聲發射儀

用來探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的儀器稱為聲發射檢測儀或聲發射監測儀，通常簡稱為聲發射儀。

基本介紹

• 中文名：聲發射儀
• 外文名：Acoustic emission instrument
• 簡稱：AE
• 套用領域：高壓儲氫罐檢測

儀器簡介

聲發射(Acoustic Emission，簡稱AE），是指材料局部因能量的快速釋放而發出瞬態彈性波的現象。

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(Acoustic Emission，簡稱AE) ，有時也稱為應力波發射。材料在應力作用下的變形與裂紋擴展，是結構失效的重要機制。這種直接與變形和斷裂機制有關的源，被稱為聲發射源。流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機制無直接關係的另一類彈性波源，被稱為其它或二次聲發射源。

現階段聲發射儀的發展方向是全數字全波形聲發射儀，其特點是硬體僅採集得到數字聲發射信號波形，其它任務如參數產生，濾波甚至門檻功能都可實時或事後由軟體完成。聲發射技術已經逐步走向以波形信號分析為主，全波形聲發射儀將逐漸取代傳統的參數式聲發射儀。

聲發射

聲發射是一種常見的物理現象，各種材料聲發射信號的頻率範圍很寬，從幾Hz的次聲頻、20 Hz～20K Hz的聲頻到數MHz的超聲頻；聲發射信號幅度的變化範圍也很大，從10m的微觀位錯運動到1m量級的地震波。如果聲發射釋放的應變能足夠大，就可產生人耳聽得見的聲音。大多數材料變形和斷裂時有聲發射發生，但許多材料的聲發射信號強度很弱，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、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術，人們將聲發射儀器形象地稱為材料的聽診器。

發展概述

聲發射和微震動都是自然界中隨時發生的自然現象，儘管無法考證人們何時首次聽到聲發射，但逐如折斷樹技、岩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射信號。可以十分肯定地推斷“錫嗚”是人們首次觀察到的金屬中的聲發射現象，因為純錫在塑性形變期間機械欒晶產生可聽得到的聲發射，而銅和錫的冶煉可追溯到公元前3700年。

所涉及的技術介紹

深部花崗岩岩爆過程實驗研究

利用自行設計的深部岩爆過程實驗系統對深部高應力條件下的花崗岩岩爆過程進行實驗研究，模擬實際工程的開挖條件，對載入至三向應力狀態下的板狀花崗岩試件快速卸載一個方向的水平應力，採集實驗過程中三個方向應力隨時間的變化數據，獲得了花崗岩岩爆全過程應。

無損檢測術語－聲發射檢測

（Acoustic emission testing）

中華人民共和國國家標準無損檢測術語-聲發射檢測GB/T 12604.4—90 Terminology for nondestructive testing Acoustic emission testing 本標準規定了在聲發射檢測的一般概念，聲發射檢測設備、器件和材料，聲發射檢測方法中使用的術語。本標準適用於聲發射檢測。

基於聲發射技術的管道泄漏檢測系統

本文根據管道泄漏時產生聲發射信號的現象，構建了一種新的管道泄漏與泄漏點定位的檢測系統。重點描述了系統軟、硬體設計中的關鍵問題及其解決方法。現場測試表明，基於聲發射技術的檢測系統在泄漏的識別和定位上有著良好的效果。

聲發射源多感測器數據融合識別技術

摘要 波形數字聲發射技術的發展，給聲發射源的特性識別帶來了可能性。由於各種噪聲的影響，以及聲發射信號傳播過程的複雜性，又給聲源的識別帶來一定的困難。為了解決干擾情況下聲發射源的定性問題，本文提出了在決策層上的多感測器數據融合的識別。

混凝土材料斷裂的聲發射自相似性識別特徵將對材料聲發射的研究，力學過程的研究，同對材料斷裂損傷等破壞過程的研究相結合，提出了聲發射過程的概念。給出定量考察聲發射過程的自相似性特徵函式。並在此基礎上，根據混凝土試塊的三點彎曲試驗，確定出了混凝土試塊斷裂的聲發射自相似性識別特徵。

聲發射檢測現場探頭布置

升降速過程中滑動軸承聲發射信號特徵研究

用理論分析方法和實驗方法研究滑動軸承聲發射信號特徵隨轉子轉速的變化規律。研究表明，滑動軸承的聲發射信號特徵參數（時域波形，事件計數率，頻率中心等）隨轉速的變化而變化。潤滑狀態較好時，幅值、事件計數率、頻率中心較小；潤滑狀態變差時，幅值、事件計數率、...

