状态监测与故障诊断技术 第九章 声发射技术.docVIP

第九章 声发射技术 现代研究结果表明，承受载荷的固体往往有热发射现象，表面电子发射现象和声发散现象。从能量转换角度来看，当固体受载之后，它如同一个能换器，把应变能变成热能、电能、声能、发射出去。这些能量是固体因受外力而引发的固有现象，因此，这些能量的特征和量值的大小自然代表着固体材料内的一些属性。1、声发射就是材料在外载荷或内力作用下以弹性波的形式释放应变能的现象。材料受到外载荷作用时，由于内部结构的不均匀及各种缺陷的存在造成应力集中，从而使局部应力分布不稳定。当这种不稳定的应力分布状态所积蓄的应变能力达到一定程度时，将发生应力的重新分布，从而达到新的稳定状态。在这一过程中往往随有范性流变、微观龟裂、位错的发生与堆积以致裂纹的产生与发展。这实际上就是应变能的释放过程。这种被释放的应变能，一部分是以应力波的形式发射出去，由于最先注意到的应力波发射现象是人耳可听领域内的声波，所以就称它为声发射。其实应力波发射的大部分频率范围要比声频广得多，从次声到超声频率。实际上，金属材料的应力波发射大部分是处于声域以上的超声范围，检测频率大都处在100—300kHz。由上所述，声发射的出现要具备两个条件：第一，材料要受外载作用。第二，材料内部结构不均匀或有缺陷。 基于上述机理，对于材料的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展，就可以利用声发射来提供它们的动态信息。声发射源往往是材料灾难云苹档姆吹亍Ｓ捎谏涞幕疃诓牧掀苹抵浜茉缇突岢鱿郑虼烁菡庑涞奶氐慵捌浞涞那慷龋唤隹梢酝浦湓吹哪壳白刺铱梢灾浪纬傻睦罚けㄆ浞骨魇疲?img src=images/9-1.gif width=300 height=205 align=right从而进行状态监测和故障诊断。2、声发射测量参数如前面所述，声发射是一种能量释放过程，能量的大小一般可表现为声发射率的高低，即单位时间发出声发射脉冲的数目；信号幅度的大小；以及频率成分的宽窄。下面介绍几种声发射信记录的参数。（1）计数与计数率裂纹每向前扩展一步，就释放一次能量，产生一个声发射信号，于是传感器就接收到一个声发射波，其波形如阻尼振荡的波形，我们称为它为一个声发射事件。声发射计数可以分为事件计数和振铃计数。图9-1所示为一突发型声发射信号记录，从t1到t2计为一声发射事件。事件计数处理方法，只注意了事件的频度，较少涉及信号的幅度，只是看重反映了裂纹扩展的步进次数。振铃计数是计算声发射事件中越过槛电压Vt的振荡次数，门槛电压Vt可按实际情况不同材料来设定，在仪器上，Vt值可调。如图9-1所示，该事件中，振铃数为5。可见，声发射波谐振幅度越大，振铃数就越多，因而振铃计数在一定程度上反映了声发射信号的幅度。以上所述的事件及振铃计数又可分为总数（某特定时间内的总计数）和计数率（单位时间内的计数）两种。（2）幅度和幅度分布 古典力学认为，振荡的能量与振荡幅度的平方成正比，故可用声发射信号的幅度作为声源释放能量的量度。其值可采用峰值或有效值。测量幅度在连续信号中更重视。幅度分布就是按信号幅度的大小范围分别对声发射信号进行事件计数。把仪器的动态范围分布为若干等级，每个等级有一定的电平范围。若把声发射事件按幅度分类的等级分别计数，就称作为事件分能幅度分布，如图9-2所示。若将声发射事件按越过各等级低端电压的事件数进行累计计数，则称作为累计幅度分布，如图9-2所示。（3）能量和能量率 在声发射实验中,较多地是使用振铃（脉冲）计数方法。但这种方法存在着某些缺点，例如振铃（脉冲）计数随信号频率而变；只是间接地考虑了信号的幅度；计数与重要的物理量之间无直接关系等。因而提出了能量测量方法。它同时以信号的幅度和时间的长度来作为能量的量度标尺。 由瞬变信号能量的定义知，声发射信号所包含的面积反映着它能量的大小。它也用计数表示。计数的数值正比于声发射事件平方后的信号所包含的面积。如图9-3所示。图（a）表示的是仪器放大器的输出信号；图（b）是幅度平方后的信号，当然其值均为正值；图（c）是经检波后所得到的包络曲线，并对时间t进行积分；图（d）为最终结果，即得到正比于面积的计数。能量测量也分为能量率和总能量两种。（4）频谱频谱分析正在受到重视，它可以区别不同声源并了解声源发射的机理。许多研究工作者认为，声发射的频率成分与波开一样包含有声发射微观过程的重要信息。频率分析的主要工作是测量出声发射信号中的各种频率成分及其各成分的幅度，然后再加以分析比较。（5）声发射信号中的振铃事件比这是中国科学院金属研究所的研究者，最近引入并正式采用的一种应用物理量。前述的事件计数只反应声发射的频繁程度，但并不反映每次声发射的强弱；振铃计数反映了发射的强弱，但技术上较复杂；另外，它们只能得到幅度和能量的统计分布。