【土木专栏】有人@你，声发射检测技术在土木工程中的应用

导读

大家好，小K又和您见面啦！上期推文中，小K为大家介绍了如何使用OriginLab高效、优雅滴绘制科研用图的基本操作过程和实战技巧。本期推送内容，小K重点给大家介绍土木工程中一种新的无损检测（NDT）技术--声发射检测，讲一讲声发射的基本原理、优势弊端、应用现状及发展趋势。温馨提示：本期推送方案为连载形式，欢迎各位专家同行及朋友交流分享经验。更多精彩，感谢关注。

备注：图片拍摄于“北国春城”--长春南湖公园夜景。

内容正式开始之前，小K决定先给大家讲两则小故事：西周后期，周幽王得知宠妃褒姒非常喜欢听撕扯裂绢的声音后，就下令每日进绢百匹，由专人负责撕绢用以取悦褒姒。无独有偶，我国四大名著之一的《红楼梦》中“晴雯撕扇”的情节，宝玉对晴雯说，“你若喜欢听扇子裂损的声音，那你就撕扇子听好了”。上面两则小故事，是有关绢和扇子撕裂的声音，二者虽然材质不同，但在外界力的作用下，其发出的声音可以达到取悦人的程度。据我国史料记载，绢的撕扯断裂声是我国最早有关声发射的记录。这就是今天小K要给大家带来的声发射检测技术（Acoustic Emission Testing，AET）。

声发射技术之基本原理篇

在外界条件（应力、温度、磁场等载荷）作用下，材料或结构构件的局部缺陷、薄弱（或异常）部位因应力集中而产生变形或开裂，会以弹性波形式释放出应变能的现象，称为声发射（Acoustic Emission，AE）。

在万物生长的大自然中，声发射现象是非常常见的一种物理现象，比如树枝突然折断时发出“咔嚓”的声音；走在木质楼梯或地板上发出“咯吱，咯吱”的响声；钟表的“滴答”声，窗外雨潺声，“月半钟声到客船”里的钟声，再比如岩石的破碎声、混凝土受压发出的噗噗声等等，都属于人耳可以识别到的声发射现象。

But，还有很多材料的声发射信号强度相对较弱，人耳不能直接听见，这个时候就要借助灵敏度高的电子设备才能检测出来。通过仪器探测、记录、分析和利用AE信号推断声发射源的技术就称为声发射技术。

声发射是工程中一种新兴的动态无损检测技术，其基本原理如图1所示。

图1 声发射基本原理图

备注：https://www.nde-ed.org/EducationResources/

固体材料在内部或外部应力作用下，内部结构将发生变化（产生变形或断裂），以瞬时弹性波的形式向外释放能量。材料内部发生变化时，应力波由起源处向四周传播扩展，设置于结构表面的传感器可接收到传递过来的应力波信号，经过一定的技术手段处理，可以判定声发射源的位置和分析声发射源的性质，从而对结构或材料进行解释和评定安全状况。

声发射检测技术之利弊篇

AE检测通常是在结构正常工作运行状态下进行，与其他无损检测方法相比，具有两个基本差别：①对正在扩展的缺陷检测精准度高，而对静态缺陷无能为力；②被动检测，缺陷本身发出缺陷信息，而不是通过外部输入对缺陷进行扫查。以上这两种差别就导致该技术具有以下优点和一定的局限性。

先来看下，声发射检测技术的特殊优势：

优势1

动态实时监测，准确评价缺陷危害程度

能够对检测对象进行动态实时监测，并可根据声发射信号的特性来评价缺陷的危害程度以及结构的完整性和预期使用寿命。

备注：图片来源于网络，如有侵权，请联系作者及时删除。

优势2

检测区域面积大，效率高。

利用多通道声发射仪可在一次检测中对大型、复杂设备做出结构完整性评价，并确定缺陷位置，操作简便、快速、经济效益十分显著。

优势3

应用范围广，适于检测形状复杂的结构

AE检测技术适用于绝大多数的结构、材料，并且不受被检对象的几何形状、尺寸、工作环境等因素的影响。

优势4

被动式检测，高效、快速、精准

AE检测是一种被动式检测。检测到的声发射信号能量来自被检测对象本身，因此，检测过程中不会对设备的正常工作造成影响，特别适用于在用设备的定期检验，可以缩短检验的停产时间甚至不需要停产。

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优势5

提供丰富的连续声发射信号信息

可提供声发射信号随外界载荷、时间、温度等外部变量变化的动态信号，从而预防由未知不连续缺陷引起的系统灾难性失效，并确定系统的最高工作载荷，特别适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏的预报。

备注：图片来源于网络，如有侵权，请联系作者及时删除。

凡事皆有两面性，声发射检测技术亦不例外，其局限性主要体现在以下几点：

01

不可逆性

试验过程中的声发射AE信号不可能通过多次加载重复获得，因此，每次检测过程中获得的信号都是非常宝贵的，不可因人为疏忽而造成AE信号数据的丢失。

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02

易受周围环境机电噪声干扰

声发射AE检测到的是电信号，当周围环境存有较强的机电噪声干扰时，会增加声发射检测结果的困难程度。

备注：图片来源于网络，如有侵权，请联系作者及时删除。

03

须具备一定的理论知识和实践经验

由于声发射AE检测到电信号，根据这些电信号来解释材料结构内部的损伤往往比较复杂，要求检测人员必须具备相应的理论知识和实践经验。

备注：图片来源于某声发射装置说明书。

根据上述特点，现阶段声发射检测技术主要应用于：①重要结构构件的综合性评价；②与安全性和经济型关系重大的对象；③其他方法难以或不能使用的对象与环境。因此，声发射AE检测技术并不能完全替代传统的方法，而是一种新的补充手段。

以上为本次推送的全部内容，下期推送小K会给大家继续往下讲解声发射技术的在各行业中应用现状和发展趋势，同时也非常欢迎各位专家同行和朋友多多交流，小K会尽最大努力给大家分享更多丰富有趣、有料有内涵的知识，更多精彩，感谢您的关注。

参考书目：

[1] 阳能军, 姚春江, 袁晓静,等. 基于声发射的材料损伤检测技术[M]. 北京航空航天大学出版社, 2016.

[2] 沈功田. 声发射检测技术及应用[M]. 科学出版社, 2015.

[3] 李孟源. 声发射检测及信号处理[M]. 科学出版社, 2010.

未完待续

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