聲發(fā)射傳播特性及傳導方式的研究綜述

韋花貌

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

當材料受到外力或內(nèi)力作用，而產(chǎn)生塑性變形、裂紋及相變時，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能，稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射信號，來自缺陷本身。因此，用聲發(fā)射檢測法，可以判斷缺陷的活動性和嚴重性。聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測方法[1]。

目前，聲發(fā)射檢測技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用，例如對核電的承壓容器焊縫品質(zhì)、液化石油瓶焊縫品質(zhì)、滾動接觸的疲勞裂紋和柴油發(fā)動機裂紋的檢測[2~3]；對水利水電工程方面中的水升壓和保壓階段裂紋的擴展、切削加工過程的刀具異常、激光技術(shù)加工的品質(zhì)和精密制造過程進行實時監(jiān)控等等[4~5]。

雖然聲發(fā)射檢測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但仍存在噪音干擾大、微小聲發(fā)射信號波形顯示不突出等問題。由于聲發(fā)射的傳播特性和傳導方式，對信號的影響較大，為了提高聲發(fā)射的檢測精度，需要對聲發(fā)射的傳播特性和傳導方式進行更深入的研究。

1 聲發(fā)射的傳播特性

聲發(fā)射波在傳播過程中，會發(fā)生衰減、反射、模式轉(zhuǎn)換等，使檢測時接收到的信號，與聲發(fā)射源的原始信號，存在較大的差異。

1.1 聲發(fā)射傳播過程的衰減特性

衰減，就是信號的振幅或能量，隨著傳播距離的增加而減小。

影響聲發(fā)射信號衰減的主要因素有：傳播介質(zhì)、聲發(fā)射的頻率、聲發(fā)射的傳播速度、聲發(fā)射的傳播距離等。

聲發(fā)射波在不同的介質(zhì)中傳播的衰減特性不一樣。

（1）聲發(fā)射在固-液（氣）介質(zhì)中傳播的衰減特性，已獲得以下成果：

孫立瑛等對聲發(fā)射在充液管道傳播的衰減特性進行試驗研究，分別改變了波速與管道里面的介質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)波速和介質(zhì)對波振幅衰減率都有影響[6]；當管道里面的介質(zhì)是空氣時，聲發(fā)射波的傳播速度越快，則振幅的衰減率越低；管道里面介質(zhì)是水時，傳播速度越快的，波振幅的衰減率也越快；波速相同時，聲發(fā)射在有水載荷的管道中傳播振幅的衰減率，比無載荷的大。

徐春廣等研究磨削加工過程中聲發(fā)射的傳播特性，研究了聲發(fā)射波的振幅與流體噴射速度對聲發(fā)射信號的影響，結(jié)果得出了波幅的衰減隨波的振幅的增大而增大[7]；當流體噴射速度＜0.09mm/s時，沒有接受到聲發(fā)射信號；當流體噴射速度＞1.1mm/s時，聲發(fā)射信號的受到很強的干擾。

（2）聲發(fā)射在空氣介質(zhì)中傳播的衰減特性，已獲得以下成果：

王成江等研究絕緣子放電聲發(fā)射在空氣中的傳播特性[8]，發(fā)現(xiàn)了傳感器在不同的位置時，接收到的信號差別很大。結(jié)果得出了絕緣子放電聲發(fā)射傳播的方向性很強；離聲發(fā)射源較近（盲區(qū)）時，聲發(fā)射信號的振幅隨傳播距離的增大而急劇直線下降；遠離盲區(qū)之后，聲發(fā)射信號的振幅隨傳播距離的增大而快速下降的指數(shù)規(guī)律衰減；除此之外，還存在信號強度衰減，波的信號強度隨波的傳播距離的增大反而快速減小。

（3）聲發(fā)射在固體介質(zhì)中傳播的衰減特性，已獲得以下成果：

鄒銀輝等對巖體聲發(fā)射傳播衰減理論分析與試驗研究[9]，最后得到振動的振幅A 與聲發(fā)射的頻率f、傳播速度ν、傳播距離x 以及材料的品質(zhì)因子x 之間的關(guān)系為

