聲發(fā)射傳播特性及傳導(dǎo)方式的研究綜述

韋花貌

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

當(dāng)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(shí)，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能，稱(chēng)為聲發(fā)射。聲發(fā)射信號(hào)，來(lái)自缺陷本身。因此，用聲發(fā)射檢測(cè)法，可以判斷缺陷的活動(dòng)性和嚴(yán)重性。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法[1]。

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

雖然聲發(fā)射檢測(cè)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(hào)波形顯示不突出等問(wèn)題。由于聲發(fā)射的傳播特性和傳導(dǎo)方式，對(duì)信號(hào)的影響較大，為了提高聲發(fā)射的檢測(cè)精度，需要對(duì)聲發(fā)射的傳播特性和傳導(dǎo)方式進(jìn)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(guò)程中，會(huì)發(fā)生衰減、反射、模式轉(zhuǎn)換等，使檢測(cè)時(shí)接收到的信號(hào)，與聲發(fā)射源的原始信號(hào)，存在較大的差異。

1.1 聲發(fā)射傳播過(guò)程的衰減特性

衰減，就是信號(hào)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(hào)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(duì)聲發(fā)射在充液管道傳播的衰減特性進(jìn)行試驗(yàn)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(duì)波振幅衰減率都有影響[6]；當(dāng)管道里面的介質(zhì)是空氣時(shí)，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(shí)，傳播速度越快的，波振幅的衰減率也越快；波速相同時(shí)，聲發(fā)射在有水載荷的管道中傳播振幅的衰減率，比無(wú)載荷的大。

徐春廣等研究磨削加工過(guò)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(duì)聲發(fā)射信號(hào)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(dāng)流體噴射速度＜0.09mm/s時(shí)，沒(méi)有接受到聲發(fā)射信號(hào)；當(dāng)流體噴射速度＞1.1mm/s時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的受到很強(qiáng)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(shí)，接收到的信號(hào)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(qiáng)；離聲發(fā)射源較近（盲區(qū)）時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的振幅隨傳播距離的增大而急劇直線下降；遠(yuǎn)離盲區(qū)之后，聲發(fā)射信號(hào)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(hào)強(qiáng)度衰減，波的信號(hào)強(qiáng)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(duì)巖體聲發(fā)射傳播衰減理論分析與試驗(yàn)研究[9]，最后得到振動(dòng)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(guò)試驗(yàn)得到聲發(fā)射源的頻率在0～5 kHz時(shí)信號(hào)衰減相對(duì)較小。

關(guān)衛(wèi)和等對(duì)不同壁厚構(gòu)件的聲發(fā)射傳播特性進(jìn)行研究[10]，發(fā)現(xiàn)了不同壁厚對(duì)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(shí)，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(shí)，傳播特性也不一樣。

周偉等人對(duì)聲發(fā)射在風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料進(jìn)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(duì)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(diǎn)的振動(dòng)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(dāng)波傳播到兩種介質(zhì)的交界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射和折射。無(wú)論是反射波還是折射波，都可能導(dǎo)致波形模式轉(zhuǎn)換。

圖1是聲發(fā)射波經(jīng)過(guò)不同的方向、不同路程、不同時(shí)間傳播到傳感器，波形經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間疊加而成復(fù)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(shí)間變慢，幅度和能量衰減，信號(hào)持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，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(guò)程中遇到的界面復(fù)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(guò)程中只要有反射與折射，就會(huì)存在模式轉(zhuǎn)換。只有入射波垂直入射時(shí)，波才不會(huì)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(cè)之前，應(yīng)該對(duì)檢測(cè)對(duì)象做出正確的評(píng)估，應(yīng)提前了解檢測(cè)對(duì)象的復(fù)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(hào)在周?chē)橘|(zhì)中的傳播規(guī)律。

在檢測(cè)過(guò)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(dāng)檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，安裝傳感器的選位非常關(guān)鍵，如對(duì)充液管道檢測(cè)時(shí)，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(cuò)誤定位。

當(dāng)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(yuǎn)離聲發(fā)射源，如對(duì)磨削過(guò)程中的刀具磨損，進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，聲發(fā)射傳感器離聲發(fā)射源應(yīng)＞1 m，且冷卻液的流動(dòng)速度應(yīng)在0.1～1mm/s，可以避免噪音干擾。

當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)在周?chē)橘|(zhì)中傳播衰減很快時(shí)，安裝傳感器應(yīng)離聲發(fā)射源近一些；如對(duì)絕緣子放電聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，離聲發(fā)射源在幾米內(nèi)才能接收到信號(hào)，因此傳感器離絕緣子表面越近越好。

對(duì)巖石聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，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(duì)不同材料的聲發(fā)射進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)先了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)材料內(nèi)部是纖維結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器的安裝無(wú)要求；當(dāng)材料內(nèi)部是纖維與樹(shù)脂交替而成時(shí)，波容易發(fā)生反射，導(dǎo)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(dǎo)方式

在高溫、深冷、易燃、易爆、有毒及核輻射等條件下，對(duì)壓力容器、復(fù)雜構(gòu)件等設(shè)備進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，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(cè)物體表面[12]，而是通過(guò)其他方式間接的連接起來(lái)，這一過(guò)程稱(chēng)為傳導(dǎo)方式。

