声发射传播特性及传导方式的研究综述

韦花貌

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004）

当材料受到外力或内力作用，而产生塑性变形、裂纹及相变时，以弹性波的形式释放出应变能，称为声发射。声发射信号，来自缺陷本身。因此，用声发射检测法，可以判断缺陷的活动性和严重性。声发射检测技术是一种动态无损检测方法[1]。

目前，声发射检测技术已得到了广泛的应用，例如对核电的承压容器焊缝品质、液化石油瓶焊缝品质、滚动接触的疲劳裂纹和柴油发动机裂纹的检测[2~3]；对水利水电工程方面中的水升压和保压阶段裂纹的扩展、切削加工过程的刀具异常、激光技术加工的品质和精密制造过程进行实时监控等等[4~5]。

虽然声发射检测技术得到广泛应用，但仍存在噪音干扰大、微小声发射信号波形显示不突出等问题。由于声发射的传播特性和传导方式，对信号的影响较大，为了提高声发射的检测精度，需要对声发射的传播特性和传导方式进行更深入的研究。

1 声发射的传播特性

声发射波在传播过程中，会发生衰减、反射、模式转换等，使检测时接收到的信号，与声发射源的原始信号，存在较大的差异。

1.1 声发射传播过程的衰减特性

衰减，就是信号的振幅或能量，随着传播距离的增加而减小。

影响声发射信号衰减的主要因素有：传播介质、声发射的频率、声发射的传播速度、声发射的传播距离等。

声发射波在不同的介质中传播的衰减特性不一样。

（1）声发射在固-液（气）介质中传播的衰减特性，已获得以下成果：

孙立瑛等对声发射在充液管道传播的衰减特性进行试验研究，分别改变了波速与管道里面的介质，结果发现波速和介质对波振幅衰减率都有影响[6]；当管道里面的介质是空气时，声发射波的传播速度越快，则振幅的衰减率越低；管道里面介质是水时，传播速度越快的，波振幅的衰减率也越快；波速相同时，声发射在有水载荷的管道中传播振幅的衰减率，比无载荷的大。

徐春广等研究磨削加工过程中声发射的传播特性，研究了声发射波的振幅与流体喷射速度对声发射信号的影响，结果得出了波幅的衰减随波的振幅的增大而增大[7]；当流体喷射速度＜0.09mm/s时，没有接受到声发射信号；当流体喷射速度＞1.1mm/s时，声发射信号的受到很强的干扰。

（2）声发射在空气介质中传播的衰减特性，已获得以下成果：

王成江等研究绝缘子放电声发射在空气中的传播特性[8]，发现了传感器在不同的位置时，接收到的信号差别很大。结果得出了绝缘子放电声发射传播的方向性很强；离声发射源较近（盲区）时，声发射信号的振幅随传播距离的增大而急剧直线下降；远离盲区之后，声发射信号的振幅随传播距离的增大而快速下降的指数规律衰减；除此之外，还存在信号强度衰减，波的信号强度随波的传播距离的增大反而快速减小。

（3）声发射在固体介质中传播的衰减特性，已获得以下成果：

邹银辉等对岩体声发射传播衰减理论分析与试验研究[9]，最后得到振动的振幅A 与声发射的频率f、传播速度ν、传播距离x 以及材料的品质因子x 之间的关系为

其中，

A0为震源的振幅，并通过试验得到声发射源的频率在0～5 kHz时信号衰减相对较小。

关卫和等对不同壁厚构件的声发射传播特性进行研究[10]，发现了不同壁厚对声发射的衰减特性有影响，得出了声发射的振幅随传播距离的增大呈指数衰减，但壁的厚度越大衰减系数越大的结论；声发射在厚壁传播时，随距离的增加，高频分量衰减较快。声发射在不同的材料中传播时，传播特性也不一样。

周伟等人对声发射在风电叶片玻璃钢复合材料进行研究[11]，发现了材料的纵向和横向的材质排列不同，对声发射的衰减规律也不同，最后得出了声发射在材料中的传播速度越大，振幅衰减越小的结论。

