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来自：soundrey
2007年1月22日10:53
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Acoustic Emission Progress in China
Celebration for the 25th anniversary of Chinese Society for NDT
沈功田 戴光 刘时风
Shen Gongtian，Dai Guang and Liu Shifeng
无损检测学会声发射专业委员会
AE Committee of Chinese Society for NDT
摘要：介绍了国内外声发射技术的发展历程和现状，综述了我国学会活动情况、标准、仪器、人员及主要研究和应用领域的现状，提出了我国目前急需解决的问题和发展趋势。
Abstract：The history and present situation of acoustic emission technique in the world and China are introduced. The state-of-art of Chinese standards, instruments, personnel，main and applying area is outlined. Some challenging problems and developing tendency is also described.
关键词：中国 声发射 综述
Key Words：China, Acoustic emission, Review
1世界声发射技术的发展历程和现状
材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AE)[1]，声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来，用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。
现代声发射技术的开始以Kaiser二十世纪五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。
二十世纪五十年代末和六十年代，美国和日本许多工作者在实验室中作了大量工作，研究了各种材料声发射源的物理机制，并初步应用于工程材料的无损检测领域。Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器的检测。美国于1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。
二十世纪七十年代初, Dunegan等人开展了现代声发射仪器的研制，他们把仪器测试频率提高到100KHz-1MHz的范围内, 这是声发射实验技术的重大进展, 现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。
随着现代声发射仪器的出现，整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录[2], 据他的统计, 到1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇[3]。
八十年代初，美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带，从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用，另一方面，由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。
进入九十年代，美国PAC公司、美国DW公司、德国Vallen Systeme公司和中国广州声华公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。
目前声发射技术作为一种成熟的无损检测方法，已被广泛应用于许多领域，主要包括以下方面：
(1) 石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压贮罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。
(2) 电力工业：高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测和泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测，变压器局部放电的检测。
(3) 材料试验：材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试, 铁磁性材料的磁声发射测试等。
(4) 民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。
(5) 航天和航空工业：航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。
(6) 金属加工：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。
(7) 交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。
