一、聲發(fā)射技術(shù)機理及特征

      聲發(fā)射(Acousticemission簡稱AE)又稱應(yīng)力波發(fā)射，是材料或零部件受力作用產(chǎn)生變形、斷裂，或內(nèi)部應(yīng)力超過屈服極限ss而進(jìn)進(jìn)不可逆的塑性變形階段，以瞬態(tài)彈性波形式開釋應(yīng)變能的現(xiàn)象。

      在外部條件作用下，固體（材料或零部件）的缺陷或潛伏缺陷改變狀態(tài)而自動發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象亦為聲發(fā)射。
      通常意義上的聲發(fā)射源，一般是指材料受力的作用所產(chǎn)生的各種變形和斷裂機制，例如：金屬材料中的裂縫擴展、位錯運動、滑移帶的形成、孿生變形、晶界滑移、夾雜物的分離與開裂；復(fù)合材料中的基體開裂、層間分離、纖維和基體間界面分離和纖維斷裂等，這些無損檢測的主要對象，都是重要的聲發(fā)射源。

      聲發(fā)射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻。它的幅度動態(tài)范圍亦很廣，從微弱的位錯運動直到強烈的地震波。然而，聲發(fā)射作為無損檢測與無損評價手段，則是采用高靈敏度傳感器，在材料或構(gòu)件受外力的作用，且又遠(yuǎn)在其達(dá)到破損以前，接收來自這些缺陷與損傷開始出現(xiàn)或擴展時所發(fā)射的聲發(fā)射信號，通過對這些信號的分析、處理來檢測、評估材料或構(gòu)件缺陷、損傷等內(nèi)部特征。從而，通過聲發(fā)射檢測，可以確定：

      1.材料或構(gòu)件何時出現(xiàn)損傷；
      2.材料或構(gòu)件出現(xiàn)損傷的部位；
      3.材料或構(gòu)件出現(xiàn)損傷的嚴(yán)重程度及其危害性，對構(gòu)件作出結(jié)構(gòu)完整性評價。

      作為一種新的無損檢測技術(shù)，聲發(fā)射檢測技術(shù)與常規(guī)無損檢測技術(shù)：滲透、磁粉、渦流、射線、超聲檢測相比較具有兩個基本性的特點：?敏感于動態(tài)缺陷，而不是靜態(tài)缺陷；即不像其他無損檢測技術(shù)只是在缺陷出現(xiàn)后，事后靜態(tài)檢測時才能發(fā)現(xiàn)，而是在缺陷萌生和擴展過程中，即能實時發(fā)現(xiàn)。-聲發(fā)射波來自缺陷的本身而不是外部；從而可以得到有關(guān)缺陷的豐富的信息以及檢測的高靈敏度與高分辨率。

        以上兩大特點導(dǎo)致該項技術(shù)具有了以下不同于常規(guī)無損檢測技術(shù)的優(yōu)點：

       1)可獲得關(guān)于缺陷的動態(tài)信息，并據(jù)以評價缺陷的實際危害程度，以及結(jié)構(gòu)的整體性和預(yù)期使用壽命；
       2)對大型構(gòu)件，不需要移動傳感器做繁雜的掃查操縱，只要布置好足足數(shù)目的傳感器，經(jīng)一次加載或試驗過程，即可大面積檢測確定缺陷的位置和監(jiān)視缺陷的活動情況，操縱簡便，省工、省時；
      3)可提供隨載荷、時間、溫度等處施變量而變化的實時瞬態(tài)或連續(xù)信息，因而適用于過程監(jiān)控，以及早期或鄰近破壞的預(yù)告；
      4)對被檢工件的接近要求不高，因而適用于其它無損檢測方法難以或不能接近的，如高低溫、核輻射、易燃、易爆和極毒等環(huán)境下的檢測；
      5)對構(gòu)件的幾何外形不敏感，適于檢測其他方法所不能檢測的外形復(fù)雜的構(gòu)件；
      6)幾乎所有材料在變形和斷裂時均產(chǎn)生聲發(fā)射，適用范圍廣。

