声发射.

声发射

声发射的英文全称：Acoustic Emission

声发射的英文简称：AE

什么是声发射？

声发射就是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，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10m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

声发射的来源及发展

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

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。

二十世纪五十年代末，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。

二十世纪六十年代初，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。

二十世纪七十年代初, 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

二十世纪八十年代初，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、德国Vallen Systeme公司和中国的声华兴业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。

中国于二十世纪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。发射检测仪已在制造、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应用。

中国于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十一届。

声发射的基本原理

声发射检测的原理，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

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。

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。

声发射的应用

前人们已将声发射技术广泛应用于许多领域，主要包括以下方面：

声发射检测应用在高压储氢罐检测上(1) 石油化工工业：低温容器、球形容器、柱型容器、高温反应器、塔器、换热器和管线的检测和结构完整性评价，常压贮罐的底部泄漏检测，阀门的泄漏检测，埋地管道的泄漏检测，腐蚀状态的实事探测，海洋平台的结构完整性监测和海岸管道内部存在砂子的探测。(2)

声发射人员和仪器

据估计，中国目前约有60多个科研院所、大专院校和专业检验单位在各个部门和领域从事声发射技术的研究、检测应用、仪器开发、制造和销售工作，从业人员200多人。在人员培训方面，已有5人以上以声发射检测技术的有关研究内容为论文题目获得博士学位，有50多人获得硕士学位。在检测人员资格认可方面，航天工业无损检测人员资格考试委员会自九十年代末至今已培训II 级检验人员30多人，国家质量监督检验检疫总局锅炉、压力容器、压力管道和特种设备无损检测人员资格考试委员会于2002年已培训II级检验人员80多人。

在仪器制造和销售方面，国内主要有北京声华兴业公司、科海恒生公司和沈阳电子所等，科海恒生公司制造和销售2—32通道CFAE-2001系列的参数式多通道声发射仪器，北京声华兴业公司制造和销售2—100通道SDAES及SAEU2S系列的数字化全波形多通道声发射仪，沈阳电子所主要制造和销售2—8通道的多通道声发射仪。另外一些单位针对具体设备的工程检测，基于声发射技术的原理研制出具有单一功能的专用检测仪器，这些仪器主要包括轴承故障检测仪、阀门泄漏检测仪（沈阳电子所）、高压变压器局部放电检测仪（沈阳变压器厂和北京电力科学研究院）、摩擦声发射检测仪（北京航空航天大学）、岩石状态监测仪（北京声华兴业公司）、声发射燃条燃速测试仪（航天总公司44所）、高精度声发射对刀装置（国防科技大学）以及刀具破损监测仪等。

在现有声发射仪器设备的保有量方面，截止到2003年年底有32通道及以上的仪器20多台，8到24通道的仪器40多台，1到4通道的仪器100多台。到2008年底保有量最大的主要仪器机型为北京声华兴业公司的SDAES 及SAEU2S系列、美国PAC公司的LOCAN、SPARTAN和MISTRAS系列，德国VALLEN公司的AMSY系列。

声发射仪器的公司有：北京鹏翔科技有限公司

声发射源线性定位误差研究

近几年，声发射检测以其不可替代的优点得到较为广泛的应用，各种声发射检测仪应运而生，声发射源定位的准确程度已成为影响声发射检测技术发展的关键因素，到目前为止，还没有充足的理论计算与实际源坐标的实验对比数据，在这里对时差线性定位的精确性进行浅显的探讨。 1、一维源定位（又称线性定位）原理线性定位是指在一维空间中，确定声发射源位置坐标的直线定位法。传感器1#和2#，设坐标分别为（-c，0）和（c，0），某一声源声发射信号到达传感器时的时差为△t，材料中的声速为v，则声发射源到两个传感器的距离之差为： 2a=v?△t（1-1）那么声源的位置满足以两个传感器为焦点，以2a为顶点距离的双曲线方程。（1-2）图1 声源位置确定示意图 1.1声发射源在两个传感器之间（即x轴上），此时，y=0(-c≤x≤ c)，解方程得 x=±a 当声发射信号先到1#传感器，则 x=-a，反之，x=a。只要测出△t→ 2a=v?△t，有声源的位置可定。 1.2如果知道声源在某一条直线上，可通过求解方程组：可得或者当信号先到达1#传感器时，将x 代入到直线方程就可以求出y的值，声源位置可以确定。 2.实验模拟本文实验中采用断铅模拟声发射信号源，所用的铅笔型号为0.5/ HB;耦合剂为机油。 2.1一维X轴定位模拟 2.1.1数据采集 ①实验前将要做断铅实验的位置确定，坐标为（17，0）， ②两个探头的坐标是（-100， 0），（100，0）声发射源线性定位误差研究王健王运玲辽宁石油化工大学机械工程学院１１３００１

