聲發(fā)射

聲發(fā)射是一種常見(jiàn)的物理現象，各種材料聲發(fā)射信號的頻率范圍很寬，從幾Hz的次聲頻、20 Hz～20K Hz的聲頻到數MHz的超聲頻；聲發(fā)射信號幅度的變化范圍也很大，從10m的微觀(guān)位錯運動(dòng)到1m量級的地震波。如果聲發(fā)射釋放的應變能足夠大，就可產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的聲音。大多數材料變形和斷裂時(shí)有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，人耳不能直接聽(tīng)見(jiàn)，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來(lái)。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱(chēng)為聲發(fā)射技術(shù)，人們將聲發(fā)射儀器形象地稱(chēng)為材料的聽(tīng)診器。

聲發(fā)射的來(lái)源及發(fā)展

聲發(fā)射和微震動(dòng)都是自然界中隨時(shí)發(fā)生的自然現象，盡管無(wú)法考證人們何時(shí)首次聽(tīng)到聲發(fā)射，但逐如折斷樹(shù)技、巖石破碎和折斷骨頭等的斷裂過(guò)程無(wú)疑是人們最早聽(tīng)到的聲發(fā)射信號?？梢允挚隙ǖ赝茢唷板a嗚”是人們首次觀(guān)察到的金屬中的聲發(fā)射現象，因為純錫在塑性形變期間機械欒晶產(chǎn)生可聽(tīng)得到的聲發(fā)射，而銅和錫的冶煉可追朔到公元前3700年。

現代的聲發(fā)射技術(shù)的開(kāi)始以Kaiser五十年代初在德國所作的研究工作為標志。他觀(guān)察到銅、鋅、鋁、鉛、錫、黃銅、鑄鐵和鋼等金屬和合金在形變過(guò)程中都有聲發(fā)射現象。他最有意義的發(fā)現是材料形變聲發(fā)射的不可逆效應即：“材料被重新加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號”?，F在人們稱(chēng)材料的這種不可逆現象為“Kaiser效應”。Kaiser同時(shí)提出了連續型和突發(fā)型聲發(fā)射信號的概念。

二十世紀五十年代末，美國人Schofield和Tatro經(jīng)大量研究發(fā)現金屬塑性形變的聲發(fā)射主要由大量位錯的運動(dòng)所引起[5], 而且還得到一個(gè)重要的結論, 即聲發(fā)射主要是體積效應而不是表面效應。Tatro進(jìn)行了導致聲發(fā)射現象的物理機制方面的研究工作, 首次提出聲發(fā)射可以作為研究工程材料行為疑難問(wèn)題的工具, 并預言聲發(fā)射在無(wú)損檢測方面具有獨特的潛在優(yōu)勢。

二十世紀六十年代初，Green等人首先開(kāi)始了聲發(fā)射技術(shù)在無(wú)損檢測領(lǐng)域方面的應用, Dunegan首次將聲發(fā)射技術(shù)應用于壓力容器方面的研究。在整個(gè)六十年代, 美國和日本開(kāi)始廣泛地進(jìn)行聲發(fā)射的研究工作, 人們除開(kāi)展聲發(fā)射現象的基礎研究外, 還將這一技術(shù)應用于材料工程和無(wú)損檢測領(lǐng)域。美國于1967年成立了聲發(fā)射工作組，日本于1969年成立了聲發(fā)射協(xié)會(huì )。

二十世紀七十年代初, Dunegan等人于開(kāi)展了現代聲發(fā)射儀器的研制，他們把實(shí)驗頻率提高到100KHz-1MHz的范圍內, 這是聲發(fā)射實(shí)驗技術(shù)的重大進(jìn)展, 現代聲發(fā)射儀器的研制成功為聲發(fā)射技術(shù)從實(shí)驗室的材料研究階段走向在生產(chǎn)現場(chǎng)用于監視大型構件的結構完整性創(chuàng )造了條件。

