聲發(fā)射檢測技術(shù)
6.1檢測儀器選擇的影響因素
在進(jìn)行聲發(fā)射試驗或檢測前，需首先根據(jù)被檢測對象和檢測目的來選擇檢測儀器，主要應(yīng)考慮的因素如下：
??? (1) 被監(jiān)測的材料：聲發(fā)射信號的頻域、幅度、頻度特性隨材料類型有很大不同，例如，金屬材料的頻域約為數(shù)kHz～數(shù)MHz，復(fù)合材料約為數(shù)kHz～數(shù)百kHz，巖石與混凝土約為數(shù)Hz～數(shù)百kHz。對不同材料需考慮不同的工作頻率。
??? (2) 被監(jiān)測的對象：被檢對象的大小和形狀、發(fā)射源可能出現(xiàn)的部位和特征的不同，決定選用檢測儀器的通道數(shù)量。對試驗室材料試驗、現(xiàn)場構(gòu)件檢測、各類工業(yè)過程監(jiān)視等不同的檢測，需選擇不同類型的系統(tǒng)，例如，對實驗室研究，多選用通用型，對大型構(gòu)件，采用多通道型，對過程監(jiān)視，選用專用型。
??? (3) 需要得到的信息類型：根據(jù)所需信息類型和分析方法，需要考慮檢測系統(tǒng)的性能與功能，如信號參數(shù)、波形記錄、源定位、信號鑒別、及實時或事后分析與顯示等。
表6.1列出了選擇檢測系統(tǒng)時需要考慮的主要因素。
表6.1? 影響檢測儀器選擇的因素
性能及功能?影響因素
工作頻率
傳感器類型
通道數(shù)
源定位
信號參數(shù)
顯示
噪聲鑒別
存儲量
數(shù)據(jù)率?材料頻域、傳播衰減、機(jī)械噪聲
頻響、靈敏度、使用溫度、環(huán)境、尺寸
被檢對象幾何尺寸、波的傳播衰減特性、整體或局部監(jiān)測
不定位，區(qū)域定位、時差定位
連續(xù)信號與突發(fā)信號參數(shù)、波形記錄與譜分析
定位、經(jīng)歷、關(guān)系、分布等圖表的實時或事后顯示
空間濾波、特性參數(shù)濾波、外變量濾波及其前端與事后濾波
數(shù)據(jù)量，包括波形記錄
高頻度聲發(fā)射、強(qiáng)噪聲、多通道多參數(shù)、實時分析
6.2 檢測儀器的設(shè)置和校準(zhǔn)
6.2.1 校準(zhǔn)信號的產(chǎn)生技術(shù)
聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)包括在試驗室內(nèi)對儀器硬件系統(tǒng)靈敏度和一致性的校準(zhǔn)與在現(xiàn)場對已安裝好傳感器的整個聲發(fā)射系統(tǒng)靈敏度和定位精度的校準(zhǔn)。對儀器硬件系統(tǒng)的校準(zhǔn)需采用專用的電子信號發(fā)生器來產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的電子信號直接輸入前置放大器或儀器的主放大器。對現(xiàn)場已安裝好傳感器的整個聲發(fā)射系統(tǒng)靈敏度和定位精度的校準(zhǔn)采用在被檢構(gòu)件上可發(fā)射機(jī)械波的模擬聲發(fā)射信號，模擬聲發(fā)射信號的產(chǎn)生裝置一般包括兩種，一種是采用電子信號發(fā)生器驅(qū)動聲發(fā)射壓電陶瓷傳感器發(fā)射機(jī)械波，另一種是直接采用鉛筆芯折斷信號來產(chǎn)生機(jī)械波，鉛筆芯模擬源如圖6.1所示。
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圖6.1 鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置
6.2.2 校準(zhǔn)的步驟