用超聲測厚儀測量曲面厚度

大型迴轉零件和封閉零件的壁厚無法用常規測量，只能採用超音波測厚儀（簡稱測厚儀），為搞清測厚儀測量曲面（特別是圓弧迴轉曲面)的影響因素及提高測量圓弧迴轉曲面厚度精度，就測量工件的主要影響因素進行分析。

平面波透鏡粘接界面無損檢驗的超聲透射法

由於組成平面波透鏡高低爆速層的熱膨脹係數不同，兩者未全部粘結。在儲存和運輸等過程中，由於溫度的變化、振動等因素的影響，粘結劑會產生脫粘或開裂。如粘結劑大面積開裂將有可能導致炸藥的脫粘或分離，後果是非常嚴重的，因此平面波透鏡粘接界面的狀態及。

現代的聲發射技術的開始以Kaiser五十年代初在德國所作的研究工作為標誌。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射現象。他最有意義的發現是材料形變聲發射的不可逆效應即：“材料被重新載入期間，在應力值達到上次載入最大應力之前不產生聲發射信號”。人們稱材料的這種不可逆現象為“Kaiser效應”。Kaiser同時提出了連續型和突髮型聲發射信號的概念。

二十世紀五十年代末，美國人Schofield和Tatro經大量研究發現金屬塑性形變的聲發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論，即聲發射主要是體積效應而不是表面效應。Tatro進行了導致聲發射現象的物理機制方面的研究工作，首次提出聲發射可以作為研究工程材料行為疑難問題的工具，並預言聲發射在無損檢測方面具有獨特的潛在優勢。

二十世紀六十年代初，Green等人首先開始了聲發射技術在無損檢測領域方面的套用，Dunegan首次將聲發射技術套用於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射的研究工作，人們除開展聲發射現象的基礎研究外，還將這一技術套用於材料工程和無損檢測領域。美國於1967年成立了聲發射工作組，日本於1969年成立了聲發射協會。二十世紀七十年代初，Dunegan等人於開展了現代聲發射儀器的研製，他們把實驗頻率提高到100KHz-1MHz的範圍內，這是聲發射實驗技術的重大進展，現代聲發射儀器的研製成功為聲發射技術從實驗室的材料研究階段走向在生產現場用於監視大型構件的結構完整性創造了條件。

聲發射檢測套用在高壓儲氫罐檢測上

隨著現代聲發射儀器的出現，整個七十年代和八十年代初人們從聲發射源機制、波的傳播到聲發射信號分析方面開展了廣泛和系統的深入研究工作。在生產現場也得到了廣泛的套用，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於1979年統計出版了1979年以前世界上發表的聲發射論文目錄，據他的統計，到1986年底世界上發表有關聲發射的論文總數已超過5000篇。

二十世紀八十年代初，美國的聲發射儀器製造公司將現代微處理計算機技術引入聲發射檢測系統，設計出了體積和重量較小的第二代源定位聲發射檢測儀器，並開發了一系列多功能高級檢測和數據分析軟體，通過微處理計算機控制，可以對被檢測構件進行實時聲發射源定位監測和數據分析顯示。由於第二代聲發射儀器體積和重量小易攜帶，從而推動了八十年代聲發射技術進行現場檢測的廣泛套用，另一方面，由於採用286及更高級的微處理機和多功能檢測分析軟體，儀器採集和處理聲發射信號的速度大幅度提高，儀器的信息存儲量巨大，從而提高了聲發射檢測技術的聲發射源定位功能和缺陷檢測準確率。

進入九十年代，美國PAC公司、美國DW公司、德國Vallen Systeme公司先後分別開發生產了計算機化程度更高、體積和重量更小的第三代數位化多通道聲發射檢測分析系統，這些系統除能進行聲發射參數實時測量和聲發射源定位外，還可直接進行聲發射波形的觀察、顯示、記錄和頻譜分析。

中國於二十世紀七十年代初首先開展了金屬和複合材料的聲發射特性研究，八十年代中期聲發射技術在壓力容器和金屬結構的檢測方面得到套用。發射檢測儀已在製造、信號處理、金屬材料、複合材料、磁聲發射、岩石、過程監測、壓力容器、飛機等領域開展了廣泛的套用。

中國於1978年在中國無損檢測學會成立了聲發射專業委員會，並於1979年在黃山召開了第一屆全國聲發射學術會議，已固定每兩年召開一次學術會議，到目前為止已召開了十一屆。

基本原理

聲發射檢測現場探頭布置聲發射檢測的原理，從聲發射源發射的彈性波最終傳播到達材料的表面，引起可以用聲發射感測器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉換為電信號，然後再被放大、處理和記錄。固體材料中內應力的變化產生聲發射信號，在材料加工、處理和使用過程中有很多因素能引起內應力的變化，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。人們根據觀察到的聲發射信號進行分析與推斷以了解材料產生聲發射的機制。