      二、聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用

      復(fù)合材料是一種多相材料，由兩種或多種性質(zhì)不同的材料組成，其主要組分是增強材料和基體材料，基本的結(jié)構(gòu)形式是層壓件和纏繞件。

      復(fù)合材料因高的比強度和比模量以及良好的抗疲憊性和成形工藝性，而在航空、航天、造船、建筑、橋梁等產(chǎn)業(yè)部分得到了大量的應(yīng)用，并在壓力容器、管道，以及某些關(guān)鍵部位代替金屬材料。但是，纖維增強復(fù)合材料具有導(dǎo)電性差、熱傳導(dǎo)率低、聲衰減高等特點，在機械和物理性能方面呈明顯的各向異性，這使得它對無損檢測的波傳播所起的作用與金屬材料迥異，因而，其無損檢測也與金屬材料顯然不同。

      復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由于制造工藝的特殊性，很多工藝參數(shù)的微小差異會導(dǎo)致其產(chǎn)生諸多缺陷，使產(chǎn)品質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的離散性。這些缺陷嚴(yán)重地影響構(gòu)件的機械性能、結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命。

      復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷的類型繁多，但大致可以分為兩大類：

      1)通常表現(xiàn)為損害構(gòu)件的機械性能和物理性能的有：氣孔、夾雜、分層、纖維斷裂或不平直、纖維與基體的比值不正確、纖維和基體的結(jié)合狀況不佳、基體疏柱、基體裂縫、基體固化狀態(tài)不良等；
      2)通常表現(xiàn)為損害構(gòu)件的整體完整性的有：脫粘、橫向斷裂、龜裂、缺膠、膠層厚度不均勻、結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷等。
      面對上述種類繁多的缺陷，迄今，還沒有一種無損檢測方法可以檢測各種復(fù)合材料構(gòu)件的所有缺陷。在實際應(yīng)用中，往往需根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)件的外形、類型、使用要求，要求檢測的缺陷類型、大小、位置、取向及檢測設(shè)備檢測能力等因素，選用幾種不同的方法互相補充。    

      然而，我們對每一復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測的目標(biāo)是在于：檢測它的結(jié)構(gòu)的完整性、強度和承載能力，評估它的使用壽命和使用安全性。

      由于復(fù)合材料構(gòu)件不同于金屬構(gòu)件的特殊性，且對它的破壞機理還缺乏系統(tǒng)的了解，因而對它的主要缺陷類型還是眾說紛紜，還不能用一、兩種主要類型的缺陷來決定其使用性能，評估預(yù)期壽命。例如，高性能的金屬結(jié)構(gòu)，相對來說，是用不包含所不?？创嬖诘娜毕莸牟牧现瞥傻摹Ｔ谑褂弥?，破損往往起源于裂縫開始擴展為可辯認(rèn)的缺陷的時候，而且發(fā)生于裂縫繼續(xù)擴展以后。所以，在大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)中，我們所查找的基本缺陷是裂逢，一旦用無損檢測方法確定了有缺陷的結(jié)構(gòu)，就可以利用斷裂力學(xué)的基本概念，計算出使用條件下金屬構(gòu)件的預(yù)期壽命。

      正如上文所述，復(fù)合材料至今尚不能以少數(shù)的幾種類型缺陷確定為損傷起源的主要缺陷。

      大量實驗證實：有些具有明顯宏觀缺陷的架件，加載試驗到破壞，其疲憊壽命不一定就短；相反，有些無明顯宏觀缺陷的構(gòu)件，若隱含有常規(guī)無損檢測難以檢出的、基體微裂紋等缺陷，在實驗中發(fā)現(xiàn)其所具有的疲憊壽命則遠(yuǎn)短于正常構(gòu)件。

      由于聲發(fā)射對缺陷起始和擴展的特有的敏感性，以及其所具有動態(tài)檢測強度和評估使用壽命的獨特功能，從而近年來，復(fù)合材料無損檢測與評價技術(shù)已經(jīng)把重點轉(zhuǎn)移到，利用聲發(fā)射技術(shù)檢測材料與構(gòu)件的缺陷（包括微觀缺陷）與損傷的萌生與擴展，并據(jù)以評估缺陷的危害程度，測定結(jié)構(gòu)強度、整體性和預(yù)期使用壽命。對復(fù)合材料的發(fā)展而言，聲發(fā)射技術(shù)不僅僅是內(nèi)部缺陷和損傷的無損檢測手段，且已成為材料性能（包括斷裂性能和力學(xué)性能等）研究、強度檢測與使用壽命評估的必不可少的方法。

