聲發(fā)射

聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)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(shù)MHz的超聲頻；聲發(fā)射信號幅度的變化范圍也很大，從10m的微觀位錯運動到1m量級的地震波。如果聲發(fā)射釋放的應(yīng)變能足夠大，就可產(chǎn)生人耳聽得見的聲音。大多數(shù)材料變形和斷裂時有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。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)稱為聲發(fā)射技術(shù)，人們將聲發(fā)射儀器形象地稱為材料的聽診器。

聲發(fā)射的來源及發(fā)展

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

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

二十世紀(jì)五十年代末，美國人Schofield和Tatro經(jīng)大量研究發(fā)現(xiàn)金屬塑性形變的聲發(fā)射主要由大量位錯的運動所引起[5], 而且還得到一個重要的結(jié)論, 即聲發(fā)射主要是體積效應(yīng)而不是表面效應(yīng)。Tatro進行了導(dǎo)致聲發(fā)射現(xiàn)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題的工具, 并預(yù)言聲發(fā)射在無損檢測方面具有獨特的潛在優(yōu)勢。

二十世紀(jì)六十年代初，Green等人首先開始了聲發(fā)射技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域方面的應(yīng)用, Dunegan首次將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于壓力容器方面的研究。在整個六十年代, 美國和日本開始廣泛地進行聲發(fā)射的研究工作, 人們除開展聲發(fā)射現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究外, 還將這一技術(shù)應(yīng)用于材料工程和無損檢測領(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。

二十世紀(jì)七十年代初, Dunegan等人于開展了現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制，他們把實驗頻率提高到100KHz-1MHz的范圍內(nèi), 這是聲發(fā)射實驗技術(shù)的重大進展, 現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制成功為聲發(fā)射技術(shù)從實驗室的材料研究階段走向在生產(chǎn)現(xiàn)場用于監(jiān)視大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性創(chuàng)造了條件。

隨著現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的出現(xiàn)，整個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)射信號分析方面開展了廣泛和系統(tǒng)的深入研究工作。在生產(chǎn)現(xiàn)場也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在化工容器、核容器和焊接過程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年統(tǒng)計出版了1979年以前世界上發(fā)表的聲發(fā)射論文目錄, 據(jù)他的統(tǒng)計, 到1986年底世界上發(fā)表有關(guān)聲發(fā)射的論文總數(shù)已超過5000篇。

二十世紀(jì)八十年代初，美國PAC公司將現(xiàn)代微處理計算機技術(shù)引入聲發(fā)射檢測系統(tǒng), 設(shè)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, 并開發(fā)了一系列多功能高級檢測和數(shù)據(jù)分析軟件, 通過微處理計算機控制, 可以對被檢測構(gòu)件進行實時聲發(fā)射源定位監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析顯示。由于第二代聲發(fā)射儀器體積和重量小易攜帶，從而推動了八十年代聲發(fā)射技術(shù)進行現(xiàn)場檢測的廣泛應(yīng)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(zhǔn)確率。

進入九十年代，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(shù)字化多通道聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)，這些系統(tǒng)除能進行聲發(fā)射參數(shù)實時測量和聲發(fā)射源定位外，還可直接進行聲發(fā)射波形的觀察、顯示、記錄和頻譜分析。

中國于二十世紀(jì)七十年代初首先開展了金屬和復(fù)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(jié)構(gòu)的檢測方面得到應(yīng)用。發(fā)射檢測儀已在制造、信號處理、金屬材料、復(fù)合材料、磁聲發(fā)射、巖石、過程監(jiān)測、壓力容器、飛機等領(lǐng)域開展了廣泛的應(yīng)用。

中國于1978年在中國無損檢測學(xué)會成立了聲發(fā)射專業(yè)委員會，并于1979年在黃山召開了第一屆全國聲發(fā)射學(xué)術(shù)會議，近年來已固定每兩年召開一次學(xué)術(shù)會議，到目前為止已召開了十一屆。

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轉(zhuǎn)換為電信號，然后再被放大、處理和記錄。固體材料中內(nèi)應(yīng)力的變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號, 在材料加工、處理和使用過程中有很多因素能引起內(nèi)應(yīng)力的變化，如位錯運動、孿生、裂紋萌生與擴展、斷裂、無擴散型相變、磁疇壁運動、熱脹冷縮、外加負荷的變化等等。人們根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進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)生的時間或載荷；④評定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。一般而言，對超標(biāo)聲發(fā)射源，要用其它無損檢測方法進行局部復(fù)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

聲發(fā)射檢測方法在許多方面不同于其它常規(guī)無損檢測方法，其優(yōu)點主要表現(xiàn)為：
(1) 聲發(fā)射是一種動態(tài)檢驗方法，聲發(fā)射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是象超聲或射線探傷方法一樣由無損檢測儀器提供；
(2) 聲發(fā)射檢測方法對線性缺陷較為敏感，它能探測到在外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下這些缺陷的活動情況，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號；
(3) 在一次試驗過程中，聲發(fā)射檢驗?zāi)軌蛘w探測和評價整個結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)；
(4) 可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)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(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力；
(8) 由于對構(gòu)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(fù)雜的構(gòu)件。