其中，

A0為震源的振幅，并通過試驗得到聲發(fā)射源的頻率在0～5 kHz時信號衰減相對較小。

關(guān)衛(wèi)和等對不同壁厚構(gòu)件的聲發(fā)射傳播特性進行研究[10]，發(fā)現(xiàn)了不同壁厚對聲發(fā)射的衰減特性有影響，得出了聲發(fā)射的振幅隨傳播距離的增大呈指數(shù)衰減，但壁的厚度越大衰減系數(shù)越大的結(jié)論；聲發(fā)射在厚壁傳播時，隨距離的增加，高頻分量衰減較快。聲發(fā)射在不同的材料中傳播時，傳播特性也不一樣。

周偉等人對聲發(fā)射在風電葉片玻璃鋼復合材料進行研究[11]，發(fā)現(xiàn)了材料的縱向和橫向的材質(zhì)排列不同，對聲發(fā)射的衰減規(guī)律也不同，最后得出了聲發(fā)射在材料中的傳播速度越大，振幅衰減越小的結(jié)論。

1.2 聲發(fā)射波傳播的反射與模式轉(zhuǎn)換

聲發(fā)射波在介質(zhì)中傳播，根據(jù)質(zhì)點的振動方向和傳播方向的不同，可以分為縱波、橫波、表面波（瑞利波）、板波這4種傳播模式。

當波傳播到兩種介質(zhì)的交界面時，就會發(fā)生反射和折射。無論是反射波還是折射波，都可能導致波形模式轉(zhuǎn)換。

圖1是聲發(fā)射波經(jīng)過不同的方向、不同路程、不同時間傳播到傳感器，波形經(jīng)過長時間疊加而成復雜波形，再加上傳感器頻響特性及傳播衰減等的影響，使得聲發(fā)射波形的上升時間變慢，幅度和能量衰減，信號持續(xù)時間變長，頻率成分向低頻偏移。

圖1 波在板中的傳播示意圖

由于波在傳播過程中遇到的界面復雜程度不一樣，傳播的距離不一樣，波的模式轉(zhuǎn)換也不同，但波在傳播過程中只要有反射與折射，就會存在模式轉(zhuǎn)換。只有入射波垂直入射時，波才不會發(fā)生模型轉(zhuǎn)換。

綜上所述，聲發(fā)射在不同的介質(zhì)中傳播的衰減特性不同。在檢測之前，應(yīng)該對檢測對象做出正確的評估，應(yīng)提前了解檢測對象的復雜程度，確定聲發(fā)射源的頻率、功率、振幅以及聲發(fā)射信號在周圍介質(zhì)中的傳播規(guī)律。

在檢測過程中，也要注意選好合適的傳感器。傳感器的諧振頻率，應(yīng)與聲發(fā)射源的頻率接近；當檢測對象結(jié)構(gòu)較為復雜時，安裝傳感器的選位非常關(guān)鍵，如對充液管道檢測時，一般選擇諧振頻率在10～40 kHz的聲發(fā)射傳感器，并選彎頭和三通作為傳感器的安裝位置，可以避免錯誤定位。

當大振幅的突發(fā)性聲發(fā)射源功率很大，容易造成噪音干擾，因此安裝傳感器應(yīng)遠離聲發(fā)射源，如對磨削過程中的刀具磨損，進行監(jiān)控時，聲發(fā)射傳感器離聲發(fā)射源應(yīng)＞1 m，且冷卻液的流動速度應(yīng)在0.1～1mm/s，可以避免噪音干擾。

當聲發(fā)射信號在周圍介質(zhì)中傳播衰減很快時，安裝傳感器應(yīng)離聲發(fā)射源近一些；如對絕緣子放電聲發(fā)射檢測時，離聲發(fā)射源在幾米內(nèi)才能接收到信號，因此傳感器離絕緣子表面越近越好。