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

聲發射技術的特點

聲發射檢測方法在許多方面不同於其它常規無損檢測方法，其優點主要表現為：

（1） 聲發射是一種動態檢驗方法，聲發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） 聲發射檢測方法對線性缺陷較為敏感，它能探測到在外加結構應力下這些缺陷的活動情況，穩定的缺陷不產生聲發射信號；

聲發射檢測現場

（3） 在一次試驗過程中，聲發射檢驗能夠整體探測和評價整個結構中缺陷的狀態；

（4） 可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外變數而變化的實時或連續信息，因而適用於工業過程線上監控及早期或臨近破壞預報；

（5） 由於對被檢件的接近要求不高，而適於其它方法難於或不能接近環境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環境；

（6） 對於在役壓力容器的定期檢驗，聲發射檢驗方法可以縮短檢驗的停產時間或者不需要停產；

（7） 對於壓力容器的耐壓試驗，聲發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） 由於對構件的幾何形狀不敏感，而適於檢測其它方法受到限制的形狀複雜的構件。

由於聲發射檢測是一種動態檢測方法，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資料庫和現場檢測經驗；

（2） 聲發射檢測，一般需要適當的載入程式。多數情況下，可利用現成的載入條件，但有時，還需要特作準備；

（3） 聲發射檢測只能給出聲發射源的部位、活性和強度，不能給出聲發射源內缺陷的性質和大小，仍需依賴於其它無損檢測方法進行復驗。

套用領域

人們已將聲發射技術廣泛套用於許多領域，主要包括以下方面：

聲發射檢測套用在高壓儲氫罐檢測上（1） 石油化工工業：低溫容器、球形容器、柱型容器、高溫反應器、塔器、換熱器和管線的檢測和結構完整性評價，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，腐蝕狀態的實事探測，海洋平台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：變壓器局部放電的檢測，蒸汽管道的檢測和連續監測，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：複合材料、增強塑膠、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射測試等。

（4） 民用工程：樓房、橋樑、起重機、隧道、大壩的檢測，水泥結構裂紋開裂和擴展的連續監視等。

（5） 航天和航空工業：航空器的時效試驗，航空器新型材料的進貨檢驗，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，發動機葉片和直升機葉片的檢測，航空器的線上連續監測，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程監測，太空梭燃料箱和爆炸螺栓的檢測，航天火箭發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，金屬加工過程的質量控制，焊接過程監測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預防。

（7） 交通運輸業：長管拖車、公路和鐵路槽車的檢測和缺陷定位，鐵路材料和結構的裂紋探測，橋樑和隧道的結構完整性檢測，卡車和火車滾珠軸承和軸頸軸承的狀態監測，火車車輪和軸承的斷裂探測。

（8） 其他：硬碟的干擾探測，帶壓瓶的完整性檢測，莊稼和樹木的乾旱應力監測，磨損摩擦監測，岩石探測，地質和地震上的套用，發動機的狀態監測，轉動機械的線上過程監測，鋼軋輥的裂紋探測，汽車軸承強化過程的監測，鑄造過程監測，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，骨關節狀況的監測。

人員和儀器現狀

聲發射檢測現場據估計，中國有60多個科研院所、大專院校和專業檢驗單位在各個部門和領域從事聲發射技術的研究、檢測套用、儀器開發、製造和銷售工作，從業人員200多人。在人員培訓方面，已有5人以上以聲發射檢測技術的有關研究內容為論文題目獲得博士學位，有50多人獲得碩士學位。在檢測人員資格認可方面，航天工業無損檢測人員資格考試委員會自九十年代末至今已培訓II級檢驗人員30多人，國家質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損檢測人員資格考試委員會於2002年已培訓II級檢驗人員80多人。

主要部件

聲發射儀一般包括以下部件，但由於結構的差異，可能會有不同的表現形式。

1 感測器類型

聲發射感測器一般是壓電陶瓷材料製造成的，選擇時主要考慮其諧振頻率、靈敏度、溫度範圍、結構形式、信號接口等因素。感測器的諧振頻率應滿足待測設備、材質、耦合介質等的需求。

2 前置放大器

主要考慮增益、頻率、供電方式和信號接口遞範圍。增益的選擇要考慮感測器和後續信號處理通道的匹配問題，而接口方式則需要考慮感測器的接口、供電和信號輸出接口等因素。前置放大器頻率範圍應覆蓋所趕興趣信號的頻率範圍。供電一般選擇與信號復用的方式。

3 信號處理板

一般由1個或者多個信號處理板構成整個系統，信號處理板主要完成對來自前置放大器的聲發射信號的處理，得到滿足要求的參數數據和/或波形數據。一個信號處理板可以包含一個或者多個信號處理通道。

