感器接收到AE信号 放大、滤波 对数放大（用于模拟峰值检测） 主放 模拟门槛比较器 能量测量线路和峰值时间检测器 数字技术处理 结果显示.缺点： 每个模拟线路均有漂移，须分别标定 用户不清楚标定是否正确， 是否需重新标定 信噪比差， 来自前放的信号需进一步放大， 而每次放大均使饱和点降低 信号饱和难以发现，可能导致错误的测量结 果，对能量和峰值时间检测尤其如此. （2）全数字式声发射系统）全数字式声发射系统 (NAES) 1980年

17、德国成立 Vallen-Systeme 公司，于1986年推出世界上第一台全数字式声发射系统 AMS2， 经过几次改进，1996年推出了由功能很强的软件组成的最新一代全数字式声发射系统AMSY4 美国PAC公司在1992年推出数字式声发射仪MISTRAS.优点: 大大降低了系统噪声、漂移和频率相关性 采用高精度设计，系统无需重新标定 高速采样和大动态范围 用于能量测量的平方数字信号动态范围仅受处理器位数的限制 全部AE 特征提取均由仪器内的主计算机的程序控制，用户在不改变硬件的情况下， 可按自己要求设计特征参数 可快速记录多通道的AE 信号.6. 4. 10几种先进的几种先进的AE测试系统简介

18、测试系统简介6. 4. 10. 1VALLEN AMSY 系列声发射系统系列声发射系统 由德国VallenSysteme 公司推出的全数字式声发射系统Homepage for Vallen Systeme Corporation.1.VALLEN AMSY - 41) 硬件硬件(1) 前放频率范围：20 kHz 2MHz， 第一级增益由软件控制， 增益变化范围：34 dB49 dB；宽频带、低噪声使前置放大器 AEP3 具有十分杰出的性能SY4 AE SystemComplete 36-channel with built-in PC . (2) 每个 AE 通道独立到达声信号预处理器 ASI

19、PP，经差动放大后的 AE 信号通过软件选择的衰减为54 dB/倍频程的两个高通滤波器、衰减为42 dB/倍频程的抗混淆低通滤波器, 再经模数转换器 (ADC) 将信号快速转换为数字序列，进入用于提取 AE 特征的信息程序化门阵列 (FPGA ).(3) 专用特征单元AM SY4SF， 用于: 测量2，4或8个参数的输入 通过主机中的脉冲放大器产生用于自动标定或声超声 应用的脉冲 接收选择通道的最大 AE 信号并将其转换为音响信号(4) 总线控制器连接ASIPP总线, 支持主副连接, 使几个声发 射系统同步和不同系统之间可进行定位计算, 具有瞬态 记录器的触发功能(5) 数字信号处理器(DSP

20、) 具有并行处理能力的CPU.2) 2) 软件软件 AMSY-4系统的软件具有多参数采集和分析的完整性及用户使用的灵活性， 可以自编插入有关程序 主要包括: 采集软件、分析软件、显示软件、列表软件、软件滤波、定位软件、集中度处理软件、自动标定软件、瞬态记录仪软件、拷贝软件、用户数据存取、程序管理等. 2.2. VALLEN AMSY5 2002 年问世, 是目前最新超高速全数字全波形声发射系统 Complete 16-channel AMSY-5AE-System with lunchbox PC . (1) 声发射数据传输速度大于 30000AEhits/s，声发射波形传输速度大于 25 m

21、 / s (2) 1-254 通道， 多台仪器可组合成大型采集系统 (3) 多种定位算法，多种分析软件，传感器布置不拘泥于传统的等腰三角形、正方形等规则的图形 (4) 通过PCI 通讯卡(ASyC) , 可与PC机、工业计算机或带有Docking 工作站的笔记本电脑连 机使用. In December, 2001,the Vallen AMSY-5 is introduced. This successor of the popular AMSY4 maintains the user-friendliness and reliability of the previous system ge

22、nerations, but provides unprecedented performance.The development was based on the feedback of our clients and has converted their demands and requirements into hard- and software: Improved speed for data acquisition, increased PC power, easy combination of multiple systems to form one large system