用断铅试验在试件上得到的实验数据如表3。 2.1.2通过数学计算得到的结果由表中数据可得△t =1.02×10-5 S ：v =3200m/s ，由公式得a =16.32mm 由得双曲线方程为数学计算声源的位置是（16.32，0）。依照此种方法，在此点模拟声发射10次，最后得声源位置坐标的平均值是（16.50，0）。 2.2一维坐标轴定位模拟2.2.1数据采集表1 各通道参数表 ①实验前将要做断铅实验的位置确定，坐标为（-80，55），声源所在直线方程y =-0.7x ②两个探头的坐标是（-130，0），（130，0） 2.2.2通过数学计算得到的结果△t =4.8×10-5S ，v =3200m/s ， =76.8mm ， c =130mm 得双曲线方程式（1）直线方程y =-0.7x （2）（1），（2）方程联立得x =-89.8mm ，y=62.86mm ，依照此种方法，在此点模拟声发射10次，最后得声源位置坐标的平均值是（89.2，62.45）。 3. 误差分析分析结果见表4。 4、结论与思考由误差对比及误差原因分析可知：（1）此数据说明声发射源的时差理论计算定位与实际位置有一定的出入。第一种线性定位理论与实际位置坐标吻合较好，相对误差为2.4%。第二种线性定位误差较大，坐标x 、y 的相对误差分别为11.5%、13.6%。（2）误差的产生与传感器、通道的灵敏度、断铅模拟声发射的频率差有关，材料的不均匀、各向异性（理论计算视为各项同性）也可导致出现误差。（3）对于线性定位，SDAES 数字声发射检测仪产生可容许误差。（4）对其他定位方式所产生的定位误差有待进一步研究。表2 各通道参数表表3 一维X 轴时差定位值比较表4 一维时差定位值比较

声发射信号处理方法分析

声发射的定义可以分为广义和狭义两种，狭义通常认为材料受外力或内力作用，局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的现象称为声发射（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ），简称ＡＥ。广义的声发射认为像泄漏等外力作用下，激发能量波在材料中传播的现象也是一种声发射。声发射是一种常见的物理现象，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，需要借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对声发射源进行定量、定性和定位的技术称为声发射检测技术。其基本原理如图１所示。声发射检测技术作为一种动态无损检测方法已经广泛用于各种材料或结构的稳定性评价。声发射检测的目的就是尽早地发现声发射源和尽可能多地得到声发射源的信息。目前，常用的声发射信号的处理方法有特征参量法和波形分析法。１．声发射信号的特征参量分析法声发射信号特征参量分析法，即对声发射信号特征参量进行处理，用声发射特征参量描述声发射源特性的分析方法。目前，声发射特征参量主要有声发射信号的幅度、能量、振铃计数、事件、上升时声发射信号处理方法分析谢朝阳１，２１，中南大学资安院４１００８３；　２，湖南工学院基础课部４２１００２间、持续时间和门槛电压等（如图２所示）。这种声发射信号处理技术的研究主要集中在对声发射信号的有效性分析上，主要采用的方法有幅度鉴别、频率鉴别、空间滤波、软件剔噪和信号的事后处理等。参量分析法中为了能找到声发射源的特性和内在规律，人们通常使用关联图分析法，即将幅度、持续时间、能量、到达时间、均方根电压值、撞击数、撞击数率、外接参量等之间任意两个变量做关联分析。从声发射参量的关联图中可以找出声发射信号的变化规律，可以区分不同特性的信号。２．声发射信号的谱估计方法波形频谱分析是通过分析声发射信号的时域或频域波形来获得信息的一种信号处理方法。谱估计可分为经典谱估计和现代谱估计两大类。２．１．经典谱估计方法经典谱估计是以傅立叶变换为基础，又称为线性谱估计方法。它主要包括相关图法和周期图法以及在此基础上的改进方法。（１）相关图法又称为间接法。它是由随机信号的Ｎ个观察值Ｘ（０），…，Ｘ（Ｎ－１），估计出自相关函数ＲＮ（ｍ），然后再求ＲＮ（ｍ）的傅立叶变换作为功率谱的估计（２）周期图法又称为直接法。它是直接由傅立叶变换得到的，设有限长实序列Ｘ（ｎ）的傅立叶变换为　在Ｍａｔｌａｂ的函数工具箱里，调用函数为Ｐｅｒｉｏｄｏｇｒｍ（ｘ）。（３）改进的直接法。直接法和间接法的方差很大，而且当数据太长时，谱曲线起飞加剧；数据长度太小时，谱的分辨率又不好，所以需要改进。Ｗｅｌｃｈ提出同时使用平均和平滑两种手段来求功率谱密度，数据系列Ｘ（ｎ）分为Ｋ段，每段有Ｍ个样本，Ｎ＝ＫＭ。数据窗Ｗ（ｎ）在计算周期图之前就与数据段相乘，于是定义Ｋ个修正周期图在Ｍａｔｌａｂ的函数工具箱里，用函数Ｐｗｅｌｃｈ来实现Ｗｅｌｃｈ平均周期图法的功率谱估计。２．２．现代谱估计方法传统的功率谱估计方法是利用加窗的数据或加窗的相关函数估计的傅立叶变换计算的，具有一定的优势，如计算效率高，估计值正比于正弦波信号的功率等。但是同时也存在许多缺点，主要缺点就是方差性能差、谱分辨率低。现代谱估计方法图１　声发射基本原理图２常用声发射参数示意图

