手机版
|
声发射检测技术(Acoustic Emission Testing，简称AT或AE)的基本原理是依据： 固体物质在应力作用下发生范性形变(如金属的塑性变形、位错运动等)，或者在材料中裂纹产生与扩展时，其内部因为从不稳定的高能量应力集中状态快速过渡到稳定的低能量状态，在此平衡过程中释放出来的多余能量会以弹性应力波形式表现，从而产生声发射现象。声发射的频谱一般都很宽，其波形与发射规律比较复杂，它与材料本身的性能以及受应力的情况有关。 用简单的日常生活中的事例来说，例如挑选西瓜时，双手用力挤压西瓜，沧州欧谱如果是薄皮沙瓤的成熟西瓜，会听到西瓜内部有轻微的沙沙声，又例如折断筷子时有脆断声，如果手握金属铅条弯曲，会听到锡鸣声...等等，这也都是声发射现象。 声发射也称作应力波发射。声发射检测技术(通常简称为声发射检测或声发射技术)就是利用仪器检测、分析材料中的声发射信号并据此对声发射源作出评价与判断的检测技术，它是一种动态的无损检测方法，相对于前面所述的超声检测技术而言，超声检测技术是主动发射超声波来进行检测的，因此属于主动式声学检测，而声发射检测则属于被动式的声学检测(也有的资料把声发射法归类为主动式检测，而把超声检测归类为被动式检测)。 在实际的声发射检测中，通常是把声传感器(主要是压电换能器，简称探头)耦合固定在被检材料或工件表面，接收来自被检物内部的声发射信号，转换成电信号并经过处理后，分析其波形幅度或能量、频谱特征，确定声发射发生率(单位时间内发出的声脉冲数)、声发射累积计数(在一定检测时间和一定频率范围内发出的声脉冲总数)等，用以研究材料的内部变化、破坏机理、破损情况以及发展动向。通过确定声发射信号由声发射源到探头固定点的时间差(通常采用多通道法，即同时布置多个探头分别固定在被检物上的不同部位)，并利用几何定位原理，即可确定声发射源的位置。 声发射技术可用于连续监控材料或工件、构件中裂纹的产生与发展，观察液体的沸腾与空化现象，了解物体的摩擦与磨损，研究固体的塑性形变，金属的显微组织变化(例如热处理过程中的马氏体相变)等等。因此，在高压容器、桥梁、矿井顶板等结构完整性评价，焊接过程监控，涡轮发动机的运行状态等的连续动态监控上读起到了极其重要的作用。此外，声发射技术还可用于断裂力学研究、声特征分析、海洋科学中的海洋噪声分析(如研究波浪浪涌、海啸、潮流以及海洋生物研究)，探测水下的火山爆发以及地震科学研究，对船舶噪声的探测和确定船只方位等等。 金属材料在塑性变形时的声发射与作用应力之间存在一种不可逆效应，称为“凯塞尔效应”，即材料受到一定的应力作用时有声发射现象产生，停止施加应力则声发射也停止，但是在重新施加应力时，如果不超过原来的应力水平则不再有声发射产生，利用这种现象，可以准确地测定声发射的应力等级，从而鉴定物体结构的受力状态。 另一种产生声发射现象的效应是磁效应声发射，即铁磁性材料在磁场作用下(即被磁化时)，磁畴壁的运动能导致声发射，称为巴克豪森噪声。由于磁畴壁的运动受外载荷和内应力的影响，因此它的声发射也受应力控制。对这种声发射信号进行分析的方法就是巴克豪森噪声分析(Barkhausen Noise Analysis)，可用于残余应力分析。 声发射技术的优点是轻便，能遥控对受力构件(特别是大型构件)的连续动态监控与检测，能确定声发射源的位置，能实现永久性记录。其缺点是探头必须良好地耦合在被检物表面并有适当位置的要求，检测结果不直观，被检物必须处于应力状态作用下(即需要施加应力来进行测试，沧州欧谱或者在工作运行状态下测试，例如目前常在球罐或储罐进行水压试验的同时进行声发射监测)，因此试验系统及环境的噪声干扰影响很大，对于高塑性材料还会因其声发射信号幅度低而影响检测灵敏度等等。 §2.1 利用声学特性的无损检测技术 §2.1.3 声振检测技术 声振检测技术的基本原理是通过外加声频振动使被检物发生振动，测量被检物的振动特性，分析其振动状态，例如振幅(振动的强弱)、频率(振动的快慢)、损耗(振动持续时间)、振动形式(单频或多频振动、谐振)以及与物体振动方式有关的力阻抗等。由于它们都与被检物的结构、性能直接相关，因而可以据此判断被检物的内在质量，主要用于胶接结构与复合材料的检测。 声振检测技术主要包括下述四种方法： §2.1.3.1 敲击法(声冲击法) 使用硬币、木棒、尼龙棒或专用的带弹性手柄的木槌，轻轻叩击待测工件，在工件上有缺陷与无缺陷区域的回声将因自然频率不同而有差异，从而可以辨别缺陷的存在。这种方法有点类似我们日常生活中用拍击法挑选西瓜、用敲击法挑选瓷器等。 这种方法虽然简便易行，但在很大程度上依赖检测人员的经验，另外在检测薄面板的大型构件时，掌握不好就容易在工件表面产生小凹坑而影响工件的美观甚至影响构件的性能。这种方法多用作其他无损检测方法的补充手段或粗略检查(例如铁路车辆的车轴、弹簧等在行车途中的检查)。 目前已能制成自动轻击锤将协调的冲击传送到被检物表面，从锤头上的力传感器记录冲击本身产生的力。由于冲击力-时间特性依赖于被检物垂直于其表面的局部刚性(主要指层压结构、胶接结构与复合材料等)，在有缺陷(如未粘合或脱粘)处的局部刚性减弱，则冲击持续时间增加，力的最高峰值减小，分析这些冲击参数即可大范围地探查被检物中的缺陷。 在混凝土构件的质量检查中常用的超声回弹仪实质上利用的就是声冲击法，现代技术的混凝土超声回弹仪已经能够通过数字化处理和计算机软件分析来判断混凝土构件的强度。 §2.1.3.2 振动阻尼法(机械阻尼法) 胶接结构的粘弹性变化与其胶接强度相关，通过测量与观察被检物机械振动的阻尼状况，测得它的粘弹性变化，从而可以预测其胶接强度。在不同频率下，振动特性的反应视不同性质的原因而有不同，从而还可以进一步区分是胶接强度还是内聚强度的变化。该方法主要应用于预测胶接结构或复合材料的强度。 §2.1.3.3 声阻法 利用电声换能器(主要是压电换能器)激励试件振动，反应试件振动特性的机械阻抗又反作用于换能器，构成换能器的负载。当作为负载的试件有缺陷存在(质量发生变化)时，其振动特性(检测阻抗)也发生变化，亦即负载有变化，使得换能器的某些特性也随之变化，产生不同的电信号。沧州欧谱把这些变化的电信号经过处理并放大后在指示器上显示出来，可以据此判断和鉴定试件的质量。 换能器特性的变化主要表现在谐振频率、Q值(品质因数)和固定频率下的幅值以及相位四个方面，测量这些变化，可以确定试件的阻抗变化从而判断试件质量。这种方法主要应用于检测胶接结构的胶接质量。 §2.1.3.4 共振法(谐振法) 利用电声换能器(主要是压电换能器)将不同频率(可连续调整)的超声波入射到试件上，通过扫频振荡电路实现频率连续调整，使试件发生谐振，由于试件的谐振频率随工件厚度而改变(超声谐振法测厚原理)，当胶接试件上存在未粘合等缺陷时，将只能在试件缺陷上界面到检测面之间发生厚度共振，因而能够检出缺陷所在的位置及深度。 在实际应用中，常采取测量换能器基频共振频率来确定试件的机械阻抗变化，可用于检测试件的剪切内聚强度，或者测量换能器的谐振幅度来确定试件的机械阻抗变化，可用于检测试件的拉伸内聚强度。这种方法也主要用于胶接结构的胶接强度检测。 声谐振法可以说是声阻法的一个特例。它与声阻法的共同点是两者都通过压电换能器激励试件振动并测量试件振动的阻抗特性，不同的是谐振法只测量试件或换能器的谐振频率或其变化，而声阻法不受此限制，它测量的是被测试件反映于换能器的声阻抗而不考虑换能器或试件是否处于谐振状态。 声振检测技术主要用于金属或非金属的复合材料或胶接结构，以及层压制品中的未粘合或分层区域的检测和胶接强度的评定，也可用于检查铆钉或螺栓紧固件是否松动，检测涡轮发动机的涡轮盘或涡轮叶片、车轴、弹簧等有无裂纹。其优点是轻便、操作简单、不需要耦合剂、可以实现自动化和永久记录，或者采用可靠的表指读数。