声发射检测中利用能量进行定位的新方法

朱祥军

（中石油川庆钻探工程公司安全环保质量检验监督研究院，四川 广汉 618300）

声发射检测中利用能量进行定位的新方法

朱祥军

（中石油川庆钻探工程公司安全环保质量检验监督研究院，四川 广汉 618300）

声发射检测过程中，对缺陷的定位是重要的一个步骤，传统的声发射检测利用时差定位方法，而时差定位里重要的参数是声速。通过推导，得到一种利用声衰减特性和能量参数对声发射源进行定位的新方法，并用声发射仪对普通钢件以铅笔芯折断作为模拟源进行测试，证明这种无需声速测量的新方法可行，且准确性可以得到保证。该方法的提出为声发射定位技术拓展了新方向，对提高声发射检测质量有一定的帮助。

声学；声发射；源定位；线性；平面；能量

1 引 言

声发射检测常用的两种定位方式是区域定位和时差定位[1-3]。区域定位法对传感器布置位置无特殊要求，但要求检测区域内源信号至少被一个传感器接收到，声源的位置就是首先接收到源信号的传感器的位置。该方法的优点是传感器位置布置灵活、检测范围大，但检测到的声源的位置仅表示一定区域，具有不确定性。时差定位根据声源信号到达同一阵列内不同传感器时所形成的一组时差，经过几何关系的计算确定声源位置，该方法定出来的声源为一确定点，可靠性高，大多数试验和声发射仪器中用该方法来确定源位[4-5]。

时差定位中的一维定位公式为：

其中都用到了时差和声速，而且时差定位方法中由于波的衰减、波型转换等自然现象引起的误差是不可控制的[6]。因此可以利用弹性波的衰减特性，提出一种不需要测定声速利用声衰减和能量参数进行定位的方法。

2 波的衰减特性和能量分析

固体介质中局部变形时，不仅产生体积变形，而且产生剪切变形，因此将激起两种波，即压缩波（纵波）和切变波（横波），它们以不同的速度在介质中传播，当遇到不同介质的界面时会产生反射和折射。因此，声发射波的传播规律与固体介质的弹性性质和几何形状密切相关。实际情况下，波在固体介质中的传播都伴随有衰减现象发生。

对于沿X方向传播的平面波，其衰减遵从指数衰减规律，其声压P随传播距离x的变化表示为[4]：

式中：P0——声源的声压；

α——衰减系数。

如将一个声发射事件的振铃信号看成阻尼正弦波，则有：

式中：V——瞬时电压；

Vp——峰值电压；

ω——角频率；

β——衰减系数；

t——时间。

对于探头而言，Vp指对应声压P经换能器而引起的电压值，此时的振铃衰减波形是由换能器谐振产生的，而不需考虑声波在媒介中传播时产生的衰减。对一个确定的探头和声发射仪而言，β可以认为是一常数。

一个瞬变信号的能量，定义为：

式中：R——电压测量线路的输入阻抗；

V（t）——与时间有关的电压。

设 Vi为仪器预定衰减到的电压值，Vi=Vp·e-βt，则声发射仪对突发型声发射信号能量测定为：

又由于振幅的平方、声压的平方均与能量成正比，即振幅与声压应成线性关系：

3 能量定位法

3.1 线性定位

高压管汇中直管由于结构简单、连接件少、壁薄，在声发射检测中将直管简化为直线结构，采用两个传感器进行一维检测，在这里两个探头接收到的能量 E1，E2之比为：

实验用仪器为DSP型声发射仪。在直管上，设置如图1所示，使用0.5HB的铅笔芯折断作为模拟源进行试验。

图1 线性试验布置图

3 个探头 1、2、3，其坐标分别为 0，x2，x3，以 0.5mm铅笔芯折断产生信号模拟裂纹扩展产生的突发型声发射信号，设其坐标为x。声发射仪3个探头接受的能量为 E1，E2，E3，则：

利用式（11），在不测量声速的情况下可以对直管的声发射源进行定位计算。

3.2 平面定位

将声发射仪的4个探头布置成正方形，建立坐标系如图2所示。4个传感器的距离为2a。

图2 平面试验布置图

4 试验结果

试验的方法依据标准《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》[7]、《在役压力容器声发射检测评定方法》[8]和《Practice for Acoustic Emission Monitoring of Structures During Controlled Stimulation》[9]。对直管试验的数据如表1，对钢板试验的结果如表2。

X坐标的绝对误差平均值为1.95mm，Y坐标的绝对误差平均值为1.21mm，总体绝对误差为2.29mm。试验结果表明，该方法在实验室环境下对模拟源的定位具有较精确的定位结果。

从试验中能够发现，计算出的绝对误差与试验用的钢板厚度有密切关系。对10～100mm的不同厚度钢板进行同样设置的定位试验，得出的误差值见表3。可以看出3个误差值随厚度变化的趋势相同，都是随厚度的增加而快速增大。

表1 直管试验定位结果

表2 平面试验定位结果

表3 误差随钢板厚度变化结果

5 结束语

利用声发射现象中波在传播时的衰减特性可以用来对裂纹扩展源进行精确定位，可以在不测量传播介质衰减特性、不测量声速，仅测量能量积累值情况下对声发射源进行定位，且测量误差较小。该精确定位方法适用于多通道声发射仪，需将各通道灵敏度调为相同。但在实际检测工作中如何排除干扰，提高该方法在工程实际中的定位精度还有待进一步研究。

[1]沈功田.声发射源定位技术[J].无损检测，2002，24（3）：117-125.

[2]袁振明，马羽宽，何泽云.声发射技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，1985：46-71.

[3]胡昌洋，杨钢铎，黄振峰，等.声发射技术及其在检测中的应用[J].计量与测试技术，2008，35（6）：1-3，6.

[4]冯 若.超声手册[M].南京：南京大学出版社，1999：440-459.

[5]时书丽.声发射源定位的测试方法[J].辽宁大学学报：自然科学版，1998，25（1）：42-46.

[6]徐彦廷.声源定位问题研究及误差分析[J].无损检测，1999，21（5）：199-200.

[7]GB/T 18182-2000，金属压力容器声发射检测及结果评价方法[S].北京：中国标准出版社，2000.

[8]JB/T 7667-1995，在役压力容器声发射检测评定方法[S].北京：中国标准出版社，1995.

[9]ANSI/ASTM E 569-1997，Practice for acoustic emission monitoring of structures during controlled stimulation[S].

[10]沈功田，耿荣生，刘时风.连续声发射源定位技术[J].无损检测，2002，24（4）：164-167.

[11]姚 力，赖德明.声发射源定位不确定度的计算[J].无损检测，2002，24（11）：461-463.

New location method for acoustic em ission source by energy

ZHU Xiang-jun
（Safety Environment Quality Surveillance and Inspection Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling and Exploration Corporation，Guanghan 618300，China）

Defect location is very important for acoustic emission （AE）testing.Generally，sound velocity is usually used for the testing of TDOA location.In this work，a new location method was proposed on the basis of attenuation rule for waves propagation and energy for acoustic emission source.Using the method，experiment tests showed that the defects could be located accurately with the determination of sound velocity unnecessary.The method provides a new technology direction for acoustic emission location，and it can help to improve the quality of acoustic emission testing.

acoustics；acoustic emission；source location；liner；plane；energy

TB51+2；TM930.115

A

1674-5124（2011）01-0018-03

2009-12-18；

2010-03-05

朱祥军（1978-），男，四川内江市人，工程师，主要从事声发射检测及研究工作。