声发射知识简要

第1章和第2章 1．什么是声发射材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式快速释放出应变能的现象。 2．什么是声发射检测技术用仪器检测，分析声发射信号并利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测技术。 3．金属材料中的声发射源有哪些金属塑性变形、断裂、相变、磁效应等。 4．声发射检测方法的特点（1）动态无损检测方法（2）几乎不受材料的限制（3）可以长期，连续监测（4）易受噪声干扰（5）对缺陷进行定性分析 5．为什么要用其它无损检测方法对声发射源进行评价？常用的无损检测方法有哪些？答：声发射技术只能定性评价活动性声源，不能判断缺陷的尺寸和类型（裂纹、未熔合、未焊透、夹渣）。因此，应采用其它无损检测方法对声发射源进行评价，常用的无损检测方法有射线、超声、磁粉、渗透、涡流等。 6．什么是弹性变形和塑性变形？材料或构件在外力作用下要改变原来的形状，当外力消除后能完全消失的变形叫做弹性变形，消失不了而残留下来的变形叫做残余变形或塑性变形。7．凯塞效应，Kaiser effect 在固定的灵敏度下，材料或构件所加载荷低于先前所受应力水平之前不出现可探测的声发射的现象。 8．费利西蒂效应（Felicity effect）在固定的灵敏度下，材料或构件所加载荷低于先前所受应力水平的情况下，出现可探测到的声发射的现象。 9．费利西蒂比费利西蒂效应出现时的应力与先前所加最大应力之比。 10．突发型声发射定性描述分立声发射事件产生的分立的声发射信号。 11．连续型声发射定性描述快速声发射事件产生的持续的声发射信号。 12．试举出压力容器管道与构件的破裂模式延性破裂，脆性破裂、疲劳破裂、应力腐蚀破裂、压力冲击破裂、蠕变破裂等。 13．造成声波衰减的主要因素有哪些？扩散衰减散射衰减吸收衰减 14．声波在固体介质中的传播速度与哪些因素有关？钢中纵波、横波和表面波的

声发射源的定位方法

2. 3声发射源定位方法 1.一维(线)定位一维(线)定位就是在一维空间中确定声发射源的位置坐标,亦称直线定位法。线定位是声源定位中最简单的方法。一维定位至少采用两个传感器和单时差,是最为简单的时差定位方式,其原理见图2.3。图2.3 —维定位法 Fig.2.3 AE 1-D localization 若声发射波源从Q 到达传感器21S S 和的时间差为t ?，波速为ν，则可得下式： t 21??=-νQS QS （2.9）离两个传感器的距离差相等的轨迹为如图所示的一条双曲线。声发射源就位于此双曲线的某一点上。线定位仅提供波源的双曲线坐标,故还不属点定位,主要用于细长试样、长管道、线焊缝等一维元的检测。 2.二维(平面)定

图2.4 二维(平面)定位法 Fig.2.4 AE 2-D localization 二维定位至少需要三个传感器和两组时差,但为得到单一解一般需要四个传感器三组时差。传感器阵列可任意选择,但为运算简便,常釆用简单阵列形式,如三角形、方形、菱形等。近年来,任意三角形阵列及连续多阵列方式也得到应用。就原理而言,波源的位置均为两组或三组双曲线的交点所确定。由四个传感器构成的菱形阵列平面定位原理见图2.4。若由传感器31S S 和间的时差X t ?所得双曲线为1，由传感器42S S 和间的时Y t ?所得双曲线为2，波源Q 离传感器31S S 和,42S S 和的距离分别为Y X L L 和,波速为ν，两组传感器间距分别为a 和b ，那么，波源就位于两条双曲线的交点()Y X Q , 上，其坐标可由下面方程求出： ???????????=??? ??-??? ??-?? ? ??=??? ??-??? ??-??? ??122b 2122a 222222222 22Y Y X X L X L Y L Y L X (2.10) 平面定位除了上述菱形定位方式外,常见的还有三角形定位、四边形定位、传感器任意布局定位等。传感器任意布局定位方式是用户在布置声发射传感器时不再受三角形、四边形的限制,而根据对象的实际需要随意布置传感器,而将传感器坐标位置输入计算机来定位。 3.三维(3D)空间定位