對巖石聲發(fā)射檢測時，選擇聲發(fā)射傳感器的諧振頻率在0～5 kHz，并安裝在離聲發(fā)射源在20～30m之間。

對不同材料的聲發(fā)射進行檢測時，應(yīng)先了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當材料內(nèi)部是纖維結(jié)構(gòu)，對傳感器的安裝無要求；當材料內(nèi)部是纖維與樹脂交替而成時，波容易發(fā)生反射，導致波的振幅和能量衰減很快，因此傳感器應(yīng)離聲發(fā)射源近一些。

2 聲發(fā)射傳導方式

在高溫、深冷、易燃、易爆、有毒及核輻射等條件下，對壓力容器、復雜構(gòu)件等設(shè)備進行聲發(fā)射檢測時，由于條件限制或儀器設(shè)備使用的制約，不能將傳感器直接安裝在被測物體表面[12]，而是通過其他方式間接的連接起來，這一過程稱為傳導方式。

2.1 聲發(fā)射傳導方式的研究成果

目前已經(jīng)有研究人員對聲發(fā)射傳導方式的研究，并有以下成果。

李錦秀等的專利是研究地下巖體聲發(fā)射信號聚焦傳感裝置[13]，這個裝置中包含一個導波構(gòu)件，導波構(gòu)件是用防銹金屬制成的金屬棒，如圖2所示。

圖2 導波構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖

王海斗等的專利是研究適于連接聲發(fā)射探頭的標準桿部件[14]，該標準件包含第一桿體和第二桿體，如圖3所示，在檢測過程中使用標準件，可以精確地捕捉到聲發(fā)射的動態(tài)。

圖3 標準桿結(jié)構(gòu)示意圖

蔣俊等的專利是研究了一種用于聲發(fā)射檢測的波導桿[15]，包括波導桿主體以及兩個連接端，如圖4所示。

圖4 波導桿結(jié)構(gòu)示意圖

王祥崗等研究了3種高低溫容器檢測時常用的波導桿[16]：

第一種，波導桿為普通圓形的，一端用焊接的方式跟容器焊牢，另一端是圓盤狀的，方便傳感器的安裝；

第二種，把第一種的圓盤換成內(nèi)螺紋蓋帽的形式，其他的沒有變化；

第三種為撓性波導桿，這樣便于在狹小的空間安裝。

這三種波導桿在實際應(yīng)用效果良好。

在檢測過程中，關(guān)于波導桿對聲發(fā)射信號的影響，目前已有諸多科研人員對此作出了研究并獲得以下成果。

鄒銀輝等運用一維黏彈性波理論，推導出了聲發(fā)射簡諧波在波導桿傳播過程中的位移、速度及加速度幅值絕對值與傳播距離成指數(shù)衰減關(guān)系[17]。

鄒銀輝等對于同一類型的波導桿進行研究[18]，在試驗中通過改變波導桿的長度，并發(fā)現(xiàn)波導桿長度不同，對信號的振幅的變化率和事件計數(shù)都有影響。試驗的結(jié)果顯示，波導桿的長度小于1m時，聲發(fā)射信號振幅的變化率和事件數(shù)，都隨波導桿長度增大而衰減，但衰減不明顯；波導桿的長度大于1m后，聲發(fā)射信號振幅的變化率隨波導桿長度增大而迅速衰減，但事件數(shù)隨波導桿長度的增大反而迅速增大。

李建功等對長度相同，直徑不同的波導桿進行研究[19]，最終得出了波導桿的直徑越小，固定端加速度幅值的絕對值越大，從固定端點到自由端點加速度幅值的絕對值衰減率也越大的結(jié)論。

孫國豪等人通過對圓形波導桿進行研究[20]，最終得到了對于同一直徑的波導桿,聲信號的幅值隨著波導桿長度的增長而降低；對長度相同的波導桿，聲信號的幅值隨著波導桿直徑的增大而幅值降低。

