机械故障诊断声发射法

1、机械故障诊断声发射法第1页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 声发射技术(Acoustic Emission Technique)作为一门检测技术起步于20世纪50年代的德国，开始应用于材料研究。在60年代开始应用于无损检测领域。声发射检测技术是无损检测中的一种新方法，它可以提供连续的状态信息，适用于设备在线监控及早期破坏预警。通过声发射传感器采集声信号，并利用计算机信号处理系统对采集的声信号进行分析、转换、处理，以此为原理构成检测系统。我国则于70年代开始应用声发射技术。声发射检测技术己广泛应用于石油化工工业、电力工业、材料以及力学方面的研究、汽车工业、民用工程、航空航天、

2、金属加工、焊接质量检测与监控等领域。第2页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四主要内容 7.2声发射检测声发射检测的基本原理声发射检测的技术基础声发射检测仪器声发射检测应用第3页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理声发射的定义： 所谓声发射，是指材料或结构因受外力或内力作用而产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放出应变能的现象。因此，声发射也称为应力波发射。 与无损检测有关的声发射源则主要有塑性变形和裂纹的形成与扩展。 第4页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理 塑性变形主要是通过滑移和孪生两

3、种方式进行的。 在实际材料中，确实已检测到与位错运动有关的声发射，为此提出几种产生声发射的位错模型。 一种模型认为，位错产生声发射与塞积位错在反向应力作用下使位错源开动和关闭有关。 另一种模型则认为，声发射率与晶体内可动位错的密度变化有关，声发射计数率与可动位错密度的关系为:第5页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理第6页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 许多金属材料在拉伸变形时，都可看到在屈服点附近出现声发射计数率的高峰。在进入加工硬化阶段后，声发射计数率急剧下降，其典型结果如图7-21所示。7.2.1 声发射的基本原理图7-2

4、1 7075-T6铝合金拉伸试样的声发射与理论计算值第7页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理 对于无损检测来说，裂纹的形成和扩展则是一种更为重要的声发射源。 材料的断裂过程大致可分为裂纹成核、裂纹扩展和最终断裂三个阶段。 理论计算表明，如果在裂纹形成过程中，多余的能量全部以弹性应力波的形式释放出来，则裂纹形成所产生的声发射比单个位错移动产生的声发射至少要大两个数量级。 在微观裂纹扩展成为宏观裂纹之前，需要经过裂纹的缓慢扩展阶段。裂纹扩展所需的能量为裂纹形成所需能量的1001000倍。第8页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 裂纹扩

5、展是间断进行的，大多数金属都具有一定的塑性，裂纹每向前扩展一步，都将积蓄的能量释放出来，使裂纹尖端区域卸载。这样，裂纹扩展产生的声发射很可能比裂纹形成产生的声发射还大得多。当裂纹扩展到接近临界裂纹长度时，便开始失稳扩展，成为快速断裂，此时的声发射强度则更大。图7-22为断裂过程的能量幅度图。图7-22 SPCC单向拉伸能量幅度相关图第9页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理声发射波的传播 首先，从传播形式上来看，声发射波在固体介质中也会以纵波、横波、瑞利波（表面波）和板波等各种形式向前传播； 其次，声发射波在传播过程中，由于界面（缺陷、晶粒）的反射还

6、会发生各种波形转换； 此外，声发射波在传播过程中，除由于波前扩展而产生的扩散损失外，还会由于内摩擦及组织界面的散射使其在规定方向传播的声能衰减。第10页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理声发射信号的产生 声发射信号在波的传播过程中，波形会发生变化并引入噪声。适用于声发射检测的机械设备大体分两类: （1）管道及压力容器。 （2）旋转和往复运动机械。第11页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理声发射检测技术的定义 大多数金属材料的塑性变形和断裂的原始声发射信号一般都很薄弱，人耳不能直接听见，需借助灵敏的电子仪

7、器才能检测出来。这种借助电子仪器对声发射信号进行接收、处理、分析显示并以此对声发射源进行定位、定性和定量分析的一系列技术，统称为声发射检测技术。第12页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理声发射检测的特点 1.声发射检测是一种动态无损检测方法。 2.声发射检测可以判断缺陷的严重性。 3.声发射检测几乎不受材料种类的限制。 4.凯塞（Kaiser）效应。 5.声发射检测到的是一些电信号。 6.声发射检测的环境噪声干扰比较大。第13页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.1 声发射的基本原理声发射信号的处理 根据分析对象的不同，可以