声发射特征参数

阈值（Threshold）：对前置放大器的输出，设置高于背景噪声水平的门槛电压，即称为阈值。到峰计数（Pcnts of Park）：波击(Hit)和波击计数（撞击累计数和撞击计数率）：超过阈值并使某一通道获取数据的任何信号称之为一个波击,所测得的波击个数可分为总计数和计数率。反映声发射活动的总量和频度,常用于声发射活动性评价。事件（Event）和事件计数（事件累计数和事件计数率）：产生声发射的一次材料局部变化称之为一个声发射事件,可分为总计数和计数率。一阵列中,一个或几个波击对应一个事件。反映声发射事件的总量和频度,用于源的活动性和定位集中度评价。绝对能量(Absolute Energy)：是声发射撞击信号能量的真实反映，单位为attoJoules(简写为aJ)，1aJ相当于10-18J。信号强度(Signal Strength)：是对声发射撞击信号能量另一种形式的度量单位为picovolt-sec,1picovolt-sec相当于10-12volt-sec。能量(Energy)）：也称为“PAC-Energy”,是美国PAC公司在2978年，为了模拟声发射系统的增益匹配而定义的声发射信号参数。其内涵与信号强度相同，只是灵敏度、大小和动态范围与信号强度不同。能量计数（累计能量和能量率）：信号检波包络线下的面积,可分为总计数和计数率。反映事件的相对能量或强度。对门槛、工作频率和传播特性不甚敏感,可取代振铃计数,也用于波源的类型鉴别。振铃计数(Counts)（振铃累计数和振铃计数率）：越过门槛信号的振荡次数,可分为总计数和计数率。信号处理简便,适于两类信号,又能粗略反映信号强度和频度,因而广泛用于声发射活动性评价,但受门槛值大小的影响。峰值幅度(Amplitude)和幅度计数：信号波形的最大振幅值,通常用dB 表示(传感器输出1μV 为0dB)。与事件大小有直接的关系,不受门槛的影响,直接决定事件的可测性,常用于波源的类型鉴别、强度及衰减的测量。有效值电压（RMS）：采样时间内信号的方均根(RMS) 值,以V 表示。与声发射的大小有关,测量简便,不受门槛的影响,适用于连续型信号,主要用于连续型声发射活动性评价。平均信号电平（ASL）：采样时间内信号电平的均值,以dB 表示。提供的信息和用途与RMS 相似,对幅度动态范围要求高而时间分辨力要求不高的连续型信号尤为有用。也用于背景噪声水平的测量。

声发射源辅助定位算法的研究及应用-北京声华

声发射源辅助定位算法的研究及应用李赫，刘时风，董屹彪北京声华兴业科技有限公司，北京 100012 摘要：在实际的检测应用中，由于声发射技术具有可以对缺陷进行定位这一特点，经常配合超声、磁粉等检测技术共同完成检测。常见的时差定位方法由于其算法复杂，同时又受许多易变量的影响，经常出现假点、错点的情况，实际应用中常常受到限制。当声发射只需用来配合完成定位任务时，针对上述缺陷，通过引入标准声发射信号发生源辅助定位，并提出了更加简单可靠的定位算法，从而实现储罐液面、罐底等环境下的精确定位。关键词：声发射；定位；算法；储罐 Research and Application of Acoustic Emission Source Assisted Location Algorithm Li He, Liu Shifeng, Dong Yibiao Beijing Soundwel Technology Co.,Ltd. Beijing 100012, China Abstract: In the actual inspection applications, since acoustic emission technique can locate defects during detection, it is often be used in conjunction with ultrasound, magnetic and other detection technology. The common time difference locating method have complex algorithms and is always affected by multiple variables, which leads false-points interference. When the acoustic emission is used only to determine the location, we can introduce standard acoustic emission signal source to assist locating. We have achieved precise location by our simple and reliable location algorithm successfully. Keywords: Acoustic Emission, Location, Algorithm, Tank 0 引言声发射检测作为无损检测的一种主要用于确定声发射源的部位；评定声发射源的活性和强度；分析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷。对声发射源的定位是通过多通道声发射检测仪来实现，根据采集信号种类不同分为突发信号定位与连续信号定位，连续声发射信号源定位主要用于带压力的气液介质泄漏源的定位。突发信号中又分为时差定位与区域定位，区域定位是一种处理速度快，简单而又粗略的定位方式。时差定位是经过对各个声发射通道信号到达时间差、波速和探头间距等参数的测量及一定算法的运算来确定声源的位置或坐标，包括平面定位、柱面定位与球面定位等。时差定位是一种精确而又复杂的定位方式，广泛用于试样和构件的检测。但它易丢失大量的低幅度信号，其定位精度又受波速、衰减、波形和构件形状等许多易变量的影响，因而在实际应用中也受到种种限制[1]。当声发射只需用来配合完成定位任务时，针对上述各种声发射定位方法所受到的限制，通过引入标准声发射信号发生源辅助定位，标准声发射信号发生器可提供声发射信号的发出时间，各通道传感器只需接收到信号的到达时间，通过计算即可唯一确定声发射源的位置，避免了时差定位中出现的假点、错点等情况。 1 声发射源辅助定位算法的研究 178

