声发射检测中的参数与信号分析

7.1.3.1 声发射检测基础

1.声发射现象 材料或结构在外力或内力作用下发生变形或断裂时，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。换句话说，声发射是材料或结构中局部区域快速卸载使弹性波得以释放的结果，即是一种常见的物理现象。绝大多数金属材料塑性变形和断裂时都有声发射发生，但声发射信号的强度很弱，人耳不能直接听到，需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，并利用声发射信号来推断声发射源的技术，称为声发射检测技术。

结构件在受载时，在构件内微观组织不均匀处或缺陷处将产生应力集中，特别是在缺陷的尖锐处更为严重。应力集中是一种不稳定的高能状态，这种状态将以应力集中区域的塑性变形导致微区硬化，最终导致形成裂纹并扩展，因而使应力得到松弛而恢复到稳定的低能状态。与此同时，多余的能量将从塑性变形区或裂纹形成扩展区以弹性波形式释放出来，即发生声发射。

2.声发射信号的表征参数 目前说明声发射信号的表征参数是针对仪器输出波形而言的。这些参数主要有声发射事件计数、平均事件计数、振铃计数、平均振铃计数、振铃事件比、幅度分布、能量和能量率等。

（1）声发射事件计数和平均事件计数。一个声发射脉冲激发传感器，使之振荡并产生如图7-60a所示的一个突发型信号波型，包络检波后，波形超过预置的阈值电压U_i（图7-60b）所形成的一个矩形脉冲（图7-60c），称作一个事件。在测试中所得到的事件总数称作事件计数。单位时间（通常为每秒）内的事件数，称作平均事件数。

（2）声发射振铃计数和平均振铃计数。在所检测到的声发射事件中，超过阈值电压的脉冲状信号称作振铃。图7-61所示有4个振铃。在试验中所测取的总振铃数称作振铃计数（声发射计数）。单位时间内的振铃数称作平均振铃计数。

图7-60 事件计数

a）声发射信号 b）检波包络 c）事件脉冲

图7-61 振铃计数

a）声发射信号 b）振铃脉冲

（3）振铃事件比。单个事件中的振铃数称作振铃事件比。

（4）幅度分布。质点振动位移的平方正比于该质点所具有的能量，因此度量声发射信号的幅度就能反映声发射事件所释放的能量。目前，常用下述两种处理方法进行幅度分布分析。

1）事件分级幅度分布。将接收到的若干事件的声发射信号按其振幅大小分成若干等级，然后将事件数绘成直方图，如图7-62所示。

图7-62 声发射事件直方图

2）事件累计幅度分布。声发射检测系统将声发射的幅度分为若干等级，每一等级有一个低端电压。将声发射事件按越过各低端电压的数目进行累计，这样所得到的事件数随各等级低电压U_d变化。其变化规律可表示为

累计事件数∝U^-b_d

以x轴表示U_d，也就是幅度等级；y轴表示累计事件数的对数值，可得一直线，如图7-63所示。直线的斜率就是上式中的b值。

（5）能量和能量率。虽然信号幅度可以代表能量，但在常用的声发射能量测量方法中是把声发射事件所包含的面积作为能量的测量参数。能量参数分为总能量和能量率两种，前者指在试验过程中所测得的累计能量值，后者则是单位时间内的声发射能量。(www.xing528.com)

3.声发射检测特点 声发射检测是在不使结构发生破坏的力的作用下进行。在这种力的作用下构件内发生塑性变形、裂纹的形成和扩展，多余的能量以弹性波的形式释放出来。缺陷在检测中主动参与了检测过程，所以它属于一种无损动态检测方法。它与常规的无损检测方法相比有以下特点：

