【正文】 它只能檢測出聲發(fā)射源的位置、活性、強(qiáng)度等，不能給出聲發(fā)射源內(nèi)部缺陷的性質(zhì)與大小。在某些特殊的場合，比如說大型油罐的在役檢測，聲發(fā)射檢測成為唯一可靠的檢測手段，因此聲發(fā)射技術(shù)伴隨著計算機(jī)技術(shù)與信號處理技術(shù)的發(fā)展迅速成為一種新型的無損檢測技術(shù)，未來的二十年內(nèi)，隨著人類對聲發(fā)射源和聲發(fā)射波傳播過程的更深入認(rèn)識以及各種強(qiáng)大儀器的問世，聲發(fā)射技術(shù)將會獲得 更高層次的發(fā)展與應(yīng)用，傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器大多釆用的是諧振式壓電傳感器 ,是將被測結(jié)構(gòu)的變化直接轉(zhuǎn)換成物體諧振頻率變化的一種壓電傳感器。優(yōu)點是精度與分辨率比較高，其主要缺點是：體積大、對制作材料的質(zhì)量要求比較高、頻帶窄、必須與被測物體接觸 [1]，不能應(yīng)用在高溫、腐燭、高壓等極端環(huán)境下并且抗電磁干擾能力弱，在強(qiáng)電場環(huán)境下其有效性也受到很大制約相比而言光纖聲發(fā)射傳感器具有壓電傳感器沒有的優(yōu)點：本身制作材料是光導(dǎo)纖維 ,其絕緣性好，因此可用到高電壓、高電磁干擾的環(huán)境中；本身體積小質(zhì)量輕；安裝方式可有多種選擇，即可貼在結(jié) 構(gòu)表面也可埋入其中；采用波長解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。因此對于基于光纖的聲發(fā)射檢測技術(shù)的研究具有非常重要的意義。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 傳統(tǒng)聲發(fā)射的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀 聲發(fā)射 (Acoustic Emission，簡稱 AE)是指物體在受到變形或外界作用時，因迅速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的物理現(xiàn)象。隨著聲發(fā)射研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，近來，其外延已進(jìn)一步擴(kuò)大，比如說泄漏聲音、軸承的滑動聲音、木材干燥時產(chǎn)生的聲音、甜瓜莖中的流體的聲音等也都被稱為 AE，這些廣義解釋的 AE 情形較多，而且研究成果也非常多 [2]。 AE 相應(yīng)的彈性波并不僅局限于可 聽聲域，在絕大多數(shù)情況下，其有效頻譜范圍可延展到數(shù)兆赫甚至數(shù)十兆赫頻段。所以嚴(yán)格地講，聲發(fā)射應(yīng)當(dāng)被稱為應(yīng)力波發(fā)射，但由于歷史的原因，人們已習(xí)慣于將其稱為聲發(fā)射。 AE 的源機(jī)制是各種各樣的，如固體內(nèi)裂紋的形成和擴(kuò)展 (裂紋的傳播 )、塑性變形、晶體內(nèi)位錯的移動和位錯在釘扎點上的分離、孿晶邊界的移動、復(fù)合材料內(nèi)基體或夾雜物的破裂、分層或纖維的斷裂以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化 (包括相變 )等。不同的源機(jī)制對應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對應(yīng)不同的 AE 信號。盡管引起聲發(fā)射的外部原因是多種多樣的，但其共同點都是由于外部條件的變化 (應(yīng)力、溫度 和電磁場等 )，引起物體或結(jié)構(gòu)某一局部或某些部分變得不穩(wěn)定并迅速釋放出能量。 AE 是正在擴(kuò)展的材料缺陷 (裂紋 )的指示器，沒有擴(kuò)展，裂紋或材料的缺陷處于靜止?fàn)顟B(tài)，就沒有能量的重新分配，也就沒有聲發(fā)射。換句話說，只有當(dāng)物體受到了永久性變形或永久性損傷時才會產(chǎn)生聲發(fā)射。正因為這樣， AE 探測技術(shù)是檢測材料損傷，特別是早期損傷的有力工具，也是對材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的重要方法。 同超聲波探傷的方法相比，用 AE 法來發(fā)現(xiàn)缺陷時，沒有必要給其施加能量，只要設(shè)置幾個 AE 探測器，等待缺陷發(fā)出的波即可。需要的只是設(shè)置 AE 探測器 作業(yè)，即使從 AE 探測器到缺陷之間也有距離。只要波到達(dá)了就有效。根據(jù) AE 波到達(dá)的時間差，可以確定 AE 發(fā)生源的位置。而超聲波探傷法不同，即使有缺陷，如果不施加外力，就不產(chǎn)生 AE，也就不能發(fā)現(xiàn)缺陷。