隨著(zhù)現代聲發(fā)射儀器的出現，整個(gè)七十年代和八十年代初人們從聲發(fā)射源機制、波的傳播到聲發(fā)射信號分析方面開(kāi)展了廣泛和系統的深入研究工作。在生產(chǎn)現場(chǎng)也得到了廣泛的應用，尤其在化工容器、核容器和焊接過(guò)程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年統計出版了1979年以前世界上發(fā)表的聲發(fā)射論文目錄, 據他的統計, 到1986年底世界上發(fā)表有關(guān)聲發(fā)射的論文總數已超過(guò)5000篇。

二十世紀八十年代初，美國PAC公司將現代微處理計算機技術(shù)引入聲發(fā)射檢測系統, 設計出了體積和重量較小的第二代源定位聲發(fā)射檢測儀器, 并開(kāi)發(fā)了一系列多功能高級檢測和數據分析軟件, 通過(guò)微處理計算機控制, 可以對被檢測構件進(jìn)行實(shí)時(shí)聲發(fā)射源定位監測和數據分析顯示。由于第二代聲發(fā)射儀器體積和重量小易攜帶，從而推動(dòng)了八十年代聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行現場(chǎng)檢測的廣泛應用，另一方面，由于采用286及更高級的微處理機和多功能檢測分析軟件，儀器采集和處理聲發(fā)射信號的速度大幅度提高，儀器的信息存儲量巨大，從而提高了聲發(fā)射檢測技術(shù)的聲發(fā)射源定位功能和缺陷檢測準確率。

進(jìn)入九十年代，美國PAC公司、美國DW公司、德國Vallen Systeme公司和中國的聲華興業(yè)公司先后分別開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了計算機化程度更高、體積和重量更小的第三代數字化多通道聲發(fā)射檢測分析系統，這些系統除能進(jìn)行聲發(fā)射參數實(shí)時(shí)測量和聲發(fā)射源定位外，還可直接進(jìn)行聲發(fā)射波形的觀(guān)察、顯示、記錄和頻譜分析。

中國于二十世紀七十年代初首先開(kāi)展了金屬和復合材料的聲發(fā)射特性研究，八十年代中期聲發(fā)射技術(shù)在壓力容器和金屬結構的檢測方面得到應用。發(fā)射檢測儀已在制造、信號處理、金屬材料、復合材料、磁聲發(fā)射、巖石、過(guò)程監測、壓力容器、飛機等領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的應用。

中國于1978年在中國無(wú)損檢測學(xué)會(huì )成立了聲發(fā)射專(zhuān)業(yè)委員會(huì )，并于1979年在黃山召開(kāi)了第一屆全國聲發(fā)射學(xué)術(shù)會(huì )議，近年來(lái)已固定每?jì)赡暾匍_(kāi)一次學(xué)術(shù)會(huì )議，到目前為止已召開(kāi)了十一屆。

聲發(fā)射的基本原理

聲發(fā)射檢測的原理，從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動(dòng)轉換為電信號，然后再被放大、處理和記錄。固體材料中內應力的變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號, 在材料加工、處理和使用過(guò)程中有很多因素能引起內應力的變化，如位錯運動(dòng)、孿生、裂紋萌生與擴展、斷裂、無(wú)擴散型相變、磁疇壁運動(dòng)、熱脹冷縮、外加負荷的變化等等。人們根據觀(guān)察到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析與推斷以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機制。

聲發(fā)射檢測的主要目的是：①確定聲發(fā)射源的部位；②分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；③確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷；④評定聲發(fā)射源的嚴重性。一般而言，對超標聲發(fā)射源，要用其它無(wú)損檢測方法進(jìn)行局部復檢，以精確確定缺陷的性質(zhì)與大小。

聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)