其缺点是试验结果受试件几何形状和重量(质量)的影响，需要有参考标准，探头必须移动扫查并且要与试件表面几何形状吻合，并且对所施加的声脉冲有严格要求等等。 §2.1 利用声学特性的无损检测技术 §2.1.4 声全息法 声全息法是一种采用波前重建法的声成像技术，它是把光全息原理引入声学领域而产生的一种新的声成像技术和信息处理手段，其技术上的原理与光全息基本相同，即利用声波照射被检物，使被检物中透射或反射的声波(物波)与参考波(通常为单色光-激光)相干涉，沧州欧谱记录被检物中声场振幅与相位分布的全部信息并重建被检物的像。 声全息检测过程包括两个步骤，即获得声全息图和把全息图重建以获得可见的物体像，若是使这两个步骤同时进行则可达到实时成像。 在声全息技术中，根据所用声检测器的类型、记录介质、具体工作方法与应用情况的不同，可以有多种形式。 1.液面超声全息(浮雕法成像) 这是利用声光效应的方法，通常这是指透明介质中由于相干光束(激光)与相干声束的相互作用而产生光衍射的一种物理效应，这种效应的物理机制在于介质中传播的声波会引起介质密度的空间周期性变化，从而使介质的光折射率发生相应变化，而这种光折射率的空间周期变化形成了相应的光栅，导致光束发生一级或多级衍射。 在液面超声全息技术中，以水为传声介质，在水下以来自同一激发源的两个换能器分别发射超声波，一束作为参考波投射到液面上，另一束辐照被检物后投射到液面上(物波)，两束波发生干涉，使液面产生带有全息信息的复杂振动面，再用激光投射到液面上，其反射光再经光路系统进入接收处理系统，最后在示波屏上以立体图像显示出物体的图像。见下左图所示。 2.激光-超声全息：下右图示出以激光作为参考波的声光干涉原理的声成像技术，即激光-超声全息。 3.液晶显示超声全息 这是利用了声热效应，超声波在介质内传播时，由于弛豫、内摩擦等原因使声能被介质吸收而转变为热能，致使介质发热。 液晶是液体相与固体相之间具有可逆的介晶状态相的中间体，是具有各向异性的有机物质，沧州欧谱它在一定的温度范围内表现为液体，即具有液体的流动性和表面张力，但又具有一定的固体特性，即呈现晶体的光学与电学性质，特别是光学性质，因此而被称为液晶。 应用最多的一种液晶是称为胆甾型液晶，它具有环形二向色性，当它的温度从一点被加热变化到另一点时，焊缝探伤仪http://www.hanfengtanshangyi.com它对光的反射表现为对某一波长的光有强度最大值并表现为一定的颜色。根据这些特点，可以利用在适当材料中由于吸收声能而引起的温度变化从而利用液晶显现超声波束的横截面，如右图所示。 在圆柱形水槽中充满可控制的热静水，水槽一端有一个圆形窗口，窗口的防水密封隔膜用100微米厚度的聚乙烯薄膜制成，隔膜背面涂成黑色，然后在外表面涂上一层均匀的胆甾型液晶。被试验的换能器置于圆柱水槽的轴线上，使超声束垂直指向窗孔中心。当超声束投射到隔膜(液晶显示面)上时，由于声束横截面上各部分的声强不同，产生的热效果将会 不同，因而可以在隔膜上显示出不同的颜色，所构成的图案反映出声场横截面的图像，这里利用的就是液晶所特有的温度-颜色效应。 有关声成像的方法很多，例如以激光为参考波的声光干涉原理，可以把超声波在透明介质(例如光学玻璃、水等)中的声束形状显示在屏幕上，也可以根据声电效应(超声波在液体介质中传播时因为空化现象能产生脉冲高压，使空泡表面产生电荷并引起放电，从而产生发光，或者因为半导体材料中超声波与自由载流子相互作用而产生多种物理效应，例如在压电晶体上产生压电效应)，可以采用电信号模拟参考波，通过电子扫描方法在示波屏上显示物体像，或者把全部信号通过电子计算机控制和处理成像。 超声波在介质内传播时，使介质内的分子产生猛烈碰撞，导致分子电离或产生其他的化学变化，称为声化学效应，可以利用于照相胶片上进行记录成像，不过这需要较大的超声辐射功率。 |