声发射与微震信号特征及有用信号提取分析

声发射与微震信号特征及有用信号提取分析声发射技术与微震监测技术是两门先进的高科技技术,可应用与岩土工程、水电工业、建筑工程、交通运输、矿业开发等重要领域,是一种动态的立体范围的空间监测方法,可进行全天候监测。基于声发射技术的室内岩石破坏声发射试验是研究岩石破裂机制、内部损伤演化、破坏前兆特性等的重要途径,这对岩石本身性质的研究和对工程现场的应用都有实用价值和指导意义。而在矿产资源开采的工程中,矿山作业的安全开展关系着矿业的可持续发展、工作人员的生命安全以及对社会和谐的影响,微震监测技术在安全监测中扮演着重要角色,其在信号辨识处理、有用信号提取方面仍有待研究。本文从室内岩石声发射试验和矿山现场微震监测信号入手,基于室内试验探讨声发射信号的特征分布及变化情况, 基于香炉山现场微震监测系统收集统计各类震源信号特征,分析处理汇总成数据库,并将其应用于信号辨识和有用信号的提取中,同时引入相关理论进行信号去噪、辨识和提取的深入研究,作者主要完成的研究内容如下:(1)进行了多种岩样的室内岩石破坏声发射试验,得到了岩样在不同加载路径下振幅-频度、峰值频率、能率和RA值的变化特征,但是具体分析时是根据实际情况选取的合适岩样进行,每个特征的分析对象不包含所有岩样或加载路径,针对所分析的情况,结果表明:随着应力水平的增大,大振幅AE事件会逐渐增多,AE事件峰值频率的低频成分会有所增加,能率逐渐增强在最终破坏时突增,RA值的变化分两种,一种在破坏前 RA值突增,之后又降低并保持在较低水平直至岩石破坏,第二种为RA值在破坏时突增。 (2)针对香炉山钨矿,列出了矿山的主要震源信号种类,以经验识别法和现场对接法采集了大量各类震源信号,分别进行了直观特征分析,包括接收到信号的传感器个数、信号上升时间、持续时间、衰减时间、振幅、起跳模式、到时差、间隔时间等内容,得到了各类震源信号直观特征的主要分布情况和变化情况,进行了规律性的总结记录和对比分析。同时针对微震定位事件和爆破事件参与定位的信号进行了单独的统计和分析,研究了信号特征的分布范围以及随信号振幅减小的变化情况,为爆破事件与微震定位事件的辨识提供了直观特征参考。(3)基于相对能量理论和傅里叶变换理论,通过MATLAB软件编程,对收集的所有震源信号分别进行了相对能量的计算和傅里叶变换,得到了各类震源信号的相对能量和主

声发射信号的谱分析和相关分析

声发射信号的谱分析和相关分析陈玉华，刘时风耿荣生* 沈功田** (清华大学机械系，北京100084) *（北京航空工程技术研究中心，北京100076） **（国家质量技术监督局锅检中心，北京100027）摘要：本文主要阐述了谱分析方法和相关分析方法在声发射信号分析中的应用，给出了谱分析和相关分析的基本原理，并分别举例子做了分析讨论。关键词：声发射；谱分析；FFT；相关分析 SPECTRAL ANALYSIS AND CORRELATION ANALYSIS FOR ACOUSTIC EMISSION SIGNAL CHEN Yuhua,LIU Shifeng (Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:A review is given to both spectral analysis and correlation analysis of acoustic emission signal. The principles of spectral analysis and correlation analysis are presented and discussed with some examples. Keywords: acoustic emission;spectral analysis;FFT;correlation analysis 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂,以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。声发射是一种常见的物理现象，例如岩石开裂，骨头断裂和各种固体材料断裂过程中发出的声音都是声发射信号，图1为典型的声发射信号。实际应用中，由于外界的干扰以及声发射接收系统的原因（比如传感器的频率特性等），接受得到的声发射信号中除了含有声发射信号特征信息外，还存在着大量的干扰和噪声信号。因此，要想复杂的信号中提取出需要的特征声发射信号，就需要应用一些分析手段来对信号进行处理。图1. 典型声发射信号

声发射基本介绍

2.1声发射检测的基本原理当材料或结构受应力作用时,由于其微观结构的不均匀及缺陷的存在,导致局部产生应力集中,造成不稳定的应力分布。当这种不稳定状态下的应变能积累到一定程度时,不稳定的高能状态一定要向稳定的低能状态过渡,这种过渡通常是以塑性变形、相变、裂纹的开裂等形式来完成。在此过程中,应变能被释放,其中一部分以应力波的形式释放出来,这种以弹性应力波的形式释放应变能的现象叫做声发射,也叫应力波发射。固体材料产生局部变形时,不仅产生体积变形,而且会产生剪切变形,因此会激起两种波,即纵波(又称压缩波)和横波(剪切波)。产生这种波的部位叫作声发射源。这种纵波和横波从声发射源产生后通过材料介质向周围传播,--部分通过介质直接传到安放在固体表面的传感器,形成检测信号,还有一部分传到表面后会产生折射,一部分形成折射波返回到材料内部,另一部分则形成表面波(又称瑞利波),表面波沿着介质的表面传播,并到达传感器,形成检测信号。通过对这些信号进行探测、记录和分析就能够实现对材料进行损伤评价和研究。其原理如图所示图2.1 声发射检测原理 Fig.2.l AE detecting schematic 材料在应力作用下的变形与开裂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,通常称为传统意义上的声发射源。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,也归到声发射源范畴,称为其它声发射源或二次声发射源。 2. 2声发射信号处理声发射信号是一种复杂的波形,包含着丰富的声发射源信息,同时在传播的过程中还会发生畸变并引入干扰噪声。如何选用合适的信号处理方法来分析声发射信号,从而获取正确的声发射源信息,一直是声发射检测技术发展中的难点。根据分析对象的不同,可把声发射信号处理和分析方法分为两类:一是声发射信号波形分析,根据所记录信号的时域波形及与此相关联的频谱、相关函数等来获取声

