声发射实验原理和仪器介绍(全文)
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1 声发射实验原理和仪器介绍
1、实验原理
固体介质中传播的声发射信号含有声发射源的特征信息，要利用这些信息反映材料特性或缺陷进展状态，就要在固体表面接收这种声发射信号。接收、处理、分析和显示声发射信号便是对声发射信号的处理过程。
固体材料内部缺陷的发生和扩展，以弹性波的形式释放能量，并向四周传播，缺陷便成为声发射源。为了在固体材料表面某一范围测量出缺陷的位置，可以将几个压电换能器按一定的几何关系放置在固定点上，组成换能器阵（或称阵列），测定声源发射的声波传播到各个换能器的相对时差。将这些相对时差代入满足该阵几何关系的一组方程求解，便可以得到缺陷的位置坐标。在实际操作中，通常有以下几种定位方法：1）直线定位法。
2）归一化正方阵定位法。
3）平面正方形定位法。
4）平面正三角形定位法。
5）任意平面三角形定位法。6）球面三角形定位法。7）区域定位法。
在实际操作中，我们常常采纳直线定位法。下面我们将简单介绍直线定位法。
直线定位法就是在一唯空间中确定声发射源的位置坐标，亦称线定法。线定位是声源定位中最简单的方法，多用于焊缝缺陷1 和裂纹的定位。在一唯空间放置两个换能器，它们所确定的源位置必须在两个换能器的连接直线或弧线上。如下图1所示，取坐标原点为两换能器之间连接直线的中点，取12的方向为正方向。
如换能器1首先接收到声发射信号，时差计数器所计的数值取负号；反之，换能器2首先接收到声发射信号，时差计数值取正号。
2、实验仪器介绍
声发射信号是前沿时间只有几十到几百毫微秒、重复频率高的瞬变随机波信号。局部瞬变产生的声发射波在试样表面的垂直位移约为10-7～～10-14米，频率分布在次声到超声频率范围（几千赫兹到几十赫兹）。目前的声发射仪器大体上可分为两个基本类型，即单通道声发射检测仪和多通道声发射源定位和分析系统。
单通道声发射检测仪一般采纳一体结构，也可以采纳组件组合结构。它由换能器、前置放大器、衰减器、主放大器、门槛电路、声发射率计数器、总数计数器以及数模转换器组成。对于组合结构的仪器，也可以增加峰值振幅、有效值电压和能量等多功能测量插件。
声发射信号由换能器接收并转换为电信号，换能器根据特定的校准方法，给出频率――灵敏度曲线，据此可根据检测目的和环境选择不同类型、不同频率和灵敏度的换能器。
多通道声发射检测系统组成除了包括单通道声发射仪器模1 拟量检测和处理系统外，还包括数字量测定系统（时差测量装置等）以及计算机数据处理系统和外围显示系统。这样的系统不仅可以在线实时确定声发射源的位置，而且还可以实时评价声发射源的有害度。为了综合评价声源的有害度，往往还没有压力或温度等参量测量系统。
实验设计和实验过程
在实验过程中，我们所用的实验原理即为：对材料或结构加载荷，材料的微观结构发生变化，就会实时产生声发射信号。我们在实验过程中，将一有效尺寸为长61cm，宽8cm，厚度为0.638cm的钢板的一端固定在有四个螺母的固定架子上，使其形成悬臂样，为了便于在声发射过程中接收和观测声发射信号，我们在距离悬臂一端10cm处钢板上方锯了一宽0.2cm，深0.3cm的小口。并将四个传感器按平面正方形定位法放置。
由于钢板最大的缺陷，即我们所锯的开口位置已知，因此，我们只需观测声发射信号与钢板所受静荷载，即钢板所受力大小的关系。我们在钢板悬臂一端的下方放置一千斤顶，将传感器用传输介质与钢板表面连接固定好后，再与滤波器连接，然后再将滤波器与微型计算机连接。其中微型计算机里面装有数据采集软件和数据分析软件，用来对所接收的声发射信号进行处理。
当一切准备就绪以后，我们便开始摇动千斤顶把手，使其顶端上升。当千斤顶的顶端与钢板的悬臂端接触后，继续摇动把手，千斤顶的顶端便会对钢板的悬臂端产生力的作用，于是，对钢板1 的静荷载开始形成，钢板开始产生弯曲。千斤顶顶端上升的距离与钢板悬臂端所受力大小的关系可由下公式（1―1）计算得出。
Iz―整个横截面对中性轴的惯性矩；
E---钢材的弹性模量；
l---钢板的长度；
P---钢板悬臂端所受到的静荷载力；
Y---钢板悬臂端的弯曲变形量。
在本次实验中，我们将千斤顶顶端向上移动的最大距离为0.8cm，由上公式（2―1）可计算得出钢板悬臂端所承受的最大荷载，亦即最大压力。
总结
采纳4个换能器阵列定位声源，根据阵列的最大时差就可以定出4个换能器接收到信号的全部时差组合，从而定出各种时差组合可能确定的位置，采纳计算机软件统计处理，从大量的噪声源位置中区分出真正的声源位置。由于时间仓促和对声学信号处理软件还没有达到深入的了解，我们只能对声源位置和声发射信号作出一些定性的分析。
结论
1.因为桥梁钢脆且有很高的断裂韧性，在裂纹扩展过程中，我们期望声发射源的发生时间较长。因此，声发射信号的振幅将会减小。
2.将传感器放置在桥梁钢的裂纹处将更容易观测。由几何形1 状传播引起的衰减和波的扩散因为传感器放置在这个位置而会减小。
3.当产生声发射信号反射的几何特征没有形成时，对裂纹扩展声发射信号的观测将取决于声发射传感器的放置位置，因为这些位置是由声发射源的放射方式决定的。