1.2 声发射波传播的反射与模式转换

声发射波在介质中传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可以分为纵波、横波、表面波（瑞利波）、板波这4种传播模式。

当波传播到两种介质的交界面时，就会发生反射和折射。无论是反射波还是折射波，都可能导致波形模式转换。

图1是声发射波经过不同的方向、不同路程、不同时间传播到传感器，波形经过长时间叠加而成复杂波形，再加上传感器频响特性及传播衰减等的影响，使得声发射波形的上升时间变慢，幅度和能量衰减，信号持续时间变长，频率成分向低频偏移。

图1 波在板中的传播示意图

由于波在传播过程中遇到的界面复杂程度不一样，传播的距离不一样，波的模式转换也不同，但波在传播过程中只要有反射与折射，就会存在模式转换。只有入射波垂直入射时，波才不会发生模型转换。

综上所述，声发射在不同的介质中传播的衰减特性不同。在检测之前，应该对检测对象做出正确的评估，应提前了解检测对象的复杂程度，确定声发射源的频率、功率、振幅以及声发射信号在周围介质中的传播规律。

在检测过程中，也要注意选好合适的传感器。传感器的谐振频率，应与声发射源的频率接近；当检测对象结构较为复杂时，安装传感器的选位非常关键，如对充液管道检测时，一般选择谐振频率在10～40 kHz的声发射传感器，并选弯头和三通作为传感器的安装位置，可以避免错误定位。

当大振幅的突发性声发射源功率很大，容易造成噪音干扰，因此安装传感器应远离声发射源，如对磨削过程中的刀具磨损，进行监控时，声发射传感器离声发射源应＞1 m，且冷却液的流动速度应在0.1～1mm/s，可以避免噪音干扰。

当声发射信号在周围介质中传播衰减很快时，安装传感器应离声发射源近一些；如对绝缘子放电声发射检测时，离声发射源在几米内才能接收到信号，因此传感器离绝缘子表面越近越好。

对岩石声发射检测时，选择声发射传感器的谐振频率在0～5 kHz，并安装在离声发射源在20～30m之间。

对不同材料的声发射进行检测时，应先了解材料的内部结构，当材料内部是纤维结构，对传感器的安装无要求；当材料内部是纤维与树脂交替而成时，波容易发生反射，导致波的振幅和能量衰减很快，因此传感器应离声发射源近一些。

2 声发射传导方式

在高温、深冷、易燃、易爆、有毒及核辐射等条件下，对压力容器、复杂构件等设备进行声发射检测时，由于条件限制或仪器设备使用的制约，不能将传感器直接安装在被测物体表面[12]，而是通过其他方式间接的连接起来，这一过程称为传导方式。

2.1 声发射传导方式的研究成果

目前已经有研究人员对声发射传导方式的研究，并有以下成果。

李锦秀等的专利是研究地下岩体声发射信号聚焦传感装置[13]，这个装置中包含一个导波构件，导波构件是用防锈金属制成的金属棒，如图2所示。

图2 导波构件结构示意图

王海斗等的专利是研究适于连接声发射探头的标准杆部件[14]，该标准件包含第一杆体和第二杆体，如图3所示，在检测过程中使用标准件，可以精确地捕捉到声发射的动态。

图3 标准杆结构示意图

蒋俊等的专利是研究了一种用于声发射检测的波导杆[15]，包括波导杆主体以及两个连接端，如图4所示。

图4 波导杆结构示意图

王祥岗等研究了3种高低温容器检测时常用的波导杆[16]：

第一种，波导杆为普通圆形的，一端用焊接的方式跟容器焊牢，另一端是圆盘状的，方便传感器的安装；

第二种，把第一种的圆盘换成内螺纹盖帽的形式，其他的没有变化；

第三种为挠性波导杆，这样便于在狭小的空间安装。

这三种波导杆在实际应用效果良好。

在检测过程中，关于波导杆对声发射信号的影响，目前已有诸多科研人员对此作出了研究并获得以下成果。

邹银辉等运用一维黏弹性波理论，推导出了声发射简谐波在波导杆传播过程中的位移、速度及加速度幅值绝对值与传播距离成指数衰减关系[17]。

邹银辉等对于同一类型的波导杆进行研究[18]，在试验中通过改变波导杆的长度，并发现波导杆长度不同，对信号的振幅的变化率和事件计数都有影响。试验的结果显示，波导杆的长度小于1m时，声发射信号振幅的变化率和事件数，都随波导杆长度增大而衰减，但衰减不明显；波导杆的长度大于1m后，声发射信号振幅的变化率随波导杆长度增大而迅速衰减，但事件数随波导杆长度的增大反而迅速增大。