声发射传感器的原理、分类、结构及特性

Your Partner in Acoustic Emission 声发射传感器 Acoustic Emission Sensor 一、声发射传感器的原理二、声发射传感器的分类三、压电声发射传感器的结构四、压电声发射传感器的特性五、声发射传感器的选择六、声发射传感器的使用及注意事项声发射传感器（AE Sensor ）的作用是接收材料或结构内部的声发射信号。压力容器、储罐、热交换器、管道、反应器、航空推进器、核电站的设备等许多类型的结构都可以用声发射进行监测。在所有的应用中，声发射传感器是连接结构与声发射仪之间的桥梁，所以，声发射传感器的性能对测试是非常重要的。图1.1声发射检测系统的结构下面就声发射传感器的原理、分类、结构以及校准等方面进行综述，希望对大家认识了解和选择声发射传感器有一定的帮助。一、声发射传感器的原理传感器将声发源在被探测物体表面产生的机械振动转换为电信号, 它的输出电压V(t,x)是表面位移波U(x,t)和它的响应函数T(t)的卷积: V(t,x)=U(t,x)T(t) 理想的传感器应该能同时测量样品表面位移(或速度)的纵向和横向分量,在整个频谱范围内(0～100MHz 或更大)能将机械振动线性地转变为电信号, 并具有足够的灵敏度以探测很小的位移(通常要求≤10-14m)。目前人们还无法制造上述这种理想的传感器，现在应用的传感器大部分由压电元件组成，压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂等单晶体，其中，锆钛酸铅接收灵敏度高，是声发射传感器常用压电材料。铌酸锂晶体居里点高达1200℃，常用作高温传感器。

声发射源定位的测试方法

辽宁大学学报自然科学版第25卷　第1期　1998年JOU RN A L O F L IA ON IN G UN IV ER S IT Y N atu ral S ciences E d ition V o l.25　N o.1　1998 声发射源定位的测试方法时书丽 (辽宁大学电子科学与工程系,沈阳110036) 摘　要　本文作者介绍了声发射源定位的测试方法,推导了时差测量公式,设计了时差测量电路,总结了多通道声发射测试仪的时差测量的方法. 关键词　声发射;声发射源;源定位;时差测量. 0　引言声发射,顾名思义就是物体发出声音的意思,它是一种常见的物理现象.例如,用力弯曲一根细竹棍儿,开始时听不到声音,随着施力的增加,就会听到噼噼啪啪的声音,这个回声就是声发射.如果再继续增加弯曲力,就会使竹棍儿在某处断裂,这个断裂处就是声发射源.这是我们亲眼所见、亲耳听到的现象.如果给一个大型构件施加压力,使其内部某处产生裂纹,而且发出声波.但是,人的眼睛看不到裂纹处,人的耳朵听不到裂纹声,这就要借助高灵敏度的声发射测试仪器去检测. 声发射检测法依据的基本原理,就是给检测对象施加压力或其它外部条件(如温度等),使检测对象中的缺陷或潜在缺陷自动发声,根据接收到来自缺陷的应力波推测缺陷的位置和大小.声发射技术的发展十分重视声发射源的研究,发展声发射源定位的技术和评价被测物体缺陷的有害度.源定位就是利用声发射信号的特点找出缺陷所在的位置,这是声发射检测的重要内容.为此,我们研制了双通道、四通道声发射信息分析测试系统,本文就其中源定位功能做以介绍. 1　声发射源的测定确定声源的位置就要使用多通道声发射仪,每个传感器对应一个通道,传感器的任务就是把声波信号转换成电信号.利用两个以上的通道,将传感器按一定方式配置构成阵列,利用声源发出的声波到达几个传感器的时间差确定声发射源的位置. 下面利用两个传感器组成线阵列,测定两传感器连线范围内的物体缺陷所在的位置,如图1中的(a)所示.在一个棒状物体两端B、C两点上各放置一个传感器T1、T2,它们的本文1997年8月28日收到