??? (1) 儀器硬件靈敏度和一致性的校準(zhǔn)：對儀器硬件系統(tǒng)的校準(zhǔn)直接采用專用的電子信號發(fā)生器來產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的電子信號直接輸入前置放大器或儀器的主放大器，來直接測量儀器采集這些信號的輸出。比如，GB/T18182-2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：儀器的門檻精度應(yīng)控制在?2dB范圍內(nèi)；處理器內(nèi)的幅度測量電路測量峰值幅度值的精度為?2dB；處理器內(nèi)的能量測量電路測量信號能量值的精度為?5%，同時要滿足信號能量的動態(tài)范圍不低于40dB；系統(tǒng)測量外接參數(shù)電壓值的精度為滿量程的2%。
(2) 現(xiàn)場聲發(fā)射檢測系統(tǒng)靈敏度的校準(zhǔn)：通過直接在被檢構(gòu)件上發(fā)射聲發(fā)射模擬源信號來進(jìn)行校準(zhǔn)。靈敏度校準(zhǔn)的目的是確認(rèn)傳感器的耦合質(zhì)量和檢測電路的連續(xù)性，各通道靈敏度的校準(zhǔn)為在距傳感器一定距離（壓力容器規(guī)定為100mm）發(fā)射三次聲發(fā)射模擬源信號，分別測量其響應(yīng)幅度，三個信號幅度的平均值即為該通道的靈敏度，多數(shù)金屬壓力容器的檢測規(guī)程規(guī)定，每通道對鉛筆芯模擬信號源的響應(yīng)幅度與所有傳感器通道的平均值偏差為土3dB或±4dB，而玻璃鋼構(gòu)件為土6dB。
(3) 現(xiàn)場聲發(fā)射檢測系統(tǒng)源定位的校準(zhǔn)：通過直接在被檢構(gòu)件上發(fā)射聲發(fā)射模擬源信號來進(jìn)行校準(zhǔn)。源定位校準(zhǔn)的目的是確定定位源的唯一性和與實際模擬聲發(fā)射源發(fā)射部位的對應(yīng)性，一般通過實測時差和聲速以及設(shè)置儀器內(nèi)的定位閉鎖時間來進(jìn)行儀器定位精度的校準(zhǔn)。定位校準(zhǔn)的最終結(jié)果為，所加模擬信號應(yīng)被—個定位陣列所接收，并提供唯一的定位顯示，區(qū)域定位時，應(yīng)至少被一個傳感器接收到。多數(shù)金屬容器檢測方法中規(guī)定，源定位精度應(yīng)在兩倍壁厚或最大傳感器間距的5%以內(nèi)。
6.2.3 傳感器的選擇和安裝
??? (1) 傳感器響應(yīng)頻率的選擇：應(yīng)根據(jù)被檢測對象的特征和檢測目的選擇傳感器的響應(yīng)頻率，比如金屬壓力容器檢測用傳感器的響應(yīng)頻率為100～400KHz，壓力管道和油罐底泄漏檢測傳感器的響應(yīng)頻率為30～60KHz等。
(2) 傳感器間距和陣列的確定：構(gòu)件聲發(fā)射檢測所需傳感數(shù)量，取決于試件大小和所選傳感器間距。傳感器間距又取決于波的傳播衰減，而傳播衰減值又來自用鉛筆芯模擬源實際測得的距離一衰減曲線。時差定位中，最大傳感器間距所對應(yīng)的傳播衰減，不宜大于預(yù)定最小檢測信號幅度與檢測門檻值之差，例如，門欖值為40dB，預(yù)定最小檢測信號幅度為70dB，則其衰減不宜大于30dB。區(qū)域定位比時差定位可允許更大的傳感器間距。在金屬容器中，常用的傳感器間距約為1～6m，傳感器陣列采用三角平面或曲面定位，多數(shù)容器的檢測需布置約8～40多個傳感器。
