无损检测之声发射ppt课件.ppt
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1、6.4 声 发 射 检 测,6.4.1 声发射检测的原理及特点1.声发射检测的原理声发射(Acoustic Emission,AE)是指材料或结构受内力或外力作用产生形变或破坏,并以弹性波形式释放出应变能的现象。声发射是一种常见的物理现象,大多数材料变形和断裂时都有声发射现象产生,如果释放的应变能足够大,就产生可以听得见的声音,如在耳边弯曲锡片,就可以听见噼啪声,这是锡受力产生孪晶变形的声音。,图6-69 声发射技术基本原理,声发射检测的主要目标是:确定声发射源的部位;分析声发射源的性质;确定声发射发生的时间或载荷;评定声发射源的严重性。一般而言,对超标声发射源,要用其他无损检测方法进行局部复
2、检,以精确确定缺陷的性质与大小。,2 声发射信号1)声发射源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,通常称为典型声发射源。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,也被划到声发射源范畴,称为其他声发射源或二次声发射源。,2)声发射信号的传播 声发射源处的声发射波形,一般为宽频带尖脉冲,包含着声发射源的定量信息。然而,所测得的信号波形,由于介质的传播特性和传感器频响特性的影响而变得非常复杂,与原波形有很大差异,从而大大地淡化了所测得波形特性参数的物理意义。因此,波的传播对波形的影响,是在实验条件设置、数据分析及
3、评价中均需考虑的主要问题。(1)波的传播模式。声发射波在介质中的传播,根据质点的振动方向和传播方向的不同,可构成纵波、横波、表面波、板波等不同的传播模式。,(2)波的反射、折射与模式转换。固体介质中局部变形时,不仅产生体积变形,而且产生剪切变形,因此将激起两种波,即纵波(压缩波)和横波(切变波)。当遇到不同介质的界面时会产生反射和折射,在全内反射时则会出现非均匀波;在半无限体自由表面上,一定的条件下还可转换成表面波,见图6-70;厚度接近波长的薄板中,还会产生板波。,图6-70 波的反射与模式转换,若在半无限大固体中的某一点产生声发射波,当传播到表面上某一点时,纵波、横波和表面波相继到达,互相
4、干涉而呈现复杂的模式见图(见6-70)。与地震的情况一样,首先到达的是纵波,其次到达的是横波,最后到达的是表面波。在实际的声发射应用中,经常遇到的是像高压容器那样的厚钢板。声发射波在厚钢板中的传播方式如图6-71所示,波在传播过程中在两个界面上发生多次反射,每次反射都要发生模式变换。,图6-71 声发射波在厚板中的传播示意图,图6-72 波形的分离与持续时间/ms,(3)衰减。衰减是指波的幅度随传播距离的增加而下降的现象。引起声发射波衰减的三个主要机制为:波的几何扩展、材料吸收和散射。,3)凯塞效应和费利西蒂效应(1)凯塞效应。材料受载时,重复载荷到达原先所加最大载荷以前不发生明显的声发射现象
5、,这种声发射不可逆的性质称为凯塞效应。多数金属材料中,可观察到明显的凯塞效应。但是,重复加载前,如产生新裂纹或其他可逆声发射机制,则凯塞效应会消失。凯塞效应在声发射技术中有着重要用途,包括:在役构件的新生裂纹的定期过载声发射的检测;岩体等原先所受最大应力的推定;疲劳裂纹起始与扩展声发射的检测;通过预载措施消除夹具的噪声干扰;加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别等。,图6-73 费利西蒂效应,(2)费利西蒂效应。对某些材料重复加载时,重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象,称为费利西蒂效应,也可认为是反凯赛效应。重复加载时的声发射起始载荷(PAE)对原先所加最大载荷(Pmax)之比,
6、称为费利西蒂比(PAEPmax)。该效应的示意图如图6-73所示。费利西蒂比作为一种定量参数,可较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度,已成为缺陷严重性的重要评定判据。,(2)费利西蒂效应。对某些材料重复加载时,重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象,称为费利西蒂效应,也可认为是反凯赛效应。重复加载时的声发射起始载荷(PAE)对原先所加最大载荷(Pmax)之比,称为费利西蒂比(PAE Pmax)。该效应的示意图如图6-73所示。费利西蒂比作为一种定量参数,可较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度,已成为缺陷严重性的重要评定判据。,4)声发射信号分析声发射信号有突
7、发型和连续型两种基本类型,见图6-74。突发型信号是指在时域上可分离的波形。实际上,所有声发射源的发射过程,均为突发过程,如断续的裂纹扩展、复合材料的纤维断裂等。不过,当声发射频度高达时域上不可分离的程度时,就以连续型信号显示出来,如塑性变形声发射过程前期的信号、泄漏信号、燃烧信号等。在实际检测中,也会出现其混合型。对不同的信号类型,要采用不同的信号处理方法。近年来的通用系统,可同时采集两类信号。,图6-74 声发射信号类型(a)突发型;(b)连续型,(1)信号特征参数。超过门槛的声发射信号由特征提取电路变换为几个信号特征参数。连续信号参数包括:振铃计数、平均信号电平和有效值电压。突发信号参数
8、包括:撞击(事件)计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差等。常用突发信号特征参数的示意如图6-75所示。,图6-75 突发信号特征参数,表6-1 常用信号特征参数的含义和用途,(2)信号波形特征。波形是声发射传感器输出电压随时间变化的曲线,它可以用示波器从前置放大器或主放大器的输出端观察到,也可以从瞬态记录仪或波形记录装置上记录下来。典型的突发信号的波形如图6-76(a)所示,它的上升段比较迅速,而下降段呈现指数衰减振荡的现象,其包络线的形态则呈三角形。声发射源的一次突发发射实际上是一个突发脉冲,传感器输出的信号呈现复杂的波形,则是信号在介质中传播过程的反射、折射、波形变换、
9、传感器的谐振等多种因素合成的结果。,图6-76 突发型声发射信号波形和频谱曲线(a)波形;(b)频谱,图6-77 连续型声发射信号波形和频谱曲线(a)波形;(b)频谱,3 声发射技术的特点声发射检测是一种动态无损检测方法,可用来判断缺陷的性质。一个同样大小、同样性质的缺陷,当它所处的位置和所受的应力状态不同时,对结构的损伤程度也不同,而其声发射特征也是有差别的。明确了来自缺陷的声发射信号,就可以长期连续地监视缺陷的安全性,这是其他无损检测方法难以实现的。声发射技术与其他无损检测方法相比,具有两个基本差别:检测动态缺陷而不是静态缺陷,如缺陷扩展;缺陷本身发出缺陷信息,而不是用外部输入对缺陷进行扫
10、查。这种差别导致该技术具有以下优点和局限性。,声发射检测技术的主要优点有:(1)可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷。由于提供了缺陷在应力作用下的动态信息,因此适于评价缺陷对结构的实际有害程度。(2)对大型构件,可提供整体范围的快速检测。由于不必进行繁杂的扫查操作,而只要布置好足够数量的传感器,经一次加载或实验过程,就可以确定缺陷的部位,从而易于提高检测效率。,(3)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的在线监控及早期或临近破坏的预报。(4)对于被检件的接近要求不高、而其他方法难于或不能接近环境下的检测,如高低温、核辐射、易燃、易爆及剧毒等环境。(5)
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