声发射

声发射检测技术摘要：通过阐述声发射检测的基本原理,总结了声发射检测的特点。介绍了国内外声发射检测技术的发展历程和现状，并概述了声发射检测技术在压力容器、转动设备、航空航天工业、复合材料等方面的应用进展，提出了我国目前声发射检测急需解决的问题和发展趋势。关键词：声发射；压力容器；复合材料 A Study on the Applications of Acoustic Em ission Technique Abstract:Based on the principle of acoustic em ission testing, the features of acoustic em ission testing technique are summarized. After an introduction to the history and present situation of acoustic em ission testing technology home and abroad, the authors havemade an review of the applications of acoustic e-m ission technique in pressure vessel, rotate facility, aviation and space-flight industry, and composite materials. The authors have also pointed out the problems to be solved and development trend of this field. Key words: acoustic em ission; pressure vessel; compositematerial 1 引言自1964年美国对北极星导弹舱第一次成功地进行声发射检测以来，声发射技术受到了极大的重视，发展很快。美国、日本和欧洲一些国家将声发射用于压力容器试验或定期检修等，已达到了工业实用水平。在核容器与化工容器运行中的安全监测、复合材料压力容器检测、焊接过程研究等方面研究及应用也取得了很大成就。声发射技术于20世纪70年代初开始引入我国，正值是我国断裂力学发展的高峰，人们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点。随后中科院沈阳金属研究所、航空航天部621所、机械部合肥通用机械研究院、武汉大学、航天部703所、上海交通大学等一些科研院所和大学开展了金属和复合材料的声发射特性研究。 2 声发射检测原理声发射技术是一种评价材料或构件损伤的动态无损检测技术，它通过对声发射信号的处理和分析来评价缺陷的发生和发展规律，并确定缺陷的位置。壶里的水快开时可以听到对流声，折断竹竿时可以听到噼啦的断裂声，打破玻璃可以听到清脆

声发射基本介绍

2、1声发射检测得基本原理当材料或结构受应力作用时,由于其微观结构得不均匀及缺陷得存在,导致局部产生应力集中,造成不稳定得应力分布。当这种不稳定状态下得应变能积累到一定程度时,不稳定得高能状态一定要向稳定得低能状态过渡,这种过渡通常就是以塑性变形、相变、裂纹得开裂等形式来完成。在此过程中,应变能被释放,其中一部分以应力波得形式释放出来,这种以弹性应力波得形式释放应变能得现象叫做声发射,也叫应力波发射。固体材料产生局部变形时,不仅产生体积变形,而且会产生剪切变形,因此会激起两种波,即纵波(又称压缩波)与横波(剪切波)。产生这种波得部位叫作声发射源。这种纵波与横波从声发射源产生后通过材料介质向周围传播,--部分通过介质直接传到安放在固体表面得传感器,形成检测信号,还有一部分传到表面后会产生折射,一部分形成折射波返回到材料内部,另一部分则形成表面波(又称瑞利波),表面波沿着介质得表面传播,并到达传感器,形成检测信号。通过对这些信号进行探测、记录与分析就能够实现对材料进行损伤评价与研究。其原理如图所示图2、1 声发射检测原理 Fig、2、l AE detecting schematic 材料在应力作用下得变形与开裂就是结构失效得重要机制。这种直接与变形与断裂机制有关得源,通常称为传统意义上得声发射源。近年来,流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形与断裂机制无直接关系得另一类弹性波源,也归到声发射源范畴,称为其它声发射源或二次声发射源。 2、2声发射信号处理声发射信号就是一种复杂得波形,包含着丰富得声发射源信息,同时在传播得过程中还会发生畸变并引入干扰噪声。如何选用合适得信号处理方法来分析声发射信号,从而获取正确得声发射源信息,一直就是声发射检测技术发展中得难点。根据分析对象得不同,可把声发射信号处理与分析方法分为两类:一就是声发射信号波形分析,根据所记录信号得时域波形及与此相关联得频谱、相关函数等来获取声发射信号所含信息得方法,如FFT变换,小波变换等;二就是声发射信号特征参数分析,利用信号分析处理技术,由系统直接提取声发射信号得特征参数,然后