超聲波探傷法、放射線、炭粉探傷、浸透法等的非破壞檢查法都必須停止作業(yè)中的設(shè)備再進(jìn)行檢查，這是他們最大的缺點，而 AE 法不停止作業(yè)就能發(fā)現(xiàn)缺陷，也就是說， AE 法有能夠在線監(jiān)測的優(yōu)點，所有無損檢測方法的共同目的都是為了發(fā)現(xiàn)缺陷，而 AE 探測技術(shù)的核心問題是由接受的信號反推到聲發(fā)射源的問題，即所謂的“反向源”或“逆源”問題 [3]。 聲發(fā)射信號處理的最終目的是得到對聲發(fā)射源的描述，其主要內(nèi)容是源的性質(zhì)、源的位置和源的嚴(yán)重性程度。源的嚴(yán)重性程度是對聲發(fā)射源進(jìn)行的定量評價，目前基本上以各種聲發(fā)射信號參數(shù)來加以衡量，如以信號的幅度、能量和計數(shù)等東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 來衡量源的強(qiáng)度，以產(chǎn)生聲發(fā)射信號的反射頻率和能量釋放速率來衡量源的活度，或者綜合評定聲發(fā)射信號的幅度、能量等參數(shù)隨載荷或時間的變化等。聲發(fā)射源的定性問題，即確定所測得的聲發(fā)射信號是由什么性質(zhì)的源產(chǎn)生的，最直接的方法是在聲發(fā)射檢測后，對發(fā)現(xiàn)的聲發(fā)射源部位經(jīng)磁粉、滲透、超聲和射線探傷等常規(guī)無損檢測方法進(jìn) 行復(fù)檢。通過直接分析識別聲發(fā)射信號來確定聲發(fā)射源的性質(zhì)，是目前聲發(fā)射檢測中最難解決的問題，也是研究熱點。迄今為止，人們廣泛采用波形分析技術(shù)、頻譜分析技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)等，均取得了初步成功。 通過對探測到的聲發(fā)射信號進(jìn)行處理和分析，可以得到被探測材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)聲發(fā)射源的大量信息。然而，受聲發(fā)射源的自身特性、聲發(fā)射源到換能器的傳播路徑、換能器的特性和聲發(fā)射儀器測量系統(tǒng)等多種因素的影響，聲發(fā)射換能器輸出的聲發(fā)射電信號波形十分復(fù)雜，它與真實的 AE 源信號相差很大，有時甚至面目全非。因此，如何根據(jù)聲發(fā)射換能器 輸出的電信號來獲取有關(guān) AE 源的信息一直是人們面臨并努力加以解決的問題。目前認(rèn)為地將聲發(fā)射信號分為突發(fā)型和連續(xù)型聲發(fā)射。如果信號由區(qū)別于背景噪聲的脈沖組成，且在時間上可以分開，那么就叫突發(fā)型聲發(fā)射信號 。如果信號的單個脈沖不可分辨，則叫連續(xù)型聲發(fā)射信號。實際上，連續(xù)型聲發(fā)射信號也是由大量的突發(fā)型信號組成的，只不過太密集而不能分辨而已 [4]。目前采集和處理聲發(fā)射信號的方法可分為兩大類。一類是以多個簡化的波形特征參數(shù)來表示聲發(fā)射信號的特征，然后對其進(jìn)行分析和處理；另一類為存儲和記錄聲發(fā)射信號的波形，對波形進(jìn)行頻譜分 析。簡化波形特征參數(shù)分析法是 20 世紀(jì) 50 年代以來廣泛使用的經(jīng)典聲發(fā)射信號分析方法，目前在聲發(fā)射檢測中仍得到廣泛應(yīng)用，且?guī)缀跛新暟l(fā)射檢測標(biāo)準(zhǔn)對聲發(fā)射源的判據(jù)均采用簡化波形特征參數(shù) [5]。 聲發(fā)射探測技術(shù)具有動態(tài)檢測和分析的特點，從 60 年代以來，得到許多發(fā)達(dá)國家的重視，在理論研究、實驗研究和工業(yè)實用三個方面做了大量的工作，取得了很大的進(jìn)展。聲發(fā)射理論和技術(shù)研究主要圍繞聲發(fā)射源識別和聲發(fā)射源評價正、反方面的兩個問題，研究內(nèi)容概括為 (1)不同聲發(fā)射源模式或物理機(jī)制的理論與實驗研究； (2)聲發(fā)射波在固體材料中的傳播 理論； (3)聲發(fā)射信號特性與材料微觀力學(xué)特性、斷裂特性之間的關(guān)系； (4)研制多參量、多功能、高速度和實時分析的數(shù)字式新型聲發(fā)射檢測分析儀 (包括新型高靈敏度和多用途換能器的研制 )； (5)聲發(fā)射信號處理 (如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對聲發(fā)射源特性進(jìn)行模式識別、模糊綜合評價等 )的新理論、新方法； (6)聲發(fā)射檢測、監(jiān)控及評價的新方法與標(biāo)準(zhǔn)； (7)聲發(fā)射含義的廣義化與擴(kuò)展新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域； (8)聲發(fā)射技術(shù)用于結(jié)構(gòu)完整性評價的經(jīng)濟(jì)和可靠性分析等。 聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用范圍已覆蓋航空、航天、石油化工、鐵路、汽車、建筑、電東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 力等領(lǐng)域。隨著 新一代全數(shù)字化聲發(fā)射儀器和各種功能強(qiáng)大的信號處理軟件的問世，尤其是隨著人們對聲發(fā)射源和聲信號傳播理論研究的更深層次的認(rèn)識，聲發(fā)射技術(shù)正面臨著一個全新的更高層次的發(fā)展前景。 如前所述， AE 探測方法的長處之一是沒有了使用 X 線時的那種限制，對人體無害。任何人都可以任意地使用，所以， AE 探測技術(shù)被多方面利用。不用說在金屬、巖石、混凝土、陶瓷、 FRP、木材，甚至在超導(dǎo)、人體、植物等廣泛的范圍也引起了人們的興趣。今后的高技術(shù)社會安全性的 AE 探測技術(shù)，適應(yīng)高齡化社會的AE 探測技術(shù)、福利社會所必要的 AE 探測技術(shù)是今后發(fā)展的 方向。而且，像甜瓜等果物中 AE 探測的研究對豐富今后的社會生活也會很重要。從植物的根測量 AE探測對沙漠的綠化也有重要的作用。這樣考慮的話， AE 探測技術(shù)對于改善今后的嚴(yán)酷的地球環(huán)境、支持豐富的 21 世紀(jì)來說都將越來越重要 [6]。 聲發(fā)射作為一種檢測技術(shù)起步于 20 世紀(jì) 50 年代的德國， 20 世紀(jì) 60 年代，該技術(shù)在美國原子能和宇航技術(shù)中迅速興起，并首次應(yīng)用于玻璃鋼固體發(fā)動機(jī)殼體檢測； 20 世紀(jì) 70 年代，在日本、歐洲及我國相繼得到發(fā)展，但因當(dāng)時的技術(shù)和經(jīng)驗所限，僅獲得有限的應(yīng)用； 20 世紀(jì) 80 年代，開始獲得較為正確的評價，引起 許多發(fā)達(dá)國家的重視，在理論研究、實驗研究和工業(yè)應(yīng)用方面做了大量的工作，取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。聲發(fā)射檢驗技術(shù)的基本原理是利用耦合在材料表面上的壓電陶瓷探頭將材料內(nèi)聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后用電子設(shè)備將電信號進(jìn)行放大和處理，使之特性化，并予以顯示和記錄，從而獲得材料內(nèi)聲發(fā)射源的特性參數(shù)，通過分析檢驗過程中聲發(fā)射儀器所得的各種參數(shù)，即可知道材料內(nèi)部的缺陷情況。如果用多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，還可以確定聲發(fā)射源即缺陷的具體部位 [7]。 20 世紀(jì) 70 年代初， Dunegan 等人開展了現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制，他們把試 驗頻率提高到 100kHz～ 1MHz，這是聲發(fā)射試驗技術(shù)的重大進(jìn)展，現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制成功，為聲發(fā)射技術(shù)從試驗室的材料研究階段走向在生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性應(yīng)用創(chuàng)造了條件。隨著現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的出現(xiàn)， 20 世紀(jì) 70 年代和80 年代初，人們從聲發(fā)射源機(jī)制、波的傳播和聲發(fā)射信號分析方面開展了廣泛和深入的系統(tǒng)研究 [8]。 20 世紀(jì) 90 年代，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進(jìn)入了全數(shù)字式的第 4 代，全數(shù)字化 AE 檢測系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件配置上保留了第三代產(chǎn)品的優(yōu)點，放大后的 AE 信號不必再經(jīng)過一系列的模擬、數(shù)字電路才形成數(shù)字特征量，而 是直接進(jìn)行高速 A/D 轉(zhuǎn)換，提取相應(yīng)特征量。我國在聲發(fā)射儀器的研制和生產(chǎn)上起步并不算太晚，已研制和生產(chǎn)了各種雙通道、 4 通道、 8 通道和更多通道（ 32 通道）的聲發(fā)射，基本上屬于模擬聲發(fā)射儀器的范疇。