郭福平等檢測承壓管道氣體泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射波使用Ф12mm×1 000mm的波導桿[21]，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，位于管道同一位置時，傳感器接收到的信號，與波導桿上傳感器接收到的信號波形相似，振幅衰減不大，且頻率分布基本相同，得出了波導桿對信號的衰減不大的結(jié)論。

2.2 波導桿對信號衰減的影響

綜合前人的研究成果，可以看出，理論推導與實驗研究，都能證明有波導桿的存在，對信號有一定的衰減，但對結(jié)果的影響不大。

檢測之前要確定好重點考查的對象，若重點研究加速度，則波導桿的長度應(yīng)大于1m，直徑應(yīng)在5～40mm范圍內(nèi)；

若重點研究聲發(fā)射信號的振幅或其他參數(shù)，波導桿的長度在1m以內(nèi)，直徑可以大一些，這樣采集到的信號就接近原始信號。

由上所述可知，只要選擇合適的波導桿檢測，就對聲發(fā)射信號的影響不大。

2.3 波導桿傳導方式的缺點

就目前所存在的傳導方式而言，波導桿是最為常用的一種傳導方式。但這一種傳導方式還存在一些缺點：

聲發(fā)射信號經(jīng)過波導桿后，都會有一些衰減，特別是聲發(fā)射特征參數(shù)中的幅值參數(shù)值變小。聲發(fā)射信號經(jīng)過波導桿傳遞到達某一截面時，振幅、波的強度與波導桿的長度、直徑有關(guān)。波導桿的直徑一定時，波導桿的長度越長，聲發(fā)射的能量被吸收就越多，聲發(fā)射到達某一截面時的振幅，波強就越?。划敳▽U的長度一定時，直徑的增大造成橫慣性效應(yīng)，波在傳播過程中受到彌散效應(yīng)的影響，聲發(fā)射到達某一截面時的振幅、波強也越小。

而大多數(shù)材料的聲發(fā)射信號強度非常微小，例如振動頻率在20 kHz時，聲發(fā)射的振幅只有幾微米，而在高超強聲中聲發(fā)射的振幅只有幾十微米到幾百微米。

聲發(fā)射信號在傳播過程中，就有衰減現(xiàn)象，而當檢測危險或結(jié)構(gòu)復雜的構(gòu)件時，需用波導桿來導波，此時聲發(fā)射信號再一次衰減，則檢測到的信號與原來的差別較大，甚至無法采集到有效的信號。

因此，需要研究波導桿直徑、長度與聲發(fā)射波頻率間的匹配關(guān)系，使聲發(fā)射信號經(jīng)過波導桿后，信號的振幅放大同時濾掉周圍的噪音信號，而聲發(fā)射的其他參數(shù)又沒有發(fā)生變化。

3 結(jié)束語

由前面的分析可以得出：

（1）選擇聲發(fā)射傳感器的諧振頻率，應(yīng)與聲發(fā)射源的頻率接近。

（2）對聲發(fā)射在各種材料中的傳播規(guī)律，已有一定的研究，已有的研究成果可以借鑒。對于沒有研究的，在檢測之前，應(yīng)通過試驗來了解聲發(fā)射在此種材料的傳播規(guī)律，方便檢測精度的提高。

（3）聲發(fā)射在傳播過程中，遇兩種介質(zhì)的交界面時，發(fā)生反射以及模式轉(zhuǎn)換，也會導致波在傳播過程中有衰減現(xiàn)象。

（4）在檢測中使用到波導桿時，應(yīng)選擇合適的波導桿，若重點研究加速度，則波導桿的長度應(yīng)大于1m，直徑應(yīng)在5～40mm范圍內(nèi)；若重點研究聲發(fā)射信號的振幅或其他參數(shù)，波導桿的長度在1m以內(nèi)，直徑可以大一些。

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