李建功等对长度相同，直径不同的波导杆进行研究[19]，最终得出了波导杆的直径越小，固定端加速度幅值的绝对值越大，从固定端点到自由端点加速度幅值的绝对值衰减率也越大的结论。

孙国豪等人通过对圆形波导杆进行研究[20]，最终得到了对于同一直径的波导杆,声信号的幅值随着波导杆长度的增长而降低；对长度相同的波导杆，声信号的幅值随着波导杆直径的增大而幅值降低。

郭福平等检测承压管道气体泄漏产生的声发射波使用Ф12mm×1 000mm的波导杆[21]，经过对比发现，位于管道同一位置时，传感器接收到的信号，与波导杆上传感器接收到的信号波形相似，振幅衰减不大，且频率分布基本相同，得出了波导杆对信号的衰减不大的结论。

2.2 波导杆对信号衰减的影响

综合前人的研究成果，可以看出，理论推导与实验研究，都能证明有波导杆的存在，对信号有一定的衰减，但对结果的影响不大。

检测之前要确定好重点考查的对象，若重点研究加速度，则波导杆的长度应大于1m，直径应在5～40mm范围内；

若重点研究声发射信号的振幅或其他参数，波导杆的长度在1m以内，直径可以大一些，这样采集到的信号就接近原始信号。

由上所述可知，只要选择合适的波导杆检测，就对声发射信号的影响不大。

2.3 波导杆传导方式的缺点

就目前所存在的传导方式而言，波导杆是最为常用的一种传导方式。但这一种传导方式还存在一些缺点：

声发射信号经过波导杆后，都会有一些衰减，特别是声发射特征参数中的幅值参数值变小。声发射信号经过波导杆传递到达某一截面时，振幅、波的强度与波导杆的长度、直径有关。波导杆的直径一定时，波导杆的长度越长，声发射的能量被吸收就越多，声发射到达某一截面时的振幅，波强就越小；当波导杆的长度一定时，直径的增大造成横惯性效应，波在传播过程中受到弥散效应的影响，声发射到达某一截面时的振幅、波强也越小。

而大多数材料的声发射信号强度非常微小，例如振动频率在20 kHz时，声发射的振幅只有几微米，而在高超强声中声发射的振幅只有几十微米到几百微米。

声发射信号在传播过程中，就有衰减现象，而当检测危险或结构复杂的构件时，需用波导杆来导波，此时声发射信号再一次衰减，则检测到的信号与原来的差别较大，甚至无法采集到有效的信号。

因此，需要研究波导杆直径、长度与声发射波频率间的匹配关系，使声发射信号经过波导杆后，信号的振幅放大同时滤掉周围的噪音信号，而声发射的其他参数又没有发生变化。

3 结束语

由前面的分析可以得出：

（1）选择声发射传感器的谐振频率，应与声发射源的频率接近。

（2）对声发射在各种材料中的传播规律，已有一定的研究，已有的研究成果可以借鉴。对于没有研究的，在检测之前，应通过试验来了解声发射在此种材料的传播规律，方便检测精度的提高。

（3）声发射在传播过程中，遇两种介质的交界面时，发生反射以及模式转换，也会导致波在传播过程中有衰减现象。

（4）在检测中使用到波导杆时，应选择合适的波导杆，若重点研究加速度，则波导杆的长度应大于1m，直径应在5～40mm范围内；若重点研究声发射信号的振幅或其他参数，波导杆的长度在1m以内，直径可以大一些。

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