8、将声发射信号处理方法分为两大类，即参数分析法和波形分析法。 参数分析处理法就是通过对测得的声发射信号进行初步的处理和整理，变换成不同的声发射参数来对声发射源的特征、状态进行分析与处理。第14页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射信号的参数分析法1.事件计数和振铃计数 对如图7-23所示的突发型声发射信号，其经过包络检波后的波形超过槛值电压的部分便形成一个矩形脉冲，此矩形脉冲即称为一个声发射事件。声发射检测技术的基础图7-23 事件计数第15页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测技术的基础 振铃计数就是逐一计算声发射信号波形超过预置槛值电平的次数。

9、振铃技术法的原理如图7-24所示。图7-24 振铃计数第16页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四2.幅度及幅度分布 幅度是指声发射波形的峰值偏移，幅度分布是指事件计数或振铃计数关于幅度的函数分布。 幅度分布有微分型和积分型两种表示方法。图示7-25是指微分型的幅度分布，其一般表达式为：声发射检测技术的基础图7-25 微分型AE幅度分布第17页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 试验表明，不同的声发射源具有不同的幅度分布谱，有随幅度增加计数单调减少的分布谱，但经常遇到的是在比较宽的幅度范围内，以双对数表示为负斜率m的线性分布谱，即： 该种分布谱的图形如图7-2

10、6所示。声发射检测技术的基础图 7-26 负斜率线性分布谱第18页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四3.能量 声发射能量反映声发射源以弹性波的形式释放的能量。这里所说的能量仍然是针对仪器的输出信号而言的。瞬态信号的能量定义为： 式中，V (t)为随时间变化的电压,R为电压测量电路的输入阻抗。 声发射检测技术的基础第19页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 如采用数字方法进行计算，则其离散化形式为: 式中 Vi采样点电压， 采样的间隔时间， N采样点数。 需要说明的是，上两式只适用于瞬态信号，对连续波无意义。 声发射检测技术的基础第20页，共66页，2022年

11、，5月20日，3点6分，星期四4.有效电压值 有效电压值是表征声发射信号的主要参数之一，它直接与声发射能量有关，可以由前述的幅度分布来计算有效电压值。若定义以峰值电压为变量的微分型谱函数为N（VP),有效电压为： 本法对于频度大的突发型声发射信号是可行的。声发射检测技术的基础第21页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测技术的基础声发射信号波形分析 声发射信号波形分析处理方法有频谱分析法、模态声发射分析法和时频分析法。声发射信号本质上是种机械波，因此，对声发射信号的分析是以机械波在固体中的传播理论为基础。对于无限大或半无限大的理想介质，我们可按弹性波的传播规律处理声发射

12、波，根据波动方程式:第22页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测技术的基础第23页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 可以得出固体弹性介质中两种不同类型波的波动方程。首先，由方程式中的式(1)对x求微分，式(2)对Y求微分，式(3)对z求微分，然后将式(1)，(2、，(3)相加，得到下式:声发射检测技术的基础 这里，是体积的相对变形，即在固体弹性介质中压缩变形以波动形式传播，称为弹性介质中的压缩波，其传播速度:第24页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 若在半无限大固体介质中的某点产生声发射波，呈现的复杂模式为图7-27。声发射检测

13、技术的基础图7-27 半无限大固体中声发射的传播第25页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 在实际生产中，声发射波在有限厚度介质中的传播方式如图7-28所示，声波传播过程中在2个界面上发生多次反射，每次反射都要发生模式变换，这样传播的波称为循轨波，具有复杂的特性。声发射检测技术的基础图7-28 循轨波的传播第26页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测技术的基础 循轨波传播的另一个特点是:频率不同的波因传播速度不同而引起频散现象。如图7-29所示。图7-29 循轨波传播引起的波形分离现象（a）原始波形；（b）传播后的分离波形第27页，共66页，2022