(3) 傳感器的安裝：傳感器表面與試件表面之間良好的聲耦合為傳感器安裝的基本要求。試件的表面須平整和清潔，松散的涂層和氧化皮應(yīng)清除，粗糙表面應(yīng)打磨，表面油污或多余物要清洗。對半徑大于150mm的曲面可看成平面，而對小半徑曲面應(yīng)采取適當(dāng)措施，例如，可采用轉(zhuǎn)接耦合塊或小直徑傳感器。對于接觸界面，應(yīng)填充聲耦合劑，以保證良好的聲傳輸。耦合劑不宜涂得過多或過少，耦合層應(yīng)盡可能薄，表面要充分浸濕。耦合劑的類型，對聲耦合效果影響甚少，多采用真空脂、凡士林、黃油、快干膠及其它超聲耦合劑。對高溫檢測，也可采用高真空脂、液態(tài)玻璃及陶瓷等。但是，須考慮耦合劑與試件材料的相容性，即不得腐蝕或損傷試件材料表面。多用機(jī)械壓縮來固定傳感器。常用固定夾具包括：松緊帶、膠帶、彈簧夾、磁性固定器、緊固螺絲等。所加之力，應(yīng)盡可能大一些，約為0.7MPa。
6.2.4 儀器調(diào)試和參數(shù)設(shè)置
(1) 檢測門檻設(shè)置：檢測系統(tǒng)的靈敏度，即對小信號的檢測能力，決定于傳感器的靈敏度、傳感器間距和檢測門檻設(shè)置。其中，門檻設(shè)置為其主要的可控制因素。
檢測門檻，多用dBae來表示。檢測門檻越低，測得信息越多，但易受噪聲的干擾，因此，在靈敏度和噪聲干擾之間應(yīng)作折衷選擇。多數(shù)檢測是在門檻為35～55dB的中靈敏度下進(jìn)行，最為常用門檻值為40dB。不同的門檻設(shè)置與適用范圍見表6.2。常用金屬壓力容器檢測的門檻一般為40 dB，但長管拖車的檢測門檻為32 dB，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓力容器的檢測門檻一般為48 dB。
表6.2? 門欖設(shè)置與適用范圍
門檻（dBae）?適??? 用??? 范??? 圍
25－35?高靈敏度檢測，多用于低幅度信號或高衰減材料或基礎(chǔ)研究
35－55?中靈敏度檢測，廣泛用于材料研究和構(gòu)件無損檢測
55－65?低靈敏度檢測，多用于高幅度信號或強(qiáng)噪聲環(huán)境下的檢測
??? (2) 系統(tǒng)增益設(shè)置：增益是儀器主放大器對聲發(fā)射波形信號放大倍數(shù)的設(shè)置，一些20世紀(jì)70年代生產(chǎn)的老的聲發(fā)射系統(tǒng)通常有分開的可變增益（dB）和門檻電壓（伏特），在某些系統(tǒng)中，增益或門檻中的一個可能被固定，通過提高增益dB或降低門檻電壓能獲得較高的靈敏度。
20世紀(jì)80年代以后生產(chǎn)的儀器，均采用集成電路系統(tǒng)，對于操作者設(shè)定的增益（dB）和門檻（dBae），系統(tǒng)就能計算出合適的電壓，把它放在門檻比較器上。因此，門檻的功能為主要控制靈敏度，改變增益設(shè)置將不改變靈敏度。增益的設(shè)置并不影響所測量的計數(shù)，持續(xù)時間，上升時間或幅度。但增益設(shè)置也是十分是重要的，它直接影響能量的測量和聲發(fā)射信號的能量計數(shù)。
對于目前常用聲發(fā)射儀器，為了保持系統(tǒng)在一合適的操作范圍內(nèi)，應(yīng)根據(jù)檢測靈敏度的要求來選定門檻，而增益十門檻應(yīng)處于一定的范圍，比如有些設(shè)備在55和88dB之間。
??? (3) 系統(tǒng)定時參數(shù)設(shè)置：定時參數(shù)，是指撞擊信號測量過程的控制參數(shù)，包括：峰值定義時間（PDT）、撞擊定義時間（HDT）和撞擊閉鎖時間（HLT）。
峰值定義時間，是指為正確確定撞擊信號的上升時間而設(shè)置的新最大峰值等待時間間隔。如將其選得過短，會把高速、低幅度前驅(qū)波誤作為主波處理，但應(yīng)盡可能選得短為宜。
