声发射技术的原理

引 言

   声发射技术是一种独特的、非侵入性及高灵敏度的无损检测技术，能准确揭示材料和结构内部的变化状态，相较于其他常规的动态无损检测具有明显的优势。声发射技术目前国内学者已经在桥梁上进行了一些应用探索，如斜拉索腐蚀以及断丝等损伤识别、钢筋混凝土桥梁裂缝的识别和定位、钢结构桥梁裂缝的检测等，此外声发射技术在一些桥梁也进行了监测方面的应用。本文对声发射技术的一些原理进行简单介绍。

声发射波产生的机理

  引起声发射的材料局部变化称为声发射事件，而声发射源，是指声发射事件的声发射技术基本原理物理源点或发生声发射波的机制源。声发射源的机制具有多样性，包括固体内裂纹的形成和扩展(如升载时裂纹的扩展、恒载时裂纹的扩展、疲劳时裂纹的扩展、应力腐蚀裂纹的扩展和氢脆裂纹的扩展等)、塑性形变(位错运动、滑移、孪晶变形和边界移动等)、相变(马氏体相变)、压力泄漏、摩擦与磨损、裂缝面闭合与摩擦、撞击、磁畴壁运动、燃烧、沸腾、凝固与融化、氧化膜、锈皮和熔渣开裂等。尽管不同的源机制产生不同的声发射信号，但其共同点都是由于外界条件变化时，材料局部或部分区域变得不稳定并通过释放出能量以达到新的稳定平衡的过程。由于材料内部存在各种缺陷及不均匀性，材料受到外界作用时将出现应力集中且局部分布不均匀。且这种不均匀稳定性所积累的应变能达到一定程度， 必然造成应力的重新分布，在这个过程中常常伴随着位错移动、滑移、裂缝的产生和发展、微观龟裂等，并最终使得材料到达新的平衡状态。这一过程实际就是应变能释放以达到新的平衡过程。

    不同材料的声发射源机理可能会有所不同，但声发射现象的本质是结构或材料释放瞬态弹性波。如混凝土受载后声发射产生的机理主要是由于晶体的位错运动、晶体间的滑移、弹性和塑生变形、裂纹的产生和扩展以及摩擦作用等；金属材料中的位错运动、裂纹扩展和相变等是其声发射源机理；地震预测和矿山结构监测中的岩石开裂和土壤颗粒受压破碎；海洋平台钢结构材料的裂纹的产生和发展、结构腐蚀和疲劳等；复合材料中的基体材料开裂、纤维断裂等声发射源机理。

    正是基于上述机理，可以利用声发射信号和声发射技术来监测结构或材料在受载情况下的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展来获得它们的动态信息。各种灾难性的破坏，比如斜拉索钝化膜破坏引起的点蚀直至最后穿孔，微裂缝的扩张直至拉索的断裂，均会产生声发射信号。对结构或材料采用声发射进行监测属于被动、动态的监测，这也是声发射与其它无损检测方法的优势所在。材料破坏前往往就有声发射现象，因此如果能够获得这些早期声发射现象并进行分析，不但能判断声发射源的当前状态，甚至对其形成的原因以及未来的发展趋势进行预测分析，从而能够进行结构状态监测和故障诊断。

声发射技术的基本原理

   声发射技术涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释与评定等，其基本原理为声发射源产生弹性波在材料中传播，引起被监测试件表面的振动，这些振动被耦合在试件上的传感器感应到时，所产生的压电效应将弹性波引起的表面振动转换成电压信号，再经仪器放大处理后以参数或者波形的形式采集而后对其进行信号处理。声发射技术的基本原理如图1所示。

登录/注册后可看大图

图1 声发射技术基本原理

声发射技术的特点

   声发射技术是一种独特的、非侵入性及高灵敏度的无损检测技术，能准确揭示材料和结构内部的变化状态，相较于其他常规的动态无损检测具有明显的优势，这是由于其固有的物理特性所决定的，主要特征有:

（1）记忆特征

    声发射技术的记忆特征主要表现为Kaiser效应和Felicity效应。Kaiser效应的记忆特征表现为：材料再次加载至上次加载的最大荷载以前不会发生明显的声发射现象，表现为不可逆的性质。Felicity效应有时又称为反Kaiser效应，即材料进行重复加载到原先所加最大荷载前发生明显的声发射现象。

（2）激励特征

    声发射动态监测依据材料或结构因变形、开裂等缺陷而产生声发射信号进行分析处理，来了解其健康状况，并可根据AE信号在介质中的传播规律来合理地布置传感器进行损伤源的定位及大范围的监控，提高监测效率与可靠性。

（3）动态特征

    声发射技术是一种被动型的动态无损检测方法,所探测到的能量来自被检测物体的本身,无需外界进行激励产生信号,并且可以捕捉到缺陷随荷载等因素的改变而产生的实时信息。声发射技术能对构件或材料的内部结构缺陷或潜在缺陷处运动变化的过程进行无损检测。此外利用物体内部缺陷在外力作用下能动的发射声波，进行缺陷的定位和诊断。根据所发射的声波的特点和诱发声发射的外部条件，不仅可以了解缺陷目前的状态，也能了解缺陷的形成历史，以及该缺陷在将来的实际使用条件下将要发生的扩展趋势，这是其它传统无损检测方法所无法做到的。

（4）频谱特征

    各类声发射信号的分布频率较宽，有几赫兹的次声频，几十赫兹到几十千赫兹的声频，亦有数兆赫兹的超声频，多数材料的信号强度较弱，人耳无法听到，需借助声发射仪进行探测、记录、分析。

    由于不同材料声发射现象产生的机理不同，因此不同材料缺陷在形成和发展过程中产生声发射频谱特性也不相同，因此可以利用频谱特征进行缺陷的定位和识别。

（5）衰减特征

    声发射信号的实质是材料或结构在外界条件的作用下发生形变、开裂时因释放能量而产生的一种瞬时弹性应力波，故声发射信号本质上是一种机械波,具备波的波动性和衰减性的基本特性，对频谱分析造成一定影响。

——文章转载于“桥安在线”公众号（仅用于本网站交流学习，侵权必删）