声发射基础讲解.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.07M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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特种设备系列教材声发射检测 (试行版) 全国特种设备无损检测人员资格鉴定考核委员会二○○四年八月

前言本书是特种设备安全系列教材之一，主要用于从事对这些设备进行声发射检测I级和II级资格人员的培训，受全国特种设备无损检测人员资格鉴定考核委员会委托编写。本书由沈功田主编。本书主要编写人为沈功田、刘时风、戴光。第 1 章、第 2 章、第 5 章、第 6 章、第 7 章第 1 节和第 2 节、第 8 章由沈功田编写，第 3 章和第 4 章由刘时风编写，第 7 章第 3 节到第 5 节由戴光编写。在本书的编写过程中，全国考委会的领导以及秘书处给予了有力的支持和全面的帮助，声发射专业委员会的李邦宪、关卫和、霍臻、蒋士良和刘哲军委员参加了教材的讨论，提出了许多很好的建议，并编写了部分试题。由于时间仓促和编者水平所限，书中缺点和错误在所难免，欢迎批评指正。编者 2004 年 8 月

目录第 1 章绪论 ..................................................................................................................................... 5 1.1 声发射的概念 ............................................................................................................... 5 1.2 声发射技术发展概述 ...................................................................................................... 5 1.3 声发射检测的基本原理 .................................................................................................... 7 1.4 声发射技术的特点 ....................................................................................................... 7 1.5 声发射技术的应用领域 ................................................................................................ 9 第 2 章声发射检测的物理基础 ................................................................................................. 10 2.1 材料和形变 ...................................................................................................................... 10 2.2 声发射源 .......................................................................................................................... 16 2.3 波的传播 .......................................................................................................................... 19 2.4 衰减 .................................................................................................................................. 24 2.5 凯塞(Kaiser)和费利西蒂(Felicity)效应 ....................................................................... 26 第 3 章声发射波的探测 ......................................................................................................... 28 3.1 探测处理转换过程——压电效应等 .............................................................................. 28 3.2 传感器 .............................................................................................................................. 29 3.3 传感器的耦合和安装 ................................................................................................. 35 3.4 传感器的分类及用途 ................................................................................................. 37 第 4 章声发射检测仪器系统 ................................................................................................. 40 4.1 信号电缆 ..................................................................................................................... 40 4.2 信号调理 ..................................................................................................................... 44 4.3 信号探测硬件设置 ..................................................................................................... 45 4.4 声发射检测系统 ............................................................................................................. 47 4.5 数据显示和记录附件 ................................................................................................. 50 第 5 章声发射信号处理方法 ....................................................................................................... 52 5.1 经典信号处理方法 .......................................................................................................... 52 5.2 定位技术 .......................................................................................................................... 61 5.3 高级信号处理技术 .......................................................................................................... 76 第 6 章声发射检测技术 ............................................................................................................... 93 6.1 检测仪器选择的影响因素 ............................................................................................... 93 6.2 检测仪器的设置和校准 .................................................................................................. 93 6.3 加载程序 ......................................................................................................................... 97 6.4 特殊检测的程序 .............................................................................................................. 97 6.5 数据显示 .......................................................................................................................... 98 6.6 噪声源的识别 .................................................................................................................. 98 6.7 噪声的拟制和排除 .......................................................................................................... 99 6.8 数据解释 .......................................................................................................................... 99 6.9 数据评价 ........................................................................................................................ 100 6.10 报告 .............................................................................................................................. 101 第 7 章声发射检测技术的应用 ................................................................................................. 102 7.1 压力容器 ........................................................................................................................ 102 7.1.1 资料审查 ............................................................................................................. 102 7.1.2 现场勘察 ............................................................................................................. 102