撞擊定義時間，是指為正確確定一撞擊信號的終點而設(shè)置的撞擊信號等待時間間隔。如將其選得過短，會把一個撞擊測量為幾個撞擊，而如選得過長，又會把幾個撞擊測量為一個撞擊。
撞擊閉鎖時間，是指在撞擊信號中為避免測量反射波或遲到波而設(shè)置的關(guān)閉測量電路的時向間隔。
聲發(fā)射波形隨試件的材料、形狀、尺寸等因素而變，因而，定時參數(shù)應(yīng)根據(jù)試件中所觀察到的實際波形進(jìn)行合理選擇，其推薦范圍如表6.3所示。
表6.3? 定時參數(shù)選擇
材料與試件?PDT（?s）?HDT（?s）?HLT（s）
復(fù)合材料?20～50?100～200?300
金屬小試件?300?600?1000
高衰減金屬構(gòu)件?300?600?1000
低衰減金屬構(gòu)件?1000?2000?20000

6.3 加載程序
6.3.1? 加載準(zhǔn)備
多數(shù)情況下，加載操作僅有一次機(jī)會，關(guān)系到聲發(fā)射檢測的成敗，須作充分的準(zhǔn)備。
(1) 加載方式：應(yīng)盡量模擬試件的實際受力狀態(tài)，包括：內(nèi)壓、外壓、熱應(yīng)力及拉、壓、彎；
(2) 加載設(shè)備：試壓泵、材料試驗機(jī)等，應(yīng)盡量選擇低噪聲設(shè)備；
(3) 加載程序：主要決定于產(chǎn)品的檢測規(guī)范，但有時因聲發(fā)射檢測所需，要作些調(diào)整。常用的加載參數(shù)包括：升壓速率、分級載荷和最高載荷及其恒載時間，有時需要增加重復(fù)加載程序；
(4) 應(yīng)確定聲發(fā)射檢測人員與加載人員之間的聯(lián)絡(luò)方法，以實時控制加載過程；
(5) 應(yīng)確定記錄載荷的方法。多用聲發(fā)射儀記錄載荷傳感器的電壓輸出。
6.3.2? 載荷控制
(1) 升載速率：慢速加載會過分延長檢測周期，而快速加載也會帶來不利的影響。首先，會使機(jī)械噪聲變大，如低壓下的流體噪聲；其次，會引起高頻度聲發(fā)射活動，以致因超過檢測儀的極限采集速率而會造成數(shù)據(jù)丟失；再則，由于應(yīng)變對應(yīng)力的不平衡而會帶來試驗安全問題。壓力容器的加載，多采用較低的加載速率，且要保證均勻加載。
(2) 恒載：多數(shù)工程材料，在恒載下顯示出應(yīng)變對應(yīng)力的遲后現(xiàn)象。一些材料在恒載下可產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕或氫脆裂紋擴(kuò)展。恒載周期又為避免加載噪聲或鑒別外來噪聲干擾提供了機(jī)會。近年來，恒載聲發(fā)射時序特性已成為聲發(fā)射源嚴(yán)重性評價和破壞預(yù)報的一主要依據(jù)，必要時，可忽略升載聲發(fā)射，而只記錄恒載聲發(fā)射。對于壓力容器，分級恒載時間約設(shè)定2～10min，而最高壓力下約恒裁10～30min。
(3) 重復(fù)加載：對一些新制容器，當(dāng)首次加載時常常伴隨大量無結(jié)構(gòu)意義的聲發(fā)射，包括局部應(yīng)力釋放和機(jī)械摩擦噪聲，這給檢測結(jié)果的正確解釋帶來很大困難，為此需進(jìn)行二次加載檢測。另外，在役容器的定期檢測，原理上也屬于重復(fù)加載檢測，以發(fā)現(xiàn)新生裂紋。費利西蒂效應(yīng)，為重復(fù)加載檢測提供工基本依提因此，對首次加載聲發(fā)射過于強(qiáng)烈的構(gòu)件、復(fù)合材料及在役構(gòu)件，宜采用重復(fù)加載檢測方法。