声发射检测技术

声发射是一种常见的物理现象。20世纪50年代初，德国人Kaiser对多种金属材料的声发射现象进行了详尽研究并发现了声发射不可逆效应—Kaiser效应，即声发射现象仅在第一次加载时产生，第二次加载及以后各次加载所产 ...

      声发射是一种常见的物理现象。20世纪50年代初，德国人Kaiser对多种金属材料的声发射现象进行了详尽研究并发现了声发射不可逆效应—Kaiser效应，即声发射现象仅在第一次加载时产生，第二次加载及以后各次加载所产生的声发射变得微不足道，除非后来所加外应力超过前面各次加载的最大值。这一效应在工业上得到广泛应用，成为用声发射技术监测结构完整性的依据。随着计算机和信号处理技术的迅速发展，声发射技术己日趋成熟，声发射技术应用范围己覆盖航空、航天、石油化工、铁路、汽车、建筑、电力等几乎国民经济的所有领域。
一、声发射检测的原理
         声发射是指物体在受到形变或外界作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，所以，声发射也称为应力波发射。声发射是一种常见的物理现象，如果释放的应变能足够大，就产生可以听得见的声音。如折断树枝，就可以听见劈啪声。大多数金属材料塑性变形和断裂时也有声发射产生，但声发射信号的强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器检测，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。
        声发射检测是一种动态无损检测方法，即：使构件或材料的内部结构，无损检测资源网缺陷或潜在缺陷处在运动变化的过程中进行无损检测。因此，裂纹等缺陷在检测中主动参与了检测过程。如果裂纹等缺陷处于静止状态，没有变化和扩展，就没有声发射产生，也就不可能实现声发射检测。而且由于声发射信号来自缺陷本身，因此可用声发射法判断缺陷的严重性。
       声发射检测到的是一些电信号，根据这些电信号来解释结构内部的缺陷变化往往比较复杂，需要丰富的知识和其他试验手段的配合。另一方面，声发射检测环境常常有强的噪声干涉，虽然声发射技术中己有多种排除噪声的方法，但在某些情况下还会使声发射技术的应用受到限制。
二、声发射检测仪器
       发射仪器可分为两种基本类型，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。单通道声发射检测仪一般由换能器、前置放大器、衰减器、主放大器门槛电路、声发射率计数器以及数模转换器组成。多通道的声发射检测系统则是在单通道的基础上增加了数字测定系统以及计算机数据处理和外围显示系统。
(1)换能器
       声发射装置使用的换能器与超声波检测的换能器相似，也是由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线及高频插座组成。压电元件通常使用锆钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂等。但一般灵敏度比超声波换能器的灵敏度要高。
裂纹形成和扩展发出的声发射信号由换能器将弹性波变成电信号输入前置放大器。
(2)前置放大器
        声发射信号经换能器转换成电信号，其输出可低至十几微伏，这样微弱的信号若经过长的电缆输送，可能无法分辨出信号和噪声。设置低噪前置放大器，其目的是为了增大信噪比，增加微弱信号的抗干扰能力，前置放大器的增益为40~60dB。
(3)滤波器
声发射信号是宽频谱的信号，频率范围可从几赫兹到几兆赫兹，为了消除噪声，选择需要的频率范围来检测声发射信号，目前一般选样的频率范围为扔kHz~2MHzo
 (4)主放大器和阀值整形器
信号经前述处理之后，再经过主放大器放大，整个系统的增益可达到80~100dB。为了剔除背景噪声，设置适当的阀值电压，低于闽值电压的噪声被割除，高于阀值电压的信号则经数据处理，形成脉冲信号，包括振铃脉冲和事件脉冲。
(5)信号计数
      声发射信号的计数包括事件计数和振铃计数。一个突发信号波形进行包络检波后，信号电平超过了设定的阀值电压后形成一个矩形脉冲，一个矩形脉冲叫做一个事件，这些事件脉冲数就是事件计数。单位时间的事件计数称为事件计数率，其计数的累积就称为事件总数。