4 計算機系統

其功能是將各個信號處理卡得到的波形和/或數據讀到計算機系統進行保存、處理和顯示等操作。不同類型的聲發射儀對計算機系統的要求不一樣，如前所述，參數式聲發射儀對計算機系統的要求較低，參數-波形式次之，直接波形式對計算機系統的要求最高。計算機系統應該有適當的升級和擴充能力。

5 採集分析軟體

採集、分析軟體可以分成獨立的幾個軟體，也可以是多個軟體功能集合到一起，但都應該可以實現實時採集、分析、保存等的功能。如前所述，採集分析軟體至少應可滿足實時定位、實時關聯分析和結果顯示，並可實時將結果予以保存。如果有波形的系統應可實時觀察部分或者全部的波形。

重要技術指標

1信噪比（SNR）

一般是指信號系統允許無失真接收的最大信號和系統背景噪聲的比值，常用此比值的常用對數乘以20得到分貝值來表示信噪比。作為儀器，信噪比越大越好；但是，一般信噪比大的儀器製造成本高，有時信號比的增加會急劇增加造價，勢必售價被提高。SNR和系統的最小門檻相關，一般可以選擇無機械信號時系統允許的最小門檻來估算SNR的水平。

2 頻率範圍

頻率範圍是指前置放大器和信號處理板的模擬信號頻寬，它取決於濾波器和信號通道的整體特徵，而非某個部件的頻率範圍。一般通過濾波器的組合可以覆蓋10KHz～2MHz的範圍就可滿足大多數套用。對於特定的套用，應該選擇最為接近其頻率範圍的濾波器組合以實現對噪聲的抑制，並不是頻寬越寬越好。一般而言，濾波器頻寬越寬其信噪比越低。

3 聲發射參數

無論是何種技術和何種處理方法製造的儀器，一般應該包括：上升時間、持續時間、峰值幅度、計數值、能量等參數，最好還可以包括到峰計數、均方根電壓、信號平均電平參數。

4 軟體功能

應可以實時採集各個通道的數據，實時定位分析、濾波處理，以特定的方式顯示數據處理的結果、保存處理結果。應可離線處理所保存的數據，輸出分析結果。一般國產儀器採用中文界面的緣故比較容易學習，進口儀器大多都是英文界面，但功能較為強大，在選擇時是一個值得考慮的因素。軟體至少應該提供線定位、三角形定位（如需要）算法，最好提供球形定位、矩形定位算法，定位精度在50mm以下為宜。

5 每秒撞擊數（HITs/S）

這個指標是衡量一台聲發射儀實時性最為重要的指標，如果對儀器的實時性非常關心，請仔細考慮這個指標。這個指標進一步分解為單個通道每秒撞擊數和整台儀器的每秒撞擊數。單個通道的每秒撞擊數實際上衡量了單個通道接收聲發射信號和由此產生的參數或者波形數據的能力；而整台儀器的每秒撞擊數則用來衡量儀器整體的信號接收和處理能力，它是指各個聲發射信號處理通道處理聲發射撞擊的總和。一般前者指標可以做的很高，但是後者則需要倚賴許多因素，例如：ADC採樣頻率、通道數、軟體的影響等。採購時這兩個指標都非常重要，要統籌考慮。無論何種儀器，此指標都適用。

6 ADC的採樣頻率

在數字聲發射儀中，此參數決定了對信號的分析能力，它直接影響定位精度、到達時間、上升時間、峰值幅度等參數的數值。筆者認為，ADC的採樣頻率濾波器最高頻率的10～20倍左右為宜，倍數太高會增加數據的流量、影響實時性，而倍數太低會丟失有效的細節。例如，如果聲發射信號的諧振頻率為300KHz，濾波器的範圍為100～500KHz，則ADC需要達到的採樣頻率在5MHz～10MHz為宜。

7 ADC的解析度

ADC的解析度決定了儀器對小信號的分辨能力，一般用12～16位解析度的ADC，個別可選擇18位。ADC的解析度和SNR相比，SNR更能表征儀器的設計和製造水平，因為ADC解析度高的ADC的不一定可以實現SNR高。

8 增益

模擬和數字聲發射儀都可以有增益選擇，此參數用來改善系統的動態範圍和可接收的信號範圍。增益可以是對模擬信號加增益放大，也可以對ADC結果進行抽樣得到"處理增益"。

9 附加接口

聲發射儀一般都具有測量附加參數的接口，主要用來測量聲發射測試時的環境溫度、設備的壓力等，但這些都不屬於聲發射技術本身所必須的參數，只是實驗條件而已！部分儀器提供其它接口用來通訊、同步等功能，一般可根據需要選擇考慮。