聲發(fā)射檢測方法在許多方面不同于其它常規無(wú)損檢測方法，其優(yōu)點(diǎn)主要表現為：
(1) 聲發(fā)射是一種動(dòng)態(tài)檢驗方法，聲發(fā)射探測到的能量來(lái)自被測試物體本身，而不是象超聲或射線(xiàn)探傷方法一樣由無(wú)損檢測儀器提供；
(2) 聲發(fā)射檢測方法對線(xiàn)性缺陷較為敏感，它能探測到在外加結構應力下這些缺陷的活動(dòng)情況，穩定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號；
(3) 在一次試驗過(guò)程中，聲發(fā)射檢驗能夠整體探測和評價(jià)整個(gè)結構中缺陷的狀態(tài)；
(4) 可提供缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續信息，因而適用于工業(yè)過(guò)程在線(xiàn)監控及早期或臨近破壞預報；
(5) 由于對被檢件的接近要求不高，而適于其它方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境；
(6) 對于在役壓力容器的定期檢驗，聲發(fā)射檢驗方法可以縮短檢驗的停產(chǎn)時(shí)間或者不需要停產(chǎn)；
(7) 對于壓力容器的耐壓試驗，聲發(fā)射檢驗方法可以預防由未知不連續缺陷引起系統的災難性失效和限定系統的最高工作壓力；
(8) 由于對構件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其它方法受到限制的形狀復雜的構件。

由于聲發(fā)射檢測是一種動(dòng)態(tài)檢測方法，而且探測的是機械波，因此具有如下的特點(diǎn)：
(1) 聲發(fā)射特性對材料甚為敏感，又易受到機電噪聲的干擾，因而，對數據的正確解釋要有更為豐富的數據庫和現場(chǎng)檢測經(jīng)驗；
(2) 聲發(fā)射檢測，一般需要適當的加載程序。多數情況下，可利用現成的加載條件，但有時(shí)，還需要特作準備；
(3) 聲發(fā)射檢測目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活性和強度，不能給出聲發(fā)射源內缺陷的性質(zhì)和大小，仍需依賴(lài)于其它無(wú)損檢測方法進(jìn)行復驗。

聲發(fā)射的應用

前人們已將聲發(fā)射技術(shù)廣泛應用于許多領(lǐng)域，主要包括以下方面：
聲發(fā)射檢測應用在高壓儲氫罐檢測上(1) 石油化工工業(yè)：低溫容器、球形容器、柱型容器、高溫反應器、塔器、換熱器和管線(xiàn)的檢測和結構完整性評價(jià)，常壓貯罐的底部泄漏檢測，閥門(mén)的泄漏檢測，埋地管道的泄漏檢測，腐蝕狀態(tài)的實(shí)事探測，海洋平臺的結構完整性監測和海岸管道內部存在砂子的探測。
(2) 電力工業(yè)：變壓器局部放電的檢測，蒸汽管道的檢測和連續監測，閥門(mén)蒸汽損失的定量測試，高壓容器和汽包的檢測，蒸汽管線(xiàn)的連續泄漏監測，鍋爐泄漏的監測，汽輪機葉片的檢測，汽輪機軸承運行狀況的監測。
(3) 材料試驗：復合材料、增強塑料、陶瓷材料和金屬材料等的性能測試，材料的斷裂試驗，金屬和合金材料的疲勞試驗及腐蝕監測，高強鋼的氫脆監測，材料的摩擦測試, 鐵磁性材料的磁聲發(fā)射測試等。
(4) 民用工程：樓房、橋梁、起重機、隧道、大壩的檢測，水泥結構裂紋開(kāi)裂和擴展的連續監視等。
(5) 航天和航空工業(yè)：航空器的時(shí)效試驗，航空器新型材料的進(jìn)貨檢驗，完整結構或航空器的疲勞試驗，機翼蒙皮下的腐蝕探測，飛機起落架的原位監測，發(fā)動(dòng)機葉片和直升機葉片的檢測，航空器的在線(xiàn)連續監測，飛機殼體的斷裂探測，航空器的驗證性試驗，直升機齒輪箱變速的過(guò)程監測，航天飛機燃料箱和爆炸螺栓的檢測，航天火箭發(fā)射架結構的驗證性試驗。
(6) 金屬加工：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(guò)程的質(zhì)量控制，焊接過(guò)程監測，振動(dòng)探測，鍛壓測試，加工過(guò)程的碰撞探測和預防。
(7) 交通運輸業(yè)：長(cháng)管拖車(chē)、公路和鐵路槽車(chē)的檢測和缺陷定位，鐵路材料和結構的裂紋探測，橋梁和隧道的結構完整性檢測，卡車(chē)和火車(chē)滾珠軸承和軸頸軸承的狀態(tài)監測，火車(chē)車(chē)輪和軸承的斷裂探測。
(8) 其他：硬盤(pán)的干擾探測，帶壓瓶的完整性檢測，莊稼和樹(shù)木的干旱應力監測，磨損摩擦監測，巖石探測，地質(zhì)和地震上的應用，發(fā)動(dòng)機的狀態(tài)監測，轉動(dòng)機械的在線(xiàn)過(guò)程監測，鋼軋輥的裂紋探測，汽車(chē)軸承強化過(guò)程的監測，鑄造過(guò)程監測，Li/MnO2電池的充放電監測，人骨頭的摩擦、受力和破壞特性試驗，骨關(guān)節狀況的監測。