14、年，5月20日，3点6分，星期四声发射源定位 声发射检测的最终目的是要确定声发射源的位置，并评价其危险程度，以便采取相应的措施。声发射源定位分为点定位法和区域定位法两种。1.点定位法 所谓点定位法，是在被检物表面某一范围内将几个声发射传感器按一定的几何关系布置在固定点上，组成传感器阵列，以便测定出缺陷的所在位置。声发射检测技术的基础第28页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测技术的基础 目前，在声发射检测中，常用的声源点定位法有: 直线定位法(简称线定位)。此法将传感器布置在声发射源的直线两侧，在一维空间中确定声发射源的位置坐标。本法常用于焊缝缺陷的定位。 归一化正方

15、阵定位法.如图7-30所示。图7-30归一化正方阵定位法第29页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 平面正方形定位法。如下图7-31所示。图7-31平面正方形定位法第30页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测技术的基础 2.区域定位法 区域定位法又称“查表法”,是将传感器所能覆盖的区域分割成许多正三角形，每个正三角形又分割成六个扇形，每个扇形区域内按已知的时差数据的双曲线分割成许多小区域，并将这些数据存储在计算机中。对于某一未知的声发射源，只要将测得的信号到达各传感器的时差与计算机内存储的数据相比较，就可以查出声发射源在某三角形中某扇形的某个小区域内

16、。第31页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测技术的基础提高信嗓比的措施 频域滤波(又称“频率鉴别”)、设置槛值电压(又称“幅度鉴别”)等措施都能在某些情况下有效地抑制噪声的作用，提高信噪比。而在声发射检测中经常采用的是抑制噪声的空间滤波等方法。 所谓空间滤波，就是根据信号与噪声发生源空间位置的关系来抑制噪声的方法，又称空间鉴别。空间滤波的具体措施有前沿鉴别、主副鉴别和符合鉴别等。分别如图7-32,7-33,7-34所示。第32页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测技术的基础图7-34符合鉴别图7-33主副鉴别图7-32前沿鉴别第33页，共6

17、6页，2022年，5月20日，3点6分，星期四声发射检测系统 该检测系统由声发射传感器、前置放大滤波器、信号处理系统三部分构成，如图7-35所示。7.2.3 声发射检测仪器图7-35检测系统的示意图第34页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 该系统的工作原理如图7-36。7.2.3 声发射检测仪器图7-36声发射检测基本原理示意图第35页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.3 声发射检测仪器图7-37为典型的裂纹声发射频谱图。图7-37裂纹声发射频谱图第36页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.3 声发射检测仪器声发射检测仪器

18、目前的声发射检测仪器大体分为两种基本类型，即单通道声发射检测仪和多通道声发射源定位和分析系统，且大多为组合式结构。 单通道声发射检测仪主要由传感器、前置放大器、衰减器、主放大器、门槛电路、声发射率计数器、总数计数器以及数模转换器等基本部分组成。 多通道声发射检测仪器，除具有单通道声发射检测仪器的模拟量检测和处理系统外，通常还包括数字量测定系统（时差测量装置等）以及计算机数据处理系统和外围显示系统。第37页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四1.声发射传感器 声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线和高频插座等几部分组成，其典型的简化结构如图7-38所示。7.2

19、.3 声发射检测仪器图7-38 单端谐振式声发射传感器1压电元件；2壳体；3上盖；4导线；5高频插座；6吸收剂；7底座；8保护膜第38页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.3 声发射检测仪器2.前置放大器 传感器的输出信号电压有时为微伏数量级，且其输出阻抗较高。若将这样微弱的信号直接经过长距离接至检测仪主机，则必定会降低信噪比，因此，靠近传感器设置前置放大器对传感器的输出信号进行阻抗变换和放大(放大4060dB)后，再经高频同轴电缆长距离传输给信号处理单元，这样可大大抑制嗓声的干扰，提高检测的信噪比。第39页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.3

20、 声发射检测仪器3.滤波器 在声发射检测工作中，为了抑制噪声的影响而在整个电路系统的适当位置插入滤波器，用以选择合适的“频率窗口”。滤波器的工作频率要根据环境噪声及材料本身的声发射信号的频率特性来确定，通常在60500kHz范围内选择，并应注意与传感器的谐振频率相匹配。滤波器可为有源也可为无源，且一般都要求阻带衰减大于-24分贝/倍频程。第40页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.3 声发射检测仪器 4.主放大器 主放大器要求具有4060dB的增益和50kHz-2MHz的工作频带宽度，且在整个工作频带内增益的变化量不超过3dB此外，还要求其具有一定的负载能力和较大的动态

