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声发射技术的历史及现状

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steelen 发表于 2017-8-1 14:11:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
[内容摘要]:作为一门半新不旧的技术,声发射技术在多种检测实验中逐渐展示出其不可忽视的影响力和重要性。本文将简要介绍声发射技术的相关历史、主要的研究方向、现实意义以及在研究方面的特别关注点。
[关键词]:声发射技术  检测
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。各种材料声发射的频率很宽.从次声频、声频到超声频,所以.声发射也称为应力波发射。一般,声发射信号的强度很弱,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。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。
声发射技术作为一门技术和有科学价值的研究工作是德国人凯塞(Kaiser)在1950-1953年开始进行的。他观察到锌、铜、铅及铝都有声发射现象.并发现了声发射的不可逆效应,即凯塞效应。50年代后期,声发射研究的重点转到了美国。美国科学家们对声发射现象进行了广泛的研究,认为声发射来自材料内部的机制,表面状态对声发射有一定影响;并寻找以声学技术检测金属滑移变形的可能性。他们还将实验频率提高到0.01M~1MHz,这是实验技术的重要进展,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。1964年,美国通用动力公司把声发射技术用于北极星导弹壳体的水压试验,这是声发射技术用于评价大型构件结构完整性的第一个例子,它标志着声发射技术开始进入生产现场应用的新阶段。
70年代,声发射技术的发展热潮转到了日本,后来,欧洲的许多国家也相应开展了声发射技术的研究工作。   
与此同时,我国也从70年代开展了声发射技术的研究工作,到目前为止,在许多领域取得了明显的效果。   
工业发达国家开展声发射技术的研究与应用,最初的研究对象是玻璃、岩石等脆性材料的声发射现象,当前已发展到钢铁等高强度材料及其结构物声发射现象的研究与应用。目前研究方向大致有以下几个方面:
(1) 声发射信号的表征参数,即声发射理论概念探讨。多为声发射的室内试样实验所得,目的是理解掌握声发射参数的特征及其与材料、构件受力之问的关系。这些参数主要有:声发射事件,振铃计数率和总数,幅度及幅度分布,能量及能量分布,信号维持时间,信号脉冲前沿上升时间、频度、有效电压值、频谱和波形等。随着材料、构件受力破坏的不同,声发射信号的这些表征参数也会随之发生变化,并且彼此之间也存在一定关联性。固体介质中传播的声发射信号含有发射源的特征信息,可利用表征参数反映材料特性或缺陷发展状态,从而为声发射检测仪器的研制与声发射技术的工程应用奠定基础。
(2) 声发射检测仪器及系统。由于声发射信号是前沿时间只有几十到几百毫微秒、重复频率高的瞬变随机渡信号。局部瞬变产生的声发射波在试样表面的垂直位移约为~m,频率分布在次声到超声频率范围(几Hz到几十兆Hz)。故要求声发射检测仪器具有高响应速度、高灵敏度、高增益、宽动态范围、强阻塞恢复能力和频率检测窗口可以选择等性能。并且具有抗干扰能力和排除噪声的能力。
如今,声发射检测仪大体上可分为单通道声发射检测仪和多通道声发射源定位及分析系统两种。从发展趋势看,研究方向大都朝着多通道、自动化采集信号、计算机分析处理数据、打印机打印输出、动态显示等多环节一体化发展。其中代表性的仪器系统有美国声发射技术公司生产的AET5000系统.日本NF回路株式会社生产的NF—AE9000组件系统和日本新日铁公司生产的NAIS组件系统等。美国产声发射系统在金属容器等均质材料中定位精度可达厘米数量级,日本开发的三轴向声发射检测系统,在地热开发中应用于地下千米以上距离的声源定位,精度可达米数量级。
(3) 声发射技术应用于工程实际的研究。由于声发射检测是一种动态无损检测方法.而且声发射信号来自缺陷本身,因此,用声发射技术可以判断缺陷的严重性。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,这是其它无损检测方法难以实现和无法替代的。这一特点引起科技工作者的极大注意与兴趣,并着力于声发射技术应用于工程实际的研究。目前,工业发达国家开发应用成功的工程实例有各类压力容器.航空和航天工业中的某些重要构件.原子反应堆,测定燃料燃速,地热开发中水压裂隙的发展动态检测.某些特殊材料性能测试,矿井大面积地压活动预报,露天边坡稳定性预报等。    我国声发射技术的研究工作是从70年代开始的,其特点是首先着眼于应用.到目前为止,在材料研究、压力容器评价、矿山采场局部岩体冒落、飞机构件的强度监测和测定燃料燃速等方面都已取得了明显的效果。在扩大应用范围的基础上,深入研究有关声发射技术理论,已生产出多种商品声发射仪器。
在我国,近年来,也有许多科研单位致力于声发射技术的研究与应用,稍早开展的有声发射技术预测预报岩体稳定性的研究及将声发射技术应用于压力容器安全监测等。成功预报过矿井大面积地压活动,采场巷道岩体局部冒落,露天边坡跨落及锅炉压力容器安全性评价等。并先后研制成功了多种声发射监测仪.特别是最近研制成功的YSD单片机岩体声发射监测仪,能同时多通道监测,具有智能化仪器的诸多优点,是岩体声发射监测仪的更新换代产品。
从无损检测的角度综观声发射技术的发展,无非要解决以下几个问题:1)构件或材料何时出现了损伤;2)是什么性质的损伤;3)在什么地方出现了损伤;4)损伤的严重程度如何。   
在过去的30多年里,我国科学家对这些问题都作了研究,取得了很多成绩。为了使声发射技术更好地应用于生产及科研,扩大应用范围,目前科学家正致力于以下几个方面来开展研究工作:
(1) 声发射技术是从接收到的声发射信号判断声发射源的,评价有害度。所以必须研究声发射的发声机理及不同的发声机理与接收到的信号之间的联系。目前,直接接收到从声源发出的原始声发射信号的技术仍不够成熟,因此,如何从接收到的信号准确地反推声源就成为一个重要的问题。   
(2) 各种材料在不同实验条件下表现出的声发射特性差别很大,故另一方面科学家在广泛研究各种材料的声发射特性,丰富人们对材料声发射特性的认识,为寻找收到的声发射信号与声源之间的联系提供依据。   
(3) 由于影响声发射检测结果的因素很多,统一声发射检测系统的标定方法和试验方法就成为急需解决的问题
(4) 展声源定位技术,寻找排除噪声的新方法和研究缺陷有害度评估的新方法,从而研制出适合于严重噪声环境下应用的新仪器。而研制排除噪声干扰应用的新型声发射监测仪器更是难题,也是广大科研工作者的奋斗目标。   
(5) 声发射表征参数包含了丰富的有用信息,但一般使用的只是其中一部分参数.如事件率、能量(率)、时差等,今后应更多地考虑其它参数的综合应用。
    综上所述,当前尽管有许多新兴技术的冲击,声发射技术在检测等方面有无法取代的重要地位,有着光明的前景,正待人们去开发、去挖掘。

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