声发射试验的方法优化

5.4.1.1　声发射工作原理

声发射是一种动态的检测方法，可能动地反映材料微观结构的变化。其信号来自缺陷本身，因此可利用声发射判断缺陷的、大小和性质。当所处的位置和所受的应力状态不同时，结构的损伤程度也不同，所以其声发射特性也有差异。明确了来自缺陷的声发射信号的特性后，就可以利用其对材料的性能进行研究。一般来说，发生于材料内部的声发射是由于材料发生不可逆变化引起的，如晶体结构变化、滑移变形、裂纹的形成和扩展以及复合材料不同相界面的脱落等。在混凝土试验研究中，大多采用多通道声发射源定位及分析系统。图5.5是声发射测试系统的基本原理图。AE换能器是信号接收部分，通常用钡钛酸铝压电晶体制成，作用是将脉冲应力波信号转化为电信号，其自振频率为150k Hz，通常用硅胶或黄油耦合在试件上。

图5.5　声发射测试系统原理图（崔延卫，2005）

前置放大器的增益一般选为40dB，以提高抗干扰能力。滤波器采用高通滤波和低通滤波来降低背景噪音，对混凝土，门槛电压多选为45d B；而对砂浆，则选为60dB。放大器增益选为20d B。在测试过程中，通常记录声发射总计数与荷载（N—P）、声发射率与荷载（d N/d t－P）或声发射率与时间（d N/d t－t）等特性参数之间的关系。声发射可用振铃计数、事件计数和能量等表示。

Watanabe等（2004）发现声发射信号振幅与单轴压缩混凝土的局部能量具有良好的一致性，峰值前振幅可用于定量识别压缩损伤区；Tetsuya Suzuki等（2004）通过速率过程分析研究了单轴压缩条件下混凝土的声发射特性和损伤之间的关系，建立了声发射率和损伤参数之间的关系，借此成功评价了实际混凝土结构的相对损伤程度；Puri等（2006）在利用声发射振幅和持续时间对声发射事件进行分类的基础上，建立了材料损伤和声发射活动之间的联系，发现在试件中高振幅和长持续时间的事件在高损伤水平中发生；Yuyanma等（2001）应用声发射技术评估试验室和在役结构的钢筋混凝土板在周期荷载作用下的疲劳损伤，通过对比发现，声发射能量在评估在役钢筋混凝土板的疲劳损伤方面是一个有效的参数。

在混凝土损伤区（CDZ）和断裂过程区的表征方面，Puri等（2006）定位出声发射事件的位置来描述试件中损伤区域的发展，给出了不同加载阶段CDZ尺寸与试件直径的关系。Koji Otsuka等（2000）用X射线和三维声发射源定位技术研究混凝土的断裂过程区，发现伴随声发射事件的发展在混凝土拉伸试件的开口端部出现一个含有众多微裂缝的区域，通过对比两种方法得到的结果可以清晰描述混凝土断裂区。

McCabe等（1976）在试验室内研究了试件尺寸和加载方式对混凝土圆柱体试件声发射信号的影响，发现声发射事件总数随着试件尺寸的减少而增加，同时还发现Kaiser效应存在的应力上限值约为极限抗拉强度的80%或85%。Alliche等（1986）采用声发射技术研究了水泥砂浆的疲劳特性，并且指出声发射信号的特性和试件的纵向变形有密切关系。20世纪90年代，Ohtsu（1996）、Grosse et al.（1997）、Zongjin Li（2000）、Veerachai et al.（2005）等研究了单轴拉伸混凝土声发射特性以及和声发射源定位相关的一些问题，并将声发射技术应用于钢筋混凝土中的钢筋锈蚀方面的研究。Rossi等（1989）采用声发射技术研究了砂浆和混凝土开裂时的物理机理，发现采用声发射技术可以区分母体—包含物之间的裂缝和在母体内部传播的裂缝。

5.4.1.2　声发射试验的优点(www.xing528.com)

声发射检测方法在许多方面不同于其他常规无损检测方法，其优点（崔延卫，2005）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物体本身，而不是像超声或射线探伤方法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活性缺陷的状态。

（4）可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量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）由于对被检件的要求不高，因而适于其他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）对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不用停产。

（7）对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统灾难性失效和限定系统的最高工作载荷。

（8）由于对构件的几何形状不敏感，因而适用于检测用其他方法检测受到限制的形状复杂的构件。