2.1 聲發(fā)射傳導(dǎo)方式的研究成果

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

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

圖2 導(dǎo)波構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖

王海斗等的專(zhuān)利是研究適于連接聲發(fā)射探頭的標(biāo)準(zhǔn)桿部件[14]，該標(biāo)準(zhǔn)件包含第一桿體和第二桿體，如圖3所示，在檢測(cè)過(guò)程中使用標(biāo)準(zhǔn)件，可以精確地捕捉到聲發(fā)射的動(dòng)態(tài)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)桿結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖4 波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)示意圖

王祥崗等研究了3種高低溫容器檢測(cè)時(shí)常用的波導(dǎo)桿[16]：

第一種，波導(dǎo)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(pán)狀的，方便傳感器的安裝；

第二種，把第一種的圓盤(pán)換成內(nèi)螺紋蓋帽的形式，其他的沒(méi)有變化；

第三種為撓性波導(dǎo)桿，這樣便于在狹小的空間安裝。

這三種波導(dǎo)桿在實(shí)際應(yīng)用效果良好。

在檢測(cè)過(guò)程中，關(guān)于波導(dǎo)桿對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響，目前已有諸多科研人員對(duì)此作出了研究并獲得以下成果。

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

鄒銀輝等對(duì)于同一類(lèi)型的波導(dǎo)桿進(jìn)行研究[18]，在試驗(yàn)中通過(guò)改變波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度，并發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)桿長(zhǎng)度不同，對(duì)信號(hào)的振幅的變化率和事件計(jì)數(shù)都有影響。試驗(yàn)的結(jié)果顯示，波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度小于1m時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)振幅的變化率和事件數(shù)，都隨波導(dǎo)桿長(zhǎng)度增大而衰減，但衰減不明顯；波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度大于1m后，聲發(fā)射信號(hào)振幅的變化率隨波導(dǎo)桿長(zhǎng)度增大而迅速衰減，但事件數(shù)隨波導(dǎo)桿長(zhǎng)度的增大反而迅速增大。

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

孫國(guó)豪等人通過(guò)對(duì)圓形波導(dǎo)桿進(jìn)行研究[20]，最終得到了對(duì)于同一直徑的波導(dǎo)桿,聲信號(hào)的幅值隨著波導(dǎo)桿長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而降低；對(duì)長(zhǎng)度相同的波導(dǎo)桿，聲信號(hào)的幅值隨著波導(dǎo)桿直徑的增大而幅值降低。

郭福平等檢測(cè)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(dǎo)桿[21]，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，位于管道同一位置時(shí)，傳感器接收到的信號(hào)，與波導(dǎo)桿上傳感器接收到的信號(hào)波形相似，振幅衰減不大，且頻率分布基本相同，得出了波導(dǎo)桿對(duì)信號(hào)的衰減不大的結(jié)論。

2.2 波導(dǎo)桿對(duì)信號(hào)衰減的影響

綜合前人的研究成果，可以看出，理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)研究，都能證明有波導(dǎo)桿的存在，對(duì)信號(hào)有一定的衰減，但對(duì)結(jié)果的影響不大。

檢測(cè)之前要確定好重點(diǎn)考查的對(duì)象，若重點(diǎn)研究加速度，則波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度應(yīng)大于1m，直徑應(yīng)在5～40mm范圍內(nèi)；

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

由上所述可知，只要選擇合適的波導(dǎo)桿檢測(cè)，就對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響不大。

2.3 波導(dǎo)桿傳導(dǎo)方式的缺點(diǎn)

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

聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)桿后，都會(huì)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(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)桿傳遞到達(dá)某一截面時(shí)，振幅、波的強(qiáng)度與波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度、直徑有關(guān)。波導(dǎo)桿的直徑一定時(shí)，波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，聲發(fā)射的能量被吸收就越多，聲發(fā)射到達(dá)某一截面時(shí)的振幅，波強(qiáng)就越小；當(dāng)波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度一定時(shí)，直徑的增大造成橫慣性效應(yīng)，波在傳播過(guò)程中受到彌散效應(yīng)的影響，聲發(fā)射到達(dá)某一截面時(shí)的振幅、波強(qiáng)也越小。

而大多數(shù)材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度非常微小，例如振動(dòng)頻率在20 kHz時(shí)，聲發(fā)射的振幅只有幾微米，而在高超強(qiáng)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(hào)在傳播過(guò)程中，就有衰減現(xiàn)象，而當(dāng)檢測(cè)危險(xiǎn)或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件時(shí)，需用波導(dǎo)桿來(lái)導(dǎo)波，此時(shí)聲發(fā)射信號(hào)再一次衰減，則檢測(cè)到的信號(hào)與原來(lái)的差別較大，甚至無(wú)法采集到有效的信號(hào)。

因此，需要研究波導(dǎo)桿直徑、長(zhǎng)度與聲發(fā)射波頻率間的匹配關(guān)系，使聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)桿后，信號(hào)的振幅放大同時(shí)濾掉周?chē)脑胍粜盘?hào)，而聲發(fā)射的其他參數(shù)又沒(méi)有發(fā)生變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)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(duì)于沒(méi)有研究的，在檢測(cè)之前，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)了解聲發(fā)射在此種材料的傳播規(guī)律，方便檢測(cè)精度的提高。

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

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

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