(8) 其他：硬盘的干扰探测，带压瓶的完整性检测，庄稼和树木的干旱应力监测，磨损摩擦监测，岩石探测，地质和地震上的应用，发动机的状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测，铸造过程监测，Li/MnO2电池的充放电监测，人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验，骨关节状况的监测。
声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法，其优点主要表现为：
(1) 声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供；
(2) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号；
(3) 在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态；
(4) 可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；
(5) 由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；
(6) 对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产；
(7) 对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作载荷；
(8) 由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。
2 中国声发射技术发展历程和学会活动
声发射技术于二十世纪七十年代初开始引入我国[4]，当时正是我国断裂力学发展的高峰，人们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点，随后中科院沈阳金属研究所、航天部621所、机械部合肥通用机械研究所、武汉大学等一些科研院所和大学主要开展了金属和复合材料的声发射特性研究。
八十年代初期人们开始尝试采用声发射技术进行压力容器的检验等工程应用，然而鉴于当时声发射仪器的性能和声发射信号处理方面的能力限制，以及人们对声发射源性质和声发射波产生后到达传感器过程中的传输特性等的认识缺少应有的深度，在实验结果的重复性和可靠性等方面存在不少问题，因此声发射技术曾陷入低谷。
八十年代中期劳动部锅炉压力容器检测研究中心率先从美国PAC公司引进当时世界上最先进的采用Z80微处理计算机技术制造的SPARTAN源定位声发射检测与信号处理分析系统, 并在全国一些石化和煤气公司开展了大量球形储罐和卧罐等压力容器的检测，取得了成功的应用实例，得到了用户的认可。随后，冶金部武汉安全环保研究院、大庆石油学院、西安44所和石油大学等许多单位相继从PAC引进先进的SPARTAN和LOCAN等型号的声发射仪器，开展了压力容器、飞机、金属材料、复合材料和岩石的检测和应用。1989年的全国第四届声发射会议指出：“我国声发射技术的研究、应用和仪器队伍不断扩大，技术水平不断提高，表明我国声发射技术发展已经走出低谷，开始向新的高峰攀登”[5]。
自进入二十世纪九十年代至今，声发射技术在我国的研究和应用成快速发展的趋势[6-10]。九十年代初燕山石化、天津石化、大庆油田、胜利油田、辽河油田和深圳锅炉压力容器检验所等石油、石化企业检验单位和专业检验所相继进口大型声发射仪器广泛开展压力容器的检验。九十年代中期空军第一研究所和航天703所从美国PAC公司引进了第三代可以存储声发射信号波形的Mistras2000多通道声发射仪，从而开展了以波形分析为基础的航空航天设备的声发射检测与信号处理分析。2002年国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心从德国VALLEN公司引进了最新型号的ASM5型36通道声发射仪，该仪器既可对声发射信号进行基于波形的模式识别分析，又具有大型常压油罐底部泄漏的检测能力。目前声发射技术已在我国已在石油、石化、电力、航空、航天、冶金、铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与加工等领域开展了广泛的研究和应用工作。
在声发射仪器的研制和生产方面，我国的起步并不算太晚，沈阳电子研究所于七十年代末即研制出单通道声发射仪，长春试验机研究所于八十年代中期研制出采用微处理计算机控制的32通道声发射定位分析系统，劳动部锅炉压力容器检测研究中心于95年成功研制出世界上首台硬件采用PC-AT总线、软件采用WINDOWS界面的多通道(2－64)声发射检测分析系统，2000年广州声华公司研制出基于大规模可编程集成电路（FPGA）技术基础上的全波形全数字化多通道声发射检测分析系统，2002年国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心研制出基于信号处理集成电路（DSP）技术基础上的全数字化多通道声发射检测分析系统。
在学术交流活动方面，我国于1978年随着全国无损检测学会的建立成立了声发射专业委员会，并于1979年在黄山召开了第一届全国声发射会议；近10年来已固定每年召开一次声发射专业委员全体会议，并进行小规模的学术交流活动，每两年召开一次全国学术会议进行大规模的学术交流活动和仪器演示活动，到目前为止已召开了九届，具体的会议时间和地点如表1所示，每次学术会议均出版论文集，收集论文40到50篇，与会代表60到80人。
表1 中国声发射学术会议举办的地点与时间
届次 1 2 3 4 5 6 7 8 9
时间 1979.7 1983.4 1986.11 1989.8 1993.9 1995.10 1997.10 1999.6 2001.8
地点 黄山 桂林 长春 青岛 张家界 峨眉山 北京 上海 成都
