声发射技术

4.2 声发射技术(AE) 4.2.1 声发射概念和原理

声发射技术Acoustic Emission简称AE，是一种应用日趋广泛的现代无损检测新技术。

受力构件的材料内部在裂纹萌生、扩展过程中会释放塑性应变能并以应力波形式向外传播扩展，这就是声发射现象，AE就是采用高灵敏度的声发射压电传感器安装于受力构件表面形成传感器陈列，实时捕捉来自于构件内部裂纹扩展的动态信息，通过对这些信号的处理分析，可以检测材料内存在的裂纹损伤进行分析和研究。形象地讲，这是一种听声技术，像医生用听诊器对人体听声来诊病一样，通过听构件内部故障声音来对构件诊断。

AE产生于上个世纪50年代，起于由德国科学家KAISER发现并以其名字命名的KAISER现象。早期由于人们对声发射信号特征的认识局限性以及计算机技术和信号处理技术发展水平的限制，不能很好区分什么是来自于裂纹缺陷的声音。信号和环境噪声信号使AE一直处于实验室研究阶段。到20世纪70年代人们发现了大部分构件裂纹缺陷的声发射信号是高频信号，大致在100 KHz ~ 300 KHz之间，进而采用高频谐振传感器，先进的信号处理技术大大排除了可听音范围内的环境噪声干扰，使AE开始进入实际生产。

进入20世纪80年代，电子计算机技术和现代信号处理技术进入声发射研究领域，AE的应用领域越来越广泛。20世纪90年代以后，AE在无损检测领域更显得举足轻重，在美国与欧洲的航空航天设计研究与制造部门已成为一种必不可少的技术手段，被广泛用于航空航天飞行器的结构测试。 4.2.2 AE的产品

目前有Vallen-Systeme Gmbh公司开发出现代化声发射系统AMSY-5（图 4-3），它采用由数字信号处理器构成的并行处理系统，使传统的AE特征提取和实时波形捕捉、波形分析同时处理，拥有快速的信号处理能力。

软件方面，开发了对复杂问题处理的列软件包Visual Circle，它由三个功

能不同的软件—— Visual AE、Visual TR和Visual Class组成，大大提高了AMSY-5对于复杂结构在复杂环境下的声发射信号处理能力。

图 4-3 AMSY-5的计算机和功放（左）、传感器（右上）以及预放大器（右下）

4.2.3 AE的应用情况

目前AE在材料裂纹检测，特别是复合材料及结构的裂纹检测方面一直是最活跃、最成功的一种技术，而且近年来由于复合材料在飞机结构上的应用越来越广泛，从某种意义上讲也直接推动着AE的研究和应用。

复合材料的损伤形式包括纤维断裂、基体开裂、分层、脱胶、纤维、基体分离等多种形式。它的破坏机理、力学特征和强度特征更复杂，这些都是AE的研究重点。早期的AE主要以常规声发射特征参数如能量分布、幅度分布等来研究复合材料的不同破坏形式和机理。随着数字化AE的发展，AE更注重从基本的声发射波形特征及声波模式特征等来研究。

中国航空领域70~80年代就有人开始AE的研究，但早期声发射仪器落后，研究开展得不普遍，解决实际问题的效果并不明显。近年来，虽然国外在声发射研

究方面取得普遍成功，但由于经费不足，重视不够及与国外信息交流的闭塞，我国与国外在AE的水平差距拉大。

可喜的是，空军第一研究所的研究人员于1994~1995年歼教七飞机整机疲劳试验过程中，虽然条件艰苦，当时主题:只租借了一套AE设备，对该飞机进行了一年多的试验，取得重大成功，并深受空军上级部门的称赞，很快得到拨款，使该所95年底就购置了一套AE设备。

在中国航空业界，随着许多有识之士对AE的不断认识和重视，相信该技术很快会在我国航空无损检测领域得到更多地应用和发展。 4.2.4 AE的特点和技术优、缺点

作为一项新的无损检测技术，它最能直接反映材料内部缺陷萌生及发展过程，它与其它传统无损检测手段，具有如下一些优点：

(1)AE它是一种动态实时技术，实时发现和监测裂纹的萌生、发展和破坏过程，不像其它方法是在缺陷出现事后检测中才能发现。

(2)AE具有整体性，通过安在构件表面一定数目的阵列传感器能够同时发现传感器阵列所覆盖的整体构件内任何位置的裂纹和缺陷，并由时差定位技术确定缺陷的具体位置，其它方法只是对具体的缺陷位置进行检测，靠缺陷的几何大小和形状来发现，对无法检查或没有检查到的部位无法知道有无缺陷。 (3)AE具有高精度和灵敏度，材料在裂纹萌生时的塑性钝化阶段就伴随着声发射信号的产生，如果传感器和仪器设置较好，它可以发现非常小的裂纹萌生和扩展过程。

(4)AE的检测范围很广，可以检测转动机械（如风扇、鼓风机、马达等）的裂纹，也可用于检查焊缝、陶瓷的裂纹。 AE也存在一些不足之处：

(1)由于要探测由应力波传递的声音信号传感器检测时探头必须与被检测表面接触良好。

(2)如果裂纹附近的材料已经处于非应力状态，AE无法检测出裂纹的存在。 (3)检测结果容易受外界噪声干扰。

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