由于聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)檢測方法，而且探測的是機械波，因此具有如下的特點：
(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(shù)據(jù)的正確解釋要有更為豐富的數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場檢測經(jīng)驗；
(2) 聲發(fā)射檢測，一般需要適當(dāng)?shù)募虞d程序。多數(shù)情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件，但有時，還需要特作準(zhǔn)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(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小，仍需依賴于其它無損檢測方法進行復(fù)驗。

聲發(fā)射的應(yīng)用

前人們已將聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，主要包括以下方面：
聲發(fā)射檢測應(yīng)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(yīng)器、塔器、換熱器和管線的檢測和結(jié)構(gòu)完整性評價，常壓貯罐的底部泄漏檢測，閥門的泄漏檢測，埋地管道的泄漏檢測，腐蝕狀態(tài)的實事探測，海洋平臺的結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測和海岸管道內(nèi)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(xù)監(jiān)測，閥門蒸汽損失的定量測試，高壓容器和汽包的檢測，蒸汽管線的連續(xù)泄漏監(jiān)測，鍋爐泄漏的監(jiān)測，汽輪機葉片的檢測，汽輪機軸承運行狀況的監(jiān)測。
(3) 材料試驗：復(fù)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(jiān)測，高強鋼的氫脆監(jiān)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(jié)構(gòu)裂紋開裂和擴展的連續(xù)監(jiān)視等。
(5) 航天和航空工業(yè)：航空器的時效試驗，航空器新型材料的進貨檢驗，完整結(jié)構(gòu)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(jiān)測，發(fā)動機葉片和直升機葉片的檢測，航空器的在線連續(xù)監(jiān)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程監(jiān)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(jié)構(gòu)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，金屬加工過程的質(zhì)量控制，焊接過程監(jiān)測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預(yù)防。
(7) 交通運輸業(yè)：長管拖車、公路和鐵路槽車的檢測和缺陷定位，鐵路材料和結(jié)構(gòu)的裂紋探測，橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)完整性檢測，卡車和火車滾珠軸承和軸頸軸承的狀態(tài)監(jiān)測，火車車輪和軸承的斷裂探測。
(8) 其他：硬盤的干擾探測，帶壓瓶的完整性檢測，莊稼和樹木的干旱應(yīng)力監(jiān)測，磨損摩擦監(jiān)測，巖石探測，地質(zhì)和地震上的應(yīng)用，發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測，轉(zhuǎn)動機械的在線過程監(jiān)測，鋼軋輥的裂紋探測，汽車軸承強化過程的監(jiān)測，鑄造過程監(jiān)測，Li/MnO2電池的充放電監(jiān)測，人骨頭的摩擦、受力和破壞特性試驗，骨關(guān)節(jié)狀況的監(jiān)測。

聲發(fā)射人員和儀器

據(jù)估計，中國目前約有60多個科研院所、大專院校和專業(yè)檢驗單位在各個部門和領(lǐng)域從事聲發(fā)射技術(shù)的研究、檢測應(yīng)用、儀器開發(fā)、制造和銷售工作，從業(yè)人員200多人。在人員培訓(xùn)方面，已有5人以上以聲發(fā)射檢測技術(shù)的有關(guān)研究內(nèi)容為論文題目獲得博士學(xué)位，有50多人獲得碩士學(xué)位。在檢測人員資格認(rèn)可方面，航天工業(yè)無損檢測人員資格考試委員會自九十年代末至今已培訓(xùn)II級檢驗人員30多人，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局鍋爐、壓力容器、壓力管道和特種設(shè)備無損檢測人員資格考試委員會于2002年已培訓(xùn)II級檢驗人員80多人。

在儀器制造和銷售方面，國內(nèi)主要有北京聲華興業(yè)公司、科海恒生公司和沈陽電子所等，科海恒生公司制造和銷售2—32通道CFAE-2001系列的參數(shù)式多通道聲發(fā)射儀器，北京聲華興業(yè)公司制造和銷售2—100通道SDAES及SAEU2S系列的數(shù)字化全波形多通道聲發(fā)射儀，沈陽電子所主要制造和銷售2—8通道的多通道聲發(fā)射儀。另外一些單位針對具體設(shè)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用檢測儀器，這些儀器主要包括軸承故障檢測儀、閥門泄漏檢測儀（沈陽電子所）、高壓變壓器局部放電檢測儀（沈陽變壓器廠和北京電力科學(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(jiān)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(jiān)測儀等。

在現(xiàn)有聲發(fā)射儀器設(shè)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。