23、for testing large structures, Windows 2000/XP as operating system and much more.6. 4. 10. 2 LOCAN 系列系列 LOCAN 320 美国PAC (Physical Acoustic Corporation) 公司20 世纪90 年代开发的声发射信号采集系统Homepage for Physical Acoustic Corporation. 标志着首代混合型(模拟、数字)基于PC 的并行处理机构时代的到来。吸收以前PAC-Dunegan 的经验, 以及著名的声发射设备, 如M SCD- , 1032,

24、 DART , SPARTAN 和LOCAN AT 的优点 LOCAN 320 最突出的成就 能够将典型声发射特征提取( ICC) 和纯净的数字化波形(TRA 25 M ) 结合起来. 1. LOCAN 320 系统具有的主要特征系统具有的主要特征: 完全兼容IBM PC 机 双重混合线(PACAT Bus) 微软80C286, 20MHz 处理器 80C287 数学并行处理器. 2. LOCAN 320 优点优点: 极低的噪声(15 dB 门槛) 可扩展到14个通道 高速、实时操作 AE 参数的高精确性 扩展的AE 数据特征 平均频率特征提取. 6. 4. 10. 3 AE95AT 声发射仪

25、声发射仪 AE95AT 是我国从1992年开始, 在国家“八五”攻关课题基金的支持下研制出的声发射仪产品的样机。为模拟式声发射仪 AE95AT 所采集的6 项被测参数 (时差精度、幅度、能量、计数、上升时间和持续时间) 误差值与国外同类产品(SPARTAN AT ) 基本相当. 6. 4. 10. 4 CFAE 系列声发射系统系列声发射系统 CFAE 系列声发射仪 国产声发射产品。下面以CFAE2001 为代表进行介绍 1) 硬件硬件 基于IBM PC XT/AT 总线, 大量采用标准硬件设备, 系统价格低廉, 维修方便, 可插拔结构使其便于维修和现场使用 2) 软件软件 采集软件基于Wind

26、ows98 系统, 全中文界面；前后台操作使现场采集和分析、报告生成和历史数据浏览可同时进行. 6. 4. 10. 5 WAE 系列声发射系统系列声发射系统 包括: WAE2000 全波形声发射检测仪、WAE20002 全波形声发射检测仪、WAE2000C 绝缘子声发射检测仪等； 该系列的优点有: 采用高速PCI 总线实现高速数据传输 采用FFT、小波等现代波形分析方法进行波形信号特征提取, 并采用人工神经网络等技术进行波形信号模式识别, 大大提高了信号鉴别检测分析能力 提供了多视图显示和class 功能, 将声发射源的波形参数及定位点一一对应, 实现了传感器自标定功能, 使得检测应用更为方便

27、. PAC公司新开发出Pocket-AE掌上数字化声发射系统。该系统基于Windows CE 操作系统，有CPU、存储器、显示器，现代数字化声发射硬件及软件操作系统，属微型化的数字化声发射检测分析系统Pocket-AE数字化声发射系统数字化声发射系统6. 4. 10. 6 其它声发射设备其它声发射设备.6. 4. 11 应用举例应用举例1. 在压力容器安全运行中的应用在压力容器安全运行中的应用 金属压力容器是国内外声发射检测活动的重点对象。声发射技术是进行带缺陷运行压力容器检测与安全评估最合适的方法之一 声发射技术具有两个基本特点： 检测动态缺陷, 可发现缺陷扩展 缺陷本身发出缺陷信息, 而不

28、是用外部输入对缺陷进行检查.声发射技术应用于压力容器结构完整性检测与评价分为： (1) 新制压力容器的声发射检测与评价 (2) 在用压力容器的声发射检测和评定 (3) 压力容器的声发射在线监测和安全性评定 针对容器中的活性缺陷, 可在水压试验或其它加载试验过程中, 利用少量固定不动的换能器,获得活性缺陷的动态信息；活性缺陷位置可通过时差定位、区域定位及次序冲击方法来确定. 国内某公司液化气站7 台 100 m3 液化石油气贮罐封头出现鼓包。这些鼓包的存在会严重影响人身以及国家财产安全。 有关单位对其进行了开罐检验。 在检验过程中, 要解决的关键问题是： 这些贮罐能否继续安全使用？ 可继续安全使

