聲發射檢測中利用能量進行定位的新方法

朱祥軍

（中石油川慶鉆探工程公司安全環保質量檢驗監督研究院，四川 廣漢 618300）

聲發射檢測中利用能量進行定位的新方法

朱祥軍

（中石油川慶鉆探工程公司安全環保質量檢驗監督研究院，四川 廣漢 618300）

聲發射檢測過程中，對缺陷的定位是重要的一個步驟，傳統的聲發射檢測利用時差定位方法，而時差定位里重要的參數是聲速。通過推導，得到一種利用聲衰減特性和能量參數對聲發射源進行定位的新方法，并用聲發射儀對普通鋼件以鉛筆芯折斷作為模擬源進行測試，證明這種無需聲速測量的新方法可行，且準確性可以得到保證。該方法的提出為聲發射定位技術拓展了新方向，對提高聲發射檢測質量有一定的幫助。

聲學；聲發射；源定位；線性；平面；能量

1 引 言

聲發射檢測常用的兩種定位方式是區域定位和時差定位[1-3]。區域定位法對傳感器布置位置無特殊要求，但要求檢測區域內源信號至少被一個傳感器接收到，聲源的位置就是首先接收到源信號的傳感器的位置。該方法的優點是傳感器位置布置靈活、檢測范圍大，但檢測到的聲源的位置僅表示一定區域，具有不確定性。時差定位根據聲源信號到達同一陣列內不同傳感器時所形成的一組時差，經過幾何關系的計算確定聲源位置，該方法定出來的聲源為一確定點，可靠性高，大多數試驗和聲發射儀器中用該方法來確定源位[4-5]。

時差定位中的一維定位公式為：

其中都用到了時差和聲速，而且時差定位方法中由于波的衰減、波型轉換等自然現象引起的誤差是不可控制的[6]。因此可以利用彈性波的衰減特性，提出一種不需要測定聲速利用聲衰減和能量參數進行定位的方法。

2 波的衰減特性和能量分析

固體介質中局部變形時，不僅產生體積變形，而且產生剪切變形，因此將激起兩種波，即壓縮波（縱波）和切變波（橫波），它們以不同的速度在介質中傳播，當遇到不同介質的界面時會產生反射和折射。因此，聲發射波的傳播規律與固體介質的彈性性質和幾何形狀密切相關。實際情況下，波在固體介質中的傳播都伴隨有衰減現象發生。

對于沿X方向傳播的平面波，其衰減遵從指數衰減規律，其聲壓P隨傳播距離x的變化表示為[4]：

式中：P0——聲源的聲壓；

α——衰減系數。

如將一個聲發射事件的振鈴信號看成阻尼正弦波，則有：

式中：V——瞬時電壓；

Vp——峰值電壓；

ω——角頻率；

β——衰減系數；

t——時間。

對于探頭而言，Vp指對應聲壓P經換能器而引起的電壓值，此時的振鈴衰減波形是由換能器諧振產生的，而不需考慮聲波在媒介中傳播時產生的衰減。對一個確定的探頭和聲發射儀而言，β可以認為是一常數。

一個瞬變信號的能量，定義為：

式中：R——電壓測量線路的輸入阻抗；

V（t）——與時間有關的電壓。

設 Vi為儀器預定衰減到的電壓值，Vi=Vp·e-βt，則聲發射儀對突發型聲發射信號能量測定為：

又由于振幅的平方、聲壓的平方均與能量成正比，即振幅與聲壓應成線性關系：

3 能量定位法

3.1 線性定位

高壓管匯中直管由于結構簡單、連接件少、壁薄，在聲發射檢測中將直管簡化為直線結構，采用兩個傳感器進行一維檢測，在這里兩個探頭接收到的能量 E1，E2之比為：

實驗用儀器為DSP型聲發射儀。在直管上，設置如圖1所示，使用0.5HB的鉛筆芯折斷作為模擬源進行試驗。

圖1 線性試驗布置圖

3 個探頭 1、2、3，其坐標分別為 0，x2，x3，以 0.5mm鉛筆芯折斷產生信號模擬裂紋擴展產生的突發型聲發射信號，設其坐標為x。聲發射儀3個探頭接受的能量為 E1，E2，E3，則：

利用式（11），在不測量聲速的情況下可以對直管的聲發射源進行定位計算。

3.2 平面定位

將聲發射儀的4個探頭布置成正方形，建立坐標系如圖2所示。4個傳感器的距離為2a。

圖2 平面試驗布置圖

4 試驗結果

試驗的方法依據標準《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》[7]、《在役壓力容器聲發射檢測評定方法》[8]和《Practice for Acoustic Emission Monitoring of Structures During Controlled Stimulation》[9]。對直管試驗的數據如表1，對鋼板試驗的結果如表2。

X坐標的絕對誤差平均值為1.95mm，Y坐標的絕對誤差平均值為1.21mm，總體絕對誤差為2.29mm。試驗結果表明，該方法在實驗室環境下對模擬源的定位具有較精確的定位結果。

從試驗中能夠發現，計算出的絕對誤差與試驗用的鋼板厚度有密切關系。對10～100mm的不同厚度鋼板進行同樣設置的定位試驗，得出的誤差值見表3。可以看出3個誤差值隨厚度變化的趨勢相同，都是隨厚度的增加而快速增大。

表1 直管試驗定位結果

表2 平面試驗定位結果

表3 誤差隨鋼板厚度變化結果

5 結束語

利用聲發射現象中波在傳播時的衰減特性可以用來對裂紋擴展源進行精確定位，可以在不測量傳播介質衰減特性、不測量聲速，僅測量能量積累值情況下對聲發射源進行定位，且測量誤差較小。該精確定位方法適用于多通道聲發射儀，需將各通道靈敏度調為相同。但在實際檢測工作中如何排除干擾，提高該方法在工程實際中的定位精度還有待進一步研究。

[1]沈功田.聲發射源定位技術[J].無損檢測，2002，24（3）：117-125.

[2]袁振明，馬羽寬，何澤云.聲發射技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，1985：46-71.

[3]胡昌洋，楊鋼鐸，黃振峰，等.聲發射技術及其在檢測中的應用[J].計量與測試技術，2008，35（6）：1-3，6.

[4]馮 若.超聲手冊[M].南京：南京大學出版社，1999：440-459.

[5]時書麗.聲發射源定位的測試方法[J].遼寧大學學報：自然科學版，1998，25（1）：42-46.

[6]徐彥廷.聲源定位問題研究及誤差分析[J].無損檢測，1999，21（5）：199-200.

[7]GB/T 18182-2000，金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法[S].北京：中國標準出版社，2000.

[8]JB/T 7667-1995，在役壓力容器聲發射檢測評定方法[S].北京：中國標準出版社，1995.

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

[10]沈功田，耿榮生，劉時風.連續聲發射源定位技術[J].無損檢測，2002，24（4）：164-167.

[11]姚 力，賴德明.聲發射源定位不確定度的計算[J].無損檢測，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

朱祥軍（1978-），男，四川內江市人，工程師，主要從事聲發射檢測及研究工作。