7.1.3 检验方案的制定 ................................................................................................. 102 7.1.4 传感器的安装 ..................................................................................................... 103 7.1.5 仪器的调试 ......................................................................................................... 103 7.1.6 加载试验过程中的声发射监测和信号采集 ..................................................... 104 7.1.7 声发射数据的分析和源的分类 ......................................................................... 104 7.1.8 检验数据记录和报告 ......................................................................................... 105 7.1.9 应用实例 ............................................................................................................. 106 7.2 压力管道 ........................................................................................................................ 119 7.2.1 压力管道的衰减特性测量 ................................................................................. 119 7.2.2 压力管道的泄漏声发射信号及定位 ................................................................. 120 7.3 起重机械 ........................................................................................................................ 123 7.4 实验室研究 .................................................................................................................... 126 7.4.1 裂纹扩展和断裂力学 ......................................................................................... 126 7.4.2 环境导致的开裂 ................................................................................................. 130 7.4.3 位错运动 ............................................................................................................. 136 7.4.4 复合材料的声发射 ............................................................................................. 139 7.4.5 相变和相稳定 ..................................................................................................... 141 7.4.6 残余应力 ............................................................................................................. 147 7.4.7 其它材料特性应用 ............................................................................................. 150 7.5 其他结构应用 ............................................................................................................... 151 7.5.1 常压储罐 ........................................................................................................... 151 7.5.2 航空器 ................................................................................................................. 155 7. 5. 3 桥梁 ................................................................................................................... 159 7.5.4 岩体稳定性和地质滑坡监测 ............................................................................. 166 7.5.5 阀门 ................................................................................................................. 169 7.5.6 泄漏探测和监测 ................................................................................................. 172 7.5.7 焊接过程的声发射监测 ..................................................................................... 174 7.5.8 转动设备 ............................................................................................................. 179 第 8 章声发射检测标准 ............................................................................................................. 184 声发射检测习题集（含答案） ................................................................................................... 186 声发射检测习题集 ....................................................................................................................... 196

第 1 章绪论 1.1 声发射的概念材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(Acoustic Emission, 简称 AE) ，有时也称为应力波发射。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。近年来，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，被称为其它或二次声发射源。声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几 Hz 的次声频、20 Hz～20K Hz 的声频到数 MHz 的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从 10−13m 的微观位错运动到 1m 量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，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。用仪器探测、记录、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，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。 1.2 声发射技术发展概述声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象，尽管无法考证人们何时首次听到声发射，但逐如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象，因为纯锡在塑性形变期间机械栾晶产生可听得到的声发射，而铜和锡的冶炼可追朔到公元前 3700 年。现代的声发射技术的开始以 Kaiser 五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser 效应”。Kaiser 同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。五十年代末，美国人 Schofield 和 Tatro 经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起[5], 而且还得到一个重要的结论, 即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro 进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作, 首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具,

并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。六十年代初，Green 等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan 首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代, 美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作, 人们除开展声发射现象的基础研究外, 还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于 1967 年成立了声发射工作组，日本于 1969 年成立了声发射协会。七十年代初, Dunegan 等人于开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提高到 100KHz-1MHz 的范围内, 这是声发射实验技术的重大进展, 现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。随着现代声发射仪器的出现，整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard 于 1979 年统计出版了 1979 年以前世界上发表的声发射论文目录, 据他的统计, 到 1986 年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过 5000 篇。八十年代初，美国 PAC 公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带，从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用，另一方面，由于采用 286 及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。进入九十年代，美国 PAC 公司、美国 DW 公司和德国 Vallen Systeme 公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。我国于七十年代初首先开展了金属和复合材料的声发射特性研究，八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用，目前我国已在声发射仪器制造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领域开展了广泛的研究和应用工作。我国于 1978 年在中国无损检测学会成立了声发射专业委员会，并于 1979 年在黄山召开了第一届全国声发射学术会议，近年来已固定每两年召开一次

学术会议，到目前为止已召开了九届。 1.3 声发射检测的基本原理声发射检测的原理如图 1.1 所示，从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。固体材料中内应力的变化产生声发射信号, 在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化，如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。放大器信号采集记录与显示系统处理系统传感器波的传播 * 源图 1.1 声发射检测原理方框图声发射检测的主要目的是：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质； ③确定声发射发生的时间或载荷；④评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。 1.4 声发射技术的特点声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法，其优点主要表现为： (1) 声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供； (2) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号； (3) 在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态； (4) 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；

(5) 由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境； (6) 对于在役压力容器的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产； (7) 对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力； (8) 由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。由于声发射检测是一种动态检测方法，而且探测的是机械波，因此具有如下的特点： (1) 声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰，因而，对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验； (2) 声发射检测，一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要特作准备； (3) 声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。表 1 列出了声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比。表 1 声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比声发射检测方法其它常规无损检测方法缺陷的增长／活动缺陷的存在与作用应力有关与缺陷的形状有关对材料的敏感性较高对材料的敏感性较差对几何形状的敏感性较差对几何形状的敏感性较高需要进入被检对象的要求较少需要进入被检对象的要求较多进行整体监测进行局部扫描主要问题：噪声、解释主要问题：接近、几何形状

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