3 人员和仪器现状
据估计，我国目前约有60多个科研院所、大专院校和专业检验单位在各个部门和领域从事声发射技术的研究、检测应用、仪器开发、制造和销售工作，从业人员200多人。在人员培训方面，已有5人以上以声发射检测技术的有关研究内容为论文题目获得博士学位，有50多人获得硕士学位。在检测人员资格认可方面，航天工业无损检测人员资格考试委员会自九十年代末至今已培训II级检验人员30多人，国家质量监督检验检疫总局锅炉、压力容器、压力管道和特种设备无损检测人员资格考试委员会于2002年已培训II级检验人员80多人。
在仪器制造和销售方面，国内主要有科海恒生公司、广州声华公司和沈阳电子所等，科海恒生公司制造和销售2—32通道CFAE-2001系列的参数式多通道声发射仪器，广州声华公司制造和销售2—32通道WAE2000系列的数字化全波形多通道声发射仪，沈阳电子所主要制造和销售2—8通道的多通道声发射仪。另外一些单位针对具体设备的工程检测，基于声发射技术的原理研制出具有单一功能的专用检测仪器，这些仪器主要包括轴承故障检测仪、阀门泄漏检测仪（沈阳电子所）、高压变压器局部放电检测仪（沈阳变压器厂和北京电力科学研究院）、摩擦声发射检测仪（北京航空航天大学）、岩石状态监测仪（广州声华公司）、声发射燃条燃速测试仪（航天总公司44所）、高精度声发射对刀装置（国防科技大学）以及刀具破损监测仪等。
在现有声发射仪器设备的保有量方面，估计约有32通道及以上的仪器20多台，8到24通道的仪器40多台，1到4通道的仪器100多台。主要仪器机型为美国PAC公司的LOCAN、SPARTAN和MISTRAS系列，德国VALLEN公司的AMSY系列，国内科海恒生公司的CFAE系列，广州声华公司的WAE系列和沈阳电子所的声发射仪。
4 标准状况
我国声发射检测标准的制定，既迟后于国内其它常规无损检测方法，也与美国有很大的差距，但在许多方面已取得进展，检测术语、检测仪性能测试、金属压力容器检测方法、钛合金压力容器检测方法、复合材料构件检测方法和在役金属容器检测方法等已分别颁布国家标准、国家军用标准和行业标准，其余尚处在企业或内部标准阶段。目前已颁布主要声发射标准目录如下：
GB／T 12604 · 4-90 声发射检测术语
GB／T 18182-2000 金属压力容器声发射检测及结果评价方法
GJB 2044-94 钛合金压力容器检测方法
JB／T 8283-95 检测仪性能测试方法
JB／TQ753-89 在役容器检测方法
QJ 2914-96 复合材料构件检测方法
5 主要研究和应用领域[5-10]
5.1 压力容器的声发射检测
压力容器检测是目前声发射技术在中国开展应用最成功和普遍的领域之一，人们已经对现场压力容器的声发射源进行了详细的研究工作[11]，通过大量的试验和现场应用，使这一方法已达到成熟，制定了国家标准，并编写了II级检测人员声发射培训教材[12]，对80多人进行了培训和II级资格认证。目前国内有近30家拥有声发射仪器的单位从事压力容器的声发射检测，国内的大部分多通道声发射仪由这些单位拥有。具粗略统计，这些单位每年采用声发射检测大型压力容器200～300台。
压力容器的声发射检测包括新制造压力容器水压试验时的声发射监测、在用压力容器的声发射检测和缺陷评价、压力容器工作状态下的声发射在线监测和安全评价[13]。由于我国在二十世纪七十年代投入使用的压力容器绝大部分存在各种各样的焊接缺陷，在定期检验过程中对采用超声波和射线方法发现的大量超标缺陷的处理十分困难，如全部返修工程造价甚至和更新的费用差不多，而采用声发射检测可以快速发现这些超标缺陷中存在的活性缺陷，仅许需对这些活性缺陷进行返修处理，压力容器即可重新投入使用。另外，在压力容器的运行过程中，许多到了检验周期但由于生产工艺的需要不能停产，而声发射技术是目前较成熟的在线无损检测方法，采用声发射进行在线监测，可以对压力容器的安全性进行评价，从而决定是否延长压力容器的检验周期。
声发射技术和大量的科研成果在我国压力容器检测中成功的推广和应用，一方面及时排除了大量带缺陷运行的压力容器的爆炸隐患，降低了恶性事故的发生，确保了这些压力容器的安全运行，取得了重大的社会效益；另一方面，声发射检测大大缩短了压力容器的检验周期，并减少了盲目返修和报废压力容器所带来的损失，为广大压力容器用户带来了巨大的经济效益，这种检验方法深受广大压力容器用户的欢迎。
5.2 航空航天工业中的应用
我国学者在这一领域也进行了广泛和深入的研究，并取得了一些重要成果。早在二十世纪八十年代初，国内有关单位就进行了飞机机翼疲劳试验过程中的声发射监测研究[14,15]，并在信号处理和识别技术方面积累了宝贵经验。空军第一研究所在某型飞机的全尺寸疲劳试验过程中(飞行长达16000小时)，用声发射技术对其主梁螺孔和隔框连接螺栓等部位疲劳裂纹的形成和扩展进行了跟踪监测，历时之长和积累数据之丰富都是前所未有的[16,17]。他们利用了声发射参数组成多维空间的一个特征矢量，成功进行了疲劳裂纹产生的声发射信号识别。除利用这种多参数识别方法外，还利用趋势分析和相关技术等方法对信号进行处理，建立了一套较完整的信号识别和处理体系。
5.3 复合材料的声发射特性研究
声发射技术目前已成为研究复合材料断裂机理和检测复合材料压力容器的重要方法。中科院沈阳金属所、航空621所、航天703所和44所在这些领域做了大量工作，尤其是44所作了大量复合材料压力容器的声发射检测，并起草了内部的检测与评价标准。目前采用声发射技术已能检测每根碳纤维或玻璃纤维丝束的断裂及丝束断裂载荷的分布，从而评价它们的质量。声发射技术还可以区分复合材料层板不同阶段的断裂特性，如基体开裂、纤维与基体界面开裂、分层和纤维断裂。另外，我国也有人采用声发射技术研究碳纤维增强聚酰亚胺复合材料升温固化的特性[18]。