声发射原理及参数

声发射技术原理和声发射信号特征参数分析方法提要：由于声发射信号来自缺陷本身，因此研究缺陷所产生的声发射信号的特点，以分析缺陷所处的位置和在其不同应力状态的损伤程度。利用设备在出现故障或破坏时，所发出的声发射信号与正常状态下的差异可以确定设备的运行状态。本文利用广义线性定位法[5]确定故障的位置，然后利用声发射的特征参数对故障的严重程度进行检测。对从藕合表面的传感器测得的声发射信号的输出波形经过一定的处理后进行分析。将声发射技术运用于转轴等机械部件的裂纹故障诊断中，可以及时准确地预测并诊断出设备在运行时的故障，尤其对于早期的故障。基于声发射技术的转轴故障检测李凤英沈玉娣熊军摘要介绍了声发射技术的原理和声发射信号的特征参数分析方法，运用广义线性定位法初步确定故障的位置，并采用声发射特征参数对现场的试验结果进行了分析。通过与正常信号对比，研究故障信号的特征信息，说明运用这一技术可以对机械部件进行故障检测。一、原理与方法高速运行的转轴，由于其受到的力为交变载荷，而且工作环境恶劣，经常发生损坏，比如断裂事故，因此有必要进行现场检测。随着检测技术的发展，无损检测（NUT）越来越受到人们的重视。无损检测的方法很多，诸如超声、射线、电磁涡流、磁粉、渗透、红外以及声发射等技术。材料或结构受到外力或内力作用产生变形或者断裂时，以弹性波的形式释放应变能的现象称为声发射现象[1]。材料裂纹在萌发与扩展时释放出的声发射信号不但频度高，而且集中。由于声发射信号来自缺陷本身，因此研究缺陷所产生的声发射信号的特点，以分析缺陷所处的位置和在其不同应力状态的损伤程度。利用设备在出现故障或破坏时，所发出的声发射信号与正常状态下的差异可以确定设备的运行状态。根据声发射信号的特点，可以把声发射信号分为突发型和连续型两种。连续型信号由一系列低幅值和连续信号组成，这种信号对应变速率敏感，主要与材料的位错和交叉滑移等塑性变形有关；突发型信号具有高幅值、不连贯、持续时间为微秒级等特点，主要与材料中的堆跺层错的形成和机械孪晶以及裂纹的形成和断裂有关。但是这两种分类也不是绝对的，因为在很多时候，这两种信号是同时发生的。中国资产管理网利用声发射信号检测时可以分为两个步骤。首先是对故障的位置进行确定，其次对故障的性质进行分析。本文利用广义线性定位法[5]确定故障的位置，然后利用声发射的特征参数对故障的严重程度进行检测。对从藕合表面的传感器测得的声发射信号的输出波形经过一定的处理后进行分析。目前分析所使用的特征参数一般有振铃计数与计数率、事件计数与计数率、振幅与振幅分布、能量和能量率、有效值和频谱分布等[3]。根据声发射信号的主要类型和研究的需要，可以确定选择合适的声发射特征参数。

声发射信号处理和分析技术

声发射信号处理和分析技术摘要：介绍声发射技术发展简况、声发射信号处理面临的困难及目前所用的各种处理和分析方法。还介绍了声发射仪器的发展概况。关键词：声发射检验；信号处理；分析；声发射仪器声发射（AE）可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象，而AE信号则表示一个或多个AE事件经传感器接受并经系统处理后以某种形式出现的电信号。当材料遇到“麻烦”时，它们会“讲话”，我们可以利用声发射设备来“听”诸如裂纹扩展、纤维断裂以及材料其他形式损伤所发出的“声音”。AE 相应的弹性波并不仅局限于可听声域，在绝大多数情况下，其有效频谱范围可伸展到数兆赫甚至数十兆赫频段。所以严格地讲，声发射应当被称为应力波发射，但由于历史的原因，人们已习惯于将其称为声发射。AE的原机制是各种各样的，如固体内裂纹的形成和扩展（裂纹的传播）、塑性形变、晶体内位错的移动和位错在钉扎点上的分离、孪晶边界的移动、复合材料内基体或夹杂物的破裂、分层或纤维的断裂以及物质结构的变化（包括相变）等。不同的源机制对应不同的发射声波，因而也对应不同的AE信号。尽管引起声发射的外部原因是多种多样的，但其共同点都是由于外部条件的变化（应力、温度和电磁场等），引起物体或结构某一局部或某些部分变得不稳定并迅速释放出能量。AE是正在扩展的材料缺陷（裂纹）的指示器，没有扩展，裂纹或材料的缺陷处于静止状态，就没有能量的重新分配，也就没有声发射。换句话说，只有当物体受到了永久性形变或永久性损伤时才会产生声发射。正因为这样，AE技术是检测材料损伤，特别是早期损伤的有利工具，也是对材料或结构状态进行动态监测的重要方法。与此相适应，声发射信号处理的主要任务则应当包括AE源识别、AE源定位和损伤评价等内容。 1 声发射信号及信号处理的困难所在与其它无损检测方法不同的是，AE信号处理技术面临的最大难题，或最大困惑首先是AE源的多样性、信号本身的突发性和不确定性。在进行超声或涡流检测时，人们可准确知道注入被检材料中信号的特征（幅度、频率和波形等），并由此可知接收信号的相应特征或相当发生的变化。而对于AE检测技术而言，情况却完全不同。不同的AE源机制可以产生完全不同的AE信号，而人们对AE源机制的认识总是受到很多条件的限制。因此，说极端一点，检测人员有时几乎不知道真正的AE信号究竟应是什么样子。其次，AE信号传输途径的影响也是一个完全不容忽视的因素，但问题在于，传输途径又与AE源位置、被检对象性质（材质、形状和几何尺寸）、声耦合剂特征以及接收传感器位置等诸多因素有关。图1可以说明这一问题。声源S(t) 输出信号F(t) 由图1可见，AE传感器所获得的信号至少是声源、传输介质、耦合介质和换能器响应等因素的综合结果，在数学上可表示为 F（t）= S（t）* M（t）* C（t）* R（t）(1) 式中S（t）——声源的时域函数 M（t）——传输介质的脉冲响应函数（格林函数） C（t）——耦合介质的脉冲响应函数 R（t）——换能器的脉冲响应函数 * ——卷积在频率域，上式可简化为