21、范围。第41页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四5.槛值整形器 为剔除背景噪声而设置适当的槛值电压，低于所设置的槛值电压的信号被剔除，高于槛值电压的信号形成振铃脉冲或事件脉冲。槛值电压有固定槛值和浮动槛值电压两种。对于固定槛值电压，有的仪器只设置一档(一般为1V)，有的仪器设置多档，在0. I-3V范围内可调。浮动的槛值电压随背景噪声的变化而浮动，如图7-39所示。7.2.3 声发射检测仪器图7-39浮动槛值随噪声电平的变化第42页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用（一）在材料研究中的应用1. 影响材料声发射特性的因素 影响声发射

22、的因素很多，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、气氛等。对同一式样做试验，在同样的内部条件和外部条件下，由于试样中的声发射源不同，也表现出不同的声发射特性。影响材料声发射信号强度的因素大致如表7-21所示。第43页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用因素类别产生高幅度信号的因素产生低幅度信号的因素材料特性高强度材料、各向异性材料、不均匀材料、铸件、粗晶粒、马氏体相变、辐照过的材料低强度材料、各向同性材料、均匀材料、锻件、细晶粒、扩散型相变、未辐照过的材料试验条件高应变速率、厚断面、高温低应变速率、薄断面、低温变形和断裂方

23、式孪生变形、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、剪切性断裂、无缺陷材料、塑性变形、复合材料的树脂断裂表 7-21 影响材料声发射信号强度的因素第44页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用2.塑性变形的声发射 塑性变形的声发射通常有两种类型，即连续型和突发型。 其中，连续型声发射是幅度低而连续出现、类似背景噪声的声发射，这种类型的声发射在塑性变形量较小时出现。 突发型声发射是突然地发生且信号幅度一般比连续型声发射高。 塑性变形的声发射图形可以分为表7-22所示的五种类型。第45页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，

24、星期四7.2.4 声发射检测的应用表7-22金属塑性变形的声发射图形第46页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四3.断裂分析 断裂力学的观点认为，结构的危险性是由裂纹尖端的应力强度因子K所控制的，而K是唯一把裂纹尺寸、受力方式和结构形状联系起来的参数。试验研究表明，发射与裂纹尖端的应力强度因子K之间存在如下的密切关系:7.2.4 声发射检测的应用第47页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 4.疲劳断裂的监视 构件在交变载荷作用下的破坏是最常见的故障形式。由于交变载荷的作用，裂纹不断扩展。疲劳裂纹的扩展通常有三 个阶段:起始扩展阶段，减速扩展阶段，加速扩展阶段。

25、扩展速率(每一个载荷循环中裂纹的扩展量)与作用的应力强度因子K之间有如图7-40所示的关系。图中，K为应力强应度因子范围，K=Kmax-Kmin。Kth称为疲劳裂纹扩展的门槛值。7.2.4 声发射检测的应用图 7-40 疲劳裂纹扩展速率应力强度因子范围的关系第48页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四(二）焊接质量的监视 用声发射监视焊接接头的质量是声发射技术的重要应用之一。裂纹是焊接接头的主要缺陷形式之一，表 7-23 所示是焊接裂纹的分类和声发射技术的应用进展情况。7.2.4 声发射检测的应用表 7-23 焊接裂纹的分类及声发射检测的进展第49页，共66页，2022年，5月

26、20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用1.焊接质量声发射监控的特点 焊缝和缺陷本身就是强的声发射源。 焊接过程中存在着强烈的噪声源。 焊接检测的对象通常处于高温状态。 可把焊缝看成一条线。第50页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四2.焊接过程的监视 （1）氩弧焊 从图7-41中可看出有缺陷焊缝与无缺陷焊缝的声发射特性之间的区别7.2.4 声发射检测的应用图 7-41 氩弧焊的声发射 （a）正常焊缝；（b)在第3道加铝；（c)在第3焊道加钛，左面的纵坐标只适合于第1、2焊道第51页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 声发射参数与裂纹大小之间有如图