      聲發(fā)射技術(shù)作為一種檢測技術(shù)起步于50年代初的德國，60年代，該項技術(shù)在美國原子能和宇航技術(shù)中迅速興起，并在玻璃鋼固體發(fā)動機殼體的檢測方面出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的首例[2]。70年代，在日、歐及我國相繼得到發(fā)展，但因當(dāng)時的技術(shù)和經(jīng)驗所限，僅只獲得有限的成功。80年代，聲發(fā)射技術(shù)開始獲得較為正確的評價，并獲得迅速發(fā)展，已在金屬和玻璃鋼壓力容器、儲罐、管道等重要領(lǐng)域進(jìn)進(jìn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化階段。隨著計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)先進(jìn)聲發(fā)射設(shè)備研制公司在聲發(fā)射技術(shù)軟/硬件方面的一些重大技術(shù)突破，以及新的數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)和相應(yīng)的貿(mào)易化實用軟件包的推出，已能獲得復(fù)合材料缺陷與損傷，在其萌生和發(fā)展中，甚為豐富的和極其活躍的信息，使聲發(fā)射技術(shù)成為在復(fù)合材料等先進(jìn)的、新型材料研究和生產(chǎn)中不可替換的動態(tài)無損檢測技術(shù)。

      聲發(fā)射技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用大致可分如下幾個方面：    

      在復(fù)合材料性能研究方面的應(yīng)用；
      在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性檢測方面的應(yīng)用；
      在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程監(jiān)測方面的應(yīng)用。

      三、在復(fù)合材料性能研究方面的應(yīng)用
      復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比，在航空航天以及軍用和民用領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用的最重要因素是其強度高、重量輕、機械性能優(yōu)越，而這些卓越性能則來自于復(fù)合材料中各構(gòu)成成份本身的優(yōu)越性能和公道搭配。對于復(fù)合材料的強度、韌性方面的研究，離不開實驗手段，而聲發(fā)射技術(shù)在這些實驗研究中扮演極其重要角色。復(fù)合材料的損傷形式很復(fù)雜，大致可分纖維斷裂，基體開裂、脫粘、分層等幾種主要形式，每種損傷形式對復(fù)合材料的整體性能都有不同程度的影響和作用，所以對于復(fù)合材料性能的研究離不開對這些損傷形式的研究。實際上，由于復(fù)合材料本身的復(fù)雜性，使得關(guān)于復(fù)合材料破壞機理方面的研究一直處于探索階段，很多題目還沒有被人們所揭示。多年來人們采用了各種手段從事這些方面的研究，但這些手段都很困難且都有很大局限性。

      大量研究表明，盡管復(fù)合材料的幾種損傷形式都有各自不同的復(fù)雜性，但幾乎都有一個共同特點，那就是這些損傷缺陷發(fā)生和發(fā)展時都有很明顯的聲發(fā)射特征，而且聲發(fā)射手段對于這些損傷過程的分析都非常及時和有效，所以聲發(fā)射技術(shù)是復(fù)合材料破壞機理研究及強度性能研究的最有效手段之一。在這方面，國內(nèi)外學(xué)者們進(jìn)行了大量研究實踐，取得了很多可貴的成果。

      各種失效應(yīng)變都對應(yīng)明顯的AE計數(shù)率的突變，說明各種失效形式發(fā)生時，其AE計數(shù)率顯示出明顯的變化特征。

      在復(fù)合材料的聲發(fā)射特征中，振鈴計數(shù)、幅度、持續(xù)時間、恒載聲發(fā)射延續(xù)時間、Felicity比是區(qū)別復(fù)合材料構(gòu)件各損傷階段、損傷類型、力學(xué)特性的主要參數(shù)。