（1）声发射检测仪显示和记录那些在力的作用下扩展的危险缺陷。这种检测方法采用了不同于常规无损检测方法按缺陷尺寸评判的方法，而是按缺陷活动性和声发射强度分类评价。

（2）声发射检测对扩展中的缺陷有很高的灵敏度，可以探测到零点几微米数量级的裂纹增量。

（3）可用若干个声发射传感器固定在构件表面构成几个阵列来检测整个构件，不需要将传感器在构件表面移动，因此声发射检测过程对构件表面状态和加工质量没有过分要求。

图7-63 声发射事件累计幅度分布

（4）缺陷尺寸及在构件中的位置和走向不影响声发射检测结果。

（5）与射线照相法和超声波检测相比，受材料影响小。例如奥氏体钢焊缝的凝固组织裂纹，特别是热裂纹，采用F射线和超声波检测都有较大困难，但用声发射检测就显示出极大优越性。

7.1.3.2 声发射检测在焊接中的应用

声发射检测技术已成功应用于役前、在役压力容器结构完整性的检测评定上。

1.在役压力容器结构完整性检测评定 据统计，目前国内拥有的在役锅炉、压力容器有近百万台。从事故统计和部分压力容器开罐检查结果来看，有相当数量的在役压力容器普遍存在着各种先天性（制造中遗留）和后天性（使用中产生）缺陷没能得到及时检验和处理。若按制造验收标准对检修容器进行100%的磁粉、射线、超声波检查，对超标缺陷一律进行返修处理，这样做不仅检修速度慢，而且费用也高（约1/3的容器需报废）。在判定哪些是危险程度大而急需检测的容器上又只能凭主观臆断，这种不科学的做法有可能使真正危险的容器得不到及时检修，影响安全生产。将声发射技术应用于在役压力容器检修水压试验可以解决上述问题。通过布置在水压试验的在役压力容器表面的声发射换能器，发现活动性缺陷（如扩裂纹）源，定出位置再用常规无损检测方法对活动源进行重点复查，这样不仅大大减少了常规无损检测工作量，加快了检修速度，而且免去了相当数量超标缺陷的返修，降低检修费用，同时也真正确保了压力容器的安全使用。我国在役压力容器检修加载试验声发射检测可按JB/T 7667—1995《在役压力容器声发射检测评定方法》进行。该标准适用于材料屈服强度小于或等于800MPa的钢制压力容器。压力管道也可参考此标准进行。另外，相关的国外标准还有：美国的ASTM E1139—2002《金属压力容器声发射连续监视方法》和ASME BPVC第V卷第12章《金属容器加压试验时的声发射检测》、日本的EDHS2412—1980《高强钢球形贮罐检测和分类方法》。

在役压力容器声发射检测应在容器加载过程中进行，加载程序一般包括升压、保压过程。最高加载压力最好稍高于原出厂时的水压试验压力，至少不得低于最高使用压力的1.25倍。保压至少应在80%最高使用压力、最高加载压力、最高水压试验压力三个台阶进行。保压时间一般不少于5min，最高加载压力保压时间不少于15min。

声发射传感器一般根据复评射线底片和过去检查的缺陷记录来确定重点检测部位，决定传感器陈列的布置方案。

2.役前压力容器结构完整性检测评定 用声发射技术对役前水压试验的压力容器进行检测，以做到早期发现压力容器内部存在的各种足以造成性能退化，影响其正常使用的活动性危险缺陷，是评价压力容器结构完整性、避免事故，尤其是灾难性事故发生的有效方法。

役前水压试验声发射检测评定方法与在役压力容器检修声发射检测评定方法相同。

3.在役压力容器结构完整性检测评定 对那些工作在高温、高压、有强烈腐蚀性或毒性介质条件下，或带有尚存疑问缺陷的压力容器，采用声发射技术对容器的运行进行监控称作在线检测。这种检测的意义在于监测缺陷的变化，提供停机或检修的最佳时机，避免重大事故的发生。若对在役运行压力容器结构的完整性进行连续检测，则人力物力耗费较大，可采用定期检测。

7.1.3.3 声发射材料表征应用

通过对材料表征实验过程的声发射监视，建立声发射、微观机制、力学特性之间的关系，通常能达到两个目的：①分析和评价变形、断裂机制与力学行为；②为构件的无损评价建立广泛的声发射特性数据库。声发射材料的表征方面见表7-27。

表7-27 材料表征方面应用