29、用的压力范围是多少？.通过声发射实验与金相检测的综合检测结果表明： 该站卧式液化石油气贮罐仍可安全运行 压力低于1.0MPa 时可保证安全运行. 实践证明，声发射试验可以监测缺陷的动态发展情况, 并找出使容器相对安静的使用压力,为常规无损检测做出指导, 大大缩短检验时间, 因此声发射技术在确定压力容器的安全使用的条件中起到了关键性的作用.2. 在疲劳裂纹检测中的应用在疲劳裂纹检测中的应用 机械零件在受力状态下产生裂纹或塑性变形的时候, 往往伴随有声发射(AE) 现象的出现 声发射监控技术通过监听、分析由于零件结构变化而发射出来的声波信号, 对声发射源的位置、物理状态作出判断, 就可以实现零件服

30、役状态的动态监控.试件疲劳断裂过程中的AE信号试件断裂过程中裂纹长度.3. 在管道泄漏检测中的应用在管道泄漏检测中的应用 常规管道无损检测方法 (如超声检测爬机和漏磁检测爬机等) 对管道检测具有一定优势, 但常规无损检测技术的不足是检测过程为逐点扫描式, 不能有效用于成千上万公里的管道检测 声发射技术应用于管道泄漏检测, 有可能可将平均 1000m3/ km 的泄漏量减小到 500m3/ km. 泄漏声发射信号波形十分复杂, 与真实AE 源信号相差很大。因此, 管道泄漏声发射信号既携带结构的某些特征信息(泄漏孔大小及位置等) , 同时又有很大的随机性和不确定性, 本质上属于一种非平稳随机信号

31、管道声发射泄漏检测尚处于实验室阶段, 尚无广泛认可并能有效用于管道泄漏检测的试验方法 随着声发射理论及计算技术的日趋发展, 管道声发射泄漏检测技术将得到发展；模态声发射技术是其最有发展潜力的方向之一. 模态声发射技术(Modal Acoustic Emission) 声源或声发射事件在负载作用下产生频率和模态丰富的导波信号；利用导波理论导波理论和牛顿力学定律牛顿力学定律将一直困扰声发射推广应用中面临的问题 (源定位不准确、信号解释困难和降噪等) 从理论上得到了较好的解释和表达；通过建立简单明确的物理数学模型表征问题并解决问题.4. 在阀门密封性检验中的应用在阀门密封性检验中的应用 当阀门密封性

32、较差时, 少量汽或水经过阀门缝隙喷射而出, 产生高速射流, 对管壁产生冲击而激发弹性波声发射信号，属连续型信号, 类似白噪声 (下图) , 频率在 3050 kHz。把声发射传感器置于阀门附近或阀体上, 便可检测出阀门泄漏与否及泄漏程度 (a) 原始波形 (b) 传播一定距离后的波形阀门泄漏的声发射信号.测试数据表明，只要阀门有微小泄漏, 声发射检查仪就可以检测出来.5. 在离心泵故障诊断中的应用在离心泵故障诊断中的应用 离心泵故障诊断常用振动方法, 该方法存在一定不足: (1) 环境低频扰动信号会被用于检测振动信号的加速度传感器拾取,影响测试结果而导致误判 (2) 当离心泵中转子部分发生磨损、疲劳失效或断裂故障时, 难以发现早期故障 声发射信号具有较宽的频率范围; 利用高频段信号进行故障诊断, 可有效排除其他低频干扰信号, 可有效解决振动法在离心泵故障诊断中遇到的问题。一般可根据离心泵的声发射特征来推断泵的工作状态或内部结构缺陷. 事件计数随能量变化图 事件计数随能量变化图 （上端轴承测点） （下端轴承测点） 通过两图对比, 可看出位于下端轴承部位的