        國內(nèi)學(xué)者通過對SiC纖維鋁基復(fù)合材料聲發(fā)射研究發(fā)現(xiàn)用AE技術(shù)能正確測定單纖維金屬基復(fù)合材料中纖維斷枝數(shù)和纖維斷枝的均勻長度，由此能測定SiC纖維的斷裂強度和纖維與鋁基體間的界面強度[5]。
      J.G.BAKVCKAS等人通過對鈦基復(fù)合材料損傷過程的聲發(fā)射研究，也揭示了幾種主要的損傷形式發(fā)生時所對應(yīng)的AE事件幅度的關(guān)系。
      損傷主要形式與AE事件幅度的對應(yīng)關(guān)系
      ThomasM.Ely等人對石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料縱向開裂與_________纖維斷裂的聲發(fā)射特征研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)縱向開裂(LongitudinalSplitting)對應(yīng)的AE特征為低幅度、短持續(xù)時間、低計數(shù)和低能量；而高幅值、長持續(xù)時間、高計數(shù)及高能量的AE信號則來自于纖維斷裂[7]。
      JYI-JIINLUO等通過陶瓷基復(fù)合材料縱向拉伸試驗的深進(jìn)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：
      在應(yīng)力水平超過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的比例極限時，開始出現(xiàn)基體裂紋并產(chǎn)生對應(yīng)AE信號；在比例極限與應(yīng)變硬化階段前的非線性階段，AE計數(shù)與相應(yīng)應(yīng)變值呈非常明顯的線性關(guān)系；在應(yīng)變硬化開始點，基體裂紋及對應(yīng)產(chǎn)生的AE信號達(dá)到飽和；在此后開始出現(xiàn)中等水平的AE信號及對應(yīng)的纖維/基體脫粘現(xiàn)象；在剛度逐漸減弱時開始纖維斷裂或拉出，此時AE信號以穩(wěn)定的數(shù)率連續(xù)減少[8]。   
      總之，AE技術(shù)在復(fù)合材料性能研究方面起了十分重要作用，也取得很多突破性的進(jìn)展，但這方面的很多工作還處于探索

      四、在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性檢測方面的應(yīng)用

      由于復(fù)合材料強度高、重量輕的特點，近年來，被廣泛用于壓力容器、管道、飛機及航天器的某些部件上，聲發(fā)射技術(shù)對這些受力結(jié)構(gòu)的完整性檢測和安全壽命評估提供了可靠方法。
      對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測，其它常規(guī)無損檢測方法，像超聲、射線、渦流等手段對某些復(fù)雜缺陷或微小缺陷諸如基體微裂紋、纖維/基體脫粘及單束纖維裂紋等很難發(fā)現(xiàn)，且很難做到動態(tài)、實時監(jiān)測，而只有聲發(fā)射手段能動態(tài)、實時發(fā)現(xiàn)這些缺陷?，F(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)的全波形聲發(fā)射技術(shù)不但能定性發(fā)現(xiàn)上述缺陷，而且通過多參數(shù)分析、相關(guān)分析等方法，尤其基于瞬態(tài)波形記錄的FFT分析手段更能對上述缺陷進(jìn)行定量識別。
      聲發(fā)射用于壓力容器檢測方面，對于金屬壓力容器，聲發(fā)射手段已應(yīng)用很廣、也很成熟，有關(guān)這方面的檢測規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)也已非常完美和可靠。對于復(fù)合材料壓力容器的檢測正是基于金屬壓力容器檢測基礎(chǔ)及復(fù)合材料AE研究基礎(chǔ)上開展起來的。如前所述，由于復(fù)合材料在損傷過程中其AE特征非常明顯，使用聲發(fā)射對復(fù)合材料壓力容器的檢測非常有效，同時由于復(fù)
      合材料不同于金屬材料，它本身是各向異性、非線性，以及幾種破壞形式的復(fù)雜性、不連續(xù)性，其缺陷檢測及安全評估方面又有很大的特殊性。
      美國ASME、ASNT、CARP、ASTM等學(xué)會都制訂了用聲發(fā)射技術(shù)檢測壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。聲發(fā)射檢測已成為歐美等國家關(guān)于復(fù)合材料壓力容器檢測不可缺少的手段之一。
      聲發(fā)射技術(shù)用于復(fù)合材料壓力容器檢測及結(jié)構(gòu)完整性研究，不僅可用于對缺陷的發(fā)現(xiàn)，更能有效地用于對缺陷的危害性進(jìn)行評估與分析，終極對壓力容器進(jìn)行安全可靠性及壽命評估。
      通過對AE源聲發(fā)射參數(shù)的分析，比如可提供留意監(jiān)視、立即降載復(fù)檢、事后復(fù)檢或復(fù)檢次序等信息，這是其他無損檢測技術(shù)所難以做到的。
      關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射檢測主要用于飛機結(jié)構(gòu)和航天器。在飛機結(jié)構(gòu)方面，由于近年國外先進(jìn)的軍、民用飛機大都不同程度地選用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，所以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度和壽命題目尤為重要。對于飛機設(shè)計師來說，除關(guān)心其結(jié)構(gòu)是否有缺陷外，更關(guān)心的是缺陷何時出現(xiàn)的以及何時達(dá)到壽命極限。復(fù)合材料又不同于金屬材料，各向異性，幾種破壞形式，簡單地以缺陷大小作為安全評估并不很有效，這樣作為一種動態(tài)監(jiān)測手段的聲發(fā)射技術(shù)就扮演了十分重要角色。我國在海豚直升機的碳纖維復(fù)合材料涵道大垂尾結(jié)構(gòu)組件及殲七飛機復(fù)合材料垂尾上成功地進(jìn)行了聲發(fā)射研究[10][11]。此外，在火箭殼體等用復(fù)合材料制成的航天器構(gòu)件也都大量采用聲發(fā)射檢測技術(shù)。