5.4 声发射信号的处理技术
声发射检测的最主要目的之一是识别产生声发射源的部位和性质，而声发射信号的处理是解决这一问题的唯一途径。在声发射信号的处理和分析方面，除大家普遍常用经典声发射信号参数和定位分析之外，我国目前开展了处于世界前沿的基于波形分析基础之上的模态分析、经典谱分析、现代谱分析、小波分析和人工神经网络模式识别，另外也对声发射信号参数采用了模式识别、灰色关联分析和模糊分析等先进的技术，我国还自主开发了进行各种信号分析和模式识别的软件包。通过采用这些信号处理与分析技术，可以在不对声发射源部位进行其它常规无损检测方法复验的情况下，直接给出声发射源的性质及危险程度[19-22]。
5.5 岩石的监测和应力测量
声发射现象的观测起源于地震的监测，现今广泛地用于岩石的监测和地质与石油钻探中的应力测量。冶金部武汉安全环保研究院近20年来一直开展矿山和大型水坝岩石塌方的监测研究和应用工作，近几年一直在长江三峡大坝对一些关键部位的岩石活动情况进行监测，为三峡大坝的建设提供了重要依据。中国科学院地质研究所利用岩石的KAISER效应测量古岩石的应力，以研究远古时期地质的变化情况。北京石油勘探开发设计院和北京石油大学采用声发射技术测量岩芯的主应力方向，达到确定油田最大水平应力方向的目的。这些成果已用在我国油田生产和开发上，取得了明显的经济效益。
5.6 在机械制造过程中的监控应用
声发射应用于机械制造过程或机加工过程的监控始于二十世纪七十年代末，我国在这一领域起步早、发展快。早在1986年国防科技大学等单位就进行了用声发射监测机加工刀具磨损的研究工作。现在，一些单位已研制成功车刀破损监测系统和钻头折断报警系统，前者的检测准确率高达99%。根据刀具与工件接触时挤压和摩擦产生声发射的原理，我国还成功研制出了高精度声发射对刀装置，用以保证配合件的加工精度。九十年代，有些部门已开始用人工神经网络进行刀具状态监控、切削形态识别与控制以及磨削接触与砂轮磨损监测等。
5.7 铁路焊接结构疲劳损伤的监测
我国铁路部门对高速列车转向架构架模拟梁的焊接结构进行了声发射监测试验，采用声发射多参数分析技术监测了焊接梁疲劳试验的全过程，得到了构件疲劳损伤各阶段与声发射特征之间的关系，准确的监测到焊接梁中焊缝和应力集中处的裂纹萌生及扩展过程。所用方法可进一步用来确定构件的损伤程度，并有可能应用到铁路桥梁疲劳损伤监测中。
5.8 泄漏监测
带压力流体介质的泄漏检测是声发射技术应用的一个重要方面，国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心、冶金部武汉安全环保研究院和清华大学无损检测中心在国家“八五”和“九五”期间合作对压力容器和压力管道气、液介质泄漏的声发射检测技术进行了研究，取得的科研成果目前已在一些石化企业的原油加热炉和城市埋地燃气管道的泄漏监测得到成功应用。核工业总公司武汉核动力运行研究所，于九十年代中期从美国进口了36通道声发射泄漏检测仪器，专门用于我国核电站的泄漏检测，目前已进行了大量研究和应用工作。国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心和大庆石油学院也分别开展了大型油罐底部声发射泄漏检测的研究和应用工作，初步取得了成功。
5.9 磁声发射研究
我国于1984年由武汉大学首先开展铁磁性材料磁声发射的研究工作，随后北京科技大学和华中科技大学也相继开展了磁声发射的研究工作。武汉大学以多晶和单晶硅钢材料对磁声发射的机制进行了详细研究，并在世界上首次提出1800磁畴壁的运动也可以产生很大的磁声发射信号，他们提出了磁畴壁内磁化矢量的逐渐旋转运动会产生弹性波的模型，这可认为是对一般公认的磁声发射产生机制的完善和补充。北京科技大学将磁声发射与磁巴克豪森效应想结合，开发出可以测量焊缝残余应力的仪器。
6 目前急需解决的问题和发展趋势
自学会成立的25年来，我国的声发射技术从实验室的研究到目前在许多工业领域得到成功应用，从开始研制采用电子管技术的模拟式单通道声发射仪到目前已研制出全数字化全波形的多通道声发射仪，从十几个从事声发射技术的研究人员到目前数百人的科研和检验队伍等多个方面都得到了巨大发展和取得了十分显著的成就，所有这些是我国声发射研究和检测人员努力的成果，但学会在组织学术交流活动、加强我国科研工作人员的信息交流与合作等方面也起到了很大的促进作用。
目前，虽然我国的声发射技术取得了很大进展，但应当承认与欧美等工业发达国家相比，在很多方面还有差距，考虑到我国当前科研和工程检测对声发射技术的需求，特提出以下我国急需解决的问题和声发射技术的发展趋势：
(1) 在波的传播等基础理论领开展研究，为声发射技术在工程应用中提供理论依据；
(2) 在仪器开发方面，进一步完善和提高现有机型的功能和可靠性，开发适用于各种工程检测声发射信号数据分析与处理软件包，尤其需要开发适用于埋地管道和油罐底部泄漏检测的商品化仪器和软件；
(3) 在换能器制造方面，进一步完善和提高现有共振型换能器的制造水平，开发低频和高温换能器的制造技术，并形成商品销售；
(4) 加快声发射检测标准的制定和修订步伐，建立我国声发射检测的标准体系，为进一步推广声发射检测的工程应用打下基础，尽快赶上工业发达国家的水平；
(5) 加强各部门的协调，建立我国一致的检验人员培训和资质认证体系，扩大声发射检测人员的队伍，降低声发射检测人员取得资质证书的成本；
(6) 进一步拓展声发射检测技术的应用领域，重点开展桥梁、建筑物、埋地管道和大型常压油罐的声发射检测技术研究和应用；
(7) 进一步开展声发射信号各种处理分析技术和神经网络模式识别的研究，提高压力容器、压力管道和各种大型机械装备的在线检测应用水平。
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