國外在全數(shù)字式聲發(fā)射儀的研制上發(fā)展很快，典型代表是美國 PAC 公司的 Mistras2021，德國 Vallen 公司的 AMSY4 和美國數(shù)字波形公司東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 （ DWC）的 F4000 聲發(fā)射檢測儀等，其聲發(fā)射特征量全由數(shù)字信號提供，即聲發(fā)射傳感器的模擬信號在到達(dá)各種處理器之前首先被數(shù)（ 458 中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） 2021 年第 5 期）字化 ，由于全部信號處理是對離散信號完成的，系統(tǒng)有很高的信噪比和很寬的動態(tài)范圍 [9]。 光纖聲發(fā)射技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，光纖光柵聲發(fā)射傳感技術(shù)的研究還處于初級階段，將聲發(fā)射檢測技術(shù)與光纖布拉格光柵傳感相結(jié)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測的研宄還存在許多瓶頸問題。其中包括： (1)聲發(fā)射波作用下光纖光柵的響應(yīng)特性的研宄不深入，缺乏理論和實驗驗證； (2)光纖聲發(fā)射傳感器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計尚未成熟，還需要進(jìn)一步探索，設(shè)計出適用于復(fù)雜檢測環(huán)境的傳感結(jié)構(gòu)； (3)被測結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射波引起的應(yīng)變一般很小，若要獲取到真實的聲發(fā)射波，需要確保光纖布拉格 光柵解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)速度和靈敏度滿足要求。因此，本小節(jié)就針對上述三個問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和分析。 光纖聲發(fā)射技術(shù)國外研究現(xiàn)狀 聲發(fā)射波的傳播路徑、波形模式受聲波頻率和傳導(dǎo)介質(zhì)的影響很大 ,同時聲發(fā)射波在材料中傳導(dǎo)時呈低應(yīng)變的特征。針對聲發(fā)射波的傳播特點，研宄聲發(fā)射波作用下光纖布拉格光柵的響應(yīng)特性具有重要旳意義，其中包括研宄聲發(fā)射波的能量、波長及頻率 ,光纖的柵區(qū)長度等對檢測信號的強(qiáng)度及響應(yīng)靈敏度的影響關(guān)系，對合理設(shè)計光纖布拉格光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng) ,提高系統(tǒng)獲得有效數(shù)據(jù)的能力具有重要作用。在聲發(fā)射 波的作用下，光纖將受到外界非均勻應(yīng)力的調(diào)制作用，使其光譜發(fā)生改變，從而影響到解調(diào)結(jié)果。為避免外界非均勻應(yīng)力對檢測信號效果的影響 ,需確定適當(dāng)?shù)墓饫w的柵區(qū)長度。 2021 年， 等人通過仿真得出結(jié)論 ,當(dāng)超聲波長與光纖的柵長的比值減小時，光纖反射譜的波長響應(yīng)靈敏度會下降，當(dāng)超聲波的能量較高且超聲波的波長與光纖的柵區(qū)長度相等時，光纖的光譜將發(fā)生明顯的變形 [10]。 2021 年， N. Takeda 等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲發(fā)射波的波長與光纖的柵長之比大于7 且光譜的反射率調(diào)深度隨之下降，為保證調(diào)制深度大于 3dB，超聲波的波長至少為光纖的柵區(qū)長度的 倍 [11]。 2021 年， .Lee 等人也證明光纖對超聲波的響應(yīng)頻率上限主要取決于光纖的柵東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 區(qū)長度 ,實驗結(jié)果表明，對固體傳導(dǎo)介質(zhì)，為保證光纖不受超聲波的非均勾作用力的影響，光纖的柵區(qū)長度必須小于超聲波波長的一半 [12]。 進(jìn)行聲發(fā)射波下光纖布拉格光柵的響應(yīng)特性的研究，其根本目的是為設(shè)計出合理的傳感器結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。在整個聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中，聲發(fā)射傳感器是首要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器大多釆用壓電式聲發(fā)射傳感器，當(dāng)聲發(fā)射波傳至壓電式傳感器時，該傳感器將被測結(jié)構(gòu)相應(yīng)表面的振動 位移變化直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于聲波頻率的交變信號。它的優(yōu)點是檢測信號的精度和分辨率高，穩(wěn)定性好。但由于壓電式傳感器體積大、對制作