27、7-42所示的良好对应关系。7.2.4 声发射检测的应用图7-42 声发射事件总数与裂纹长度的关系第52页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用(2)电子束焊接 电子束焊接是在真空箱中进行的，一且焊成零件，而要在有缺陷的地方进行补焊则比较困难，所以，应用声发射技术实时监视电子束焊接接头中的缺陷具有十分重要的意义。对电子束焊接的声发射监视，结果表明：有缺陷和无缺陷试样的声发射参数差别很大，声发射曲线也存在明显的差异。在焊接开始后15min左右，声发射就可判断出焊缝中是否存在裂纹，以便在不打开真空室的条件下采取补救措施。第53页，共66页，2022年，5月

28、20日，3点6分，星期四（3）电阻焊7.2.4 声发射检测的应用声发射源干扰源塑性变形、焊接熔池的运动、金属飞溅、液态溶核的凝固、热裂纹、相变、冷裂纹电磁干扰、焊机机械嗓声、电气干扰、氧化、渣子、焊接零件之间或零件与把手之间的摩擦、泵和冷却水表 7-24 电焊时的声发射源和干扰源第54页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用各自特性声 源特 性电磁干扰发生在通断电时，信号频率高、幅度大，对特定的焊机几乎不变机械干扰和摩擦嗓声在电极运动和加压时产生，低频成分较多，信号幅度大焊接熔池中液态金属的运动发生在通电熔化时，是要检测的声发射信号，信号幅度小焊点和周

29、围金属的塑性变形熔核冷却凝固时发生，信号幅度小，是要检测的声发射信号飞溅发生在焊点熔化和加压时，信号幅度大熔核中的裂纹熔核冷却时发生，信号幅度中等熔核中的相变熔核冷却时发生，信号幅度大泵和水流噪声信号频率低、幅度小表7-25 电焊时声发射源和噪声源的特性第55页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用3.焊后裂纹的监视 与焊接过程相比，焊后裂纹的声发射监视具有更大的优越性，其困难所在是如何区分焊缝本身的裂纹和焊渣的裂纹。焊后裂纹主要包括热处理裂纹和延迟裂纹两种，焊后裂纹的产生和扩展过程可以分为三个阶段.裂纹开始，即亚临界事件;裂纹稳定扩展;裂纹失稳扩展。

30、其中，前两个阶段的声发射特性具有电平低而发射幅度大的特点，而第三个阶段则是高电平的声发射。第56页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用(三)监视压力容器的结构完整性 压力容器的缺陷主要是在焊接过程中产生的。当容器承受过大的压力之后，明显扩展的裂纹缺陷具有集中频发的声发射信号;而在过大应力下完全没有扩展变化的夹渣、气孔、未熔合、缺口等缺陷，则不发生声发射，或虽发生但只呈现出很低的散发性声发射信号。这说明了采用声发射的方法，可以较可靠地检测裂纹的扩展。第57页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四7.2.4 声发射检测的应用缺陷有害程度的评

31、价及其分类 缺陷的有害度评价是声发射检测技术的一项极其重要的研究内容。对许多球形压力容器水压试验的声发射监视表明，在容器水压试验时，声发射的产生与压力容器中缺陷所处的状态之间存在如下的对应关系： 有害缺陷多出现突发型声发射，且位置集中； 缺陷的不稳定性或有害性一般取决于：(a)突发型声发射信号的数量及其集中程度；(b)声源释放的声发射总能量；（c）与突发型声发射产生的时间有关，即在高压下产生声发射的缺陷比低压下频发声发射的缺陷更为有害。第58页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四具体分类法如下. 首先，根据传感器阵列中源定位得到的每一组声发射事件数目 ni 和这一组声发射源位置

32、的分散半径 ri ，按下式确定声发射源定位的集中度指数:式中 Ci 每一组声源中靠近中心位置单位面积的声发射事件数，数/m2 。 然后，换算出信号源的最大幅度V0，将最大幅度平方作为这个声发射事件的能量，把这一组声源中所有事件相加之和称为能量释放指数，即： 7.2.4 声发射检测的应用第59页，共66页，2022年，5月20日，3点6分，星期四 根据Ci和Ei将缺陷不稳定性行为的强度等级分为1、2、3、4四个等级，如图7-43所示。再根据缺陷再加压过程中产生的声发射行为特征而将其分为安全、较安全、不安全和极不安全四类，以I、II、III 、IV表示，如图7-44所示。7.2.4 声发射检测的应用图7-43 缺陷的不稳定性行为强度