聲發(fā)射人員和儀器

據估計，中國目前約有60多個(gè)科研院所、大專(zhuān)院校和專(zhuān)業(yè)檢驗單位在各個(gè)部門(mén)和領(lǐng)域從事聲發(fā)射技術(shù)的研究、檢測應用、儀器開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)售工作，從業(yè)人員200多人。在人員培訓方面，已有5人以上以聲發(fā)射檢測技術(shù)的有關(guān)研究?jì)热轂檎撐念}目獲得博士學(xué)位，有50多人獲得碩士學(xué)位。在檢測人員資格認可方面，航天工業(yè)無(wú)損檢測人員資格考試委員會(huì )自九十年代末至今已培訓II級檢驗人員30多人，國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局鍋爐、壓力容器、壓力管道和特種設備無(wú)損檢測人員資格考試委員會(huì )于2002年已培訓II級檢驗人員80多人。

在儀器制造和銷(xiāo)售方面，國內主要有北京聲華興業(yè)公司、科海恒生公司和沈陽(yáng)電子所等，科海恒生公司制造和銷(xiāo)售2—32通道CFAE-2001系列的參數式多通道聲發(fā)射儀器，北京聲華興業(yè)公司制造和銷(xiāo)售2—100通道SDAES及SAEU2S系列的數字化全波形多通道聲發(fā)射儀，沈陽(yáng)電子所主要制造和銷(xiāo)售2—8通道的多通道聲發(fā)射儀。另外一些單位針對具體設備的工程檢測，基于聲發(fā)射技術(shù)的原理研制出具有單一功能的專(zhuān)用檢測儀器，這些儀器主要包括軸承故障檢測儀、閥門(mén)泄漏檢測儀（沈陽(yáng)電子所）、高壓變壓器局部放電檢測儀（沈陽(yáng)變壓器廠(chǎng)和北京電力科學(xué)研究院）、摩擦聲發(fā)射檢測儀（北京航空航天大學(xué)）、巖石狀態(tài)監測儀（北京聲華興業(yè)公司）、聲發(fā)射燃條燃速測試儀（航天總公司44所）、高精度聲發(fā)射對刀裝置（國防科技大學(xué)）以及刀具破損監測儀等。

在現有聲發(fā)射儀器設備的保有量方面，截止到2003年年底有32通道及以上的儀器20多臺，8到24通道的儀器40多臺，1到4通道的儀器100多臺。到2008年底保有量最大的主要儀器機型為北京聲華興業(yè)公司的SDAES及SAEU2S系列、美國PAC公司的LOCAN、SPARTAN和MISTRAS系列，德國VALLEN公司的AMSY系列。