      五、在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過程監(jiān)測方面的應(yīng)用

      復(fù)合材料是由纖維與基體材料熔融固化而制成的，基體材料的熔融狀態(tài)和凝膠固化狀態(tài)的情況不同直接影響復(fù)合材料質(zhì)量，而這些制造中的中間過程都會產(chǎn)生不同的聲發(fā)射信號，聲發(fā)射信號從另一角度反映了這些狀態(tài)過程，故可以用聲發(fā)射技術(shù)來監(jiān)測復(fù)合材料的制造過程以實現(xiàn)質(zhì)量控制。
      國內(nèi)學(xué)者曾對碳纖維增強聚酰亞胺復(fù)合材料的加熱固化過程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
      在該復(fù)合材料加溫固化過程中亞胺化反應(yīng)和凝膠固化兩個過程均產(chǎn)生大量的連續(xù)型聲發(fā)射信號；
      在亞胺化反應(yīng)完全結(jié)束，酒精和水充分揮發(fā)之后，凝膠固化開始之前，亞胺熔融不產(chǎn)生聲發(fā)射信號[12]。
      進(jìn)而推出聲發(fā)射方法是監(jiān)測碳纖維增強聚酰亞胺復(fù)合材料凝膠點的可靠方法。
      對于金屬基復(fù)合材料，由于金屬熔煉相變過程及冷卻固化過程都有不同的聲發(fā)射特征，對于金屬基復(fù)合材料同樣可用聲發(fā)射手段進(jìn)行質(zhì)量控制。

      六、展看

      隨著國內(nèi)外復(fù)合材料研究、制造水平的進(jìn)步以及復(fù)合材料在工程構(gòu)件上的廣泛應(yīng)用，人們對復(fù)合材料的性能尤其是強度、力學(xué)等性能的檢測要求日益迫切，聲發(fā)射技術(shù)必將在這一領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用，并將成為不可缺少的手段之一。隨著未來技術(shù)的發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料方面的研究在如下幾方面將成為研究熱門：
      其一，聲發(fā)射實時波形記錄和瞬態(tài)FFT分析等信號處理手段的應(yīng)用將給進(jìn)一步研究和區(qū)分復(fù)合材料損傷破壞形式中的纖維斷裂、基體開裂、分層、脫粘等破壞形式及損傷機理提供更正確手段?，F(xiàn)在的數(shù)字化全波形聲發(fā)射系統(tǒng)可以使傳統(tǒng)的聲發(fā)射參數(shù)采集和瞬態(tài)波形記錄、FFT分析同時實現(xiàn)和同時處理。
      其 二，作為現(xiàn)代處理技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模態(tài)識別技術(shù)應(yīng)用到聲發(fā)射研究，在傳統(tǒng)的聲發(fā)射研究中開辟了一個新領(lǐng)域，也給復(fù)雜條件下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料研究提供了新的可靠手段。由于復(fù)合材料損傷，不但聲發(fā)射特征明顯，而且聲發(fā)射信號非常豐富和復(fù)雜。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)給解決這些復(fù)雜題目提供了新的手段。
      其三，聲發(fā)射技術(shù)與現(xiàn)代斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)的結(jié)合將給復(fù)合材料構(gòu)件的損傷容限設(shè)計提供依據(jù)，而且將更有效地揭示復(fù)合材料的損傷破壞機理和壽命規(guī)律。

      總之，聲發(fā)射技術(shù)將是復(fù)合材料研究領(lǐng)域中不可多得的有生氣力。