【正文】 它只能檢測出聲發(fā)射源的位置、活性、強度等，不能給出聲發(fā)射源內部缺陷的性質與大小。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)射技術伴隨著計算機技術與信號處理技術的發(fā)展迅速成為一種新型的無損檢測技術，未來的二十年內，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識以及各種強大儀器的問世，聲發(fā)射技術將會獲得 更高層次的發(fā)展與應用，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 ,是將被測結構的變化直接轉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、對制作材料的質量要求比較高、頻帶窄、必須與被測物體接觸 [1]，不能應用在高溫、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；本身體積小質量輕；安裝方式可有多種選擇，即可貼在結 構表面也可埋入其中；采用波長解調，抗干擾性強。因此對于基于光纖的聲發(fā)射檢測技術的研究具有非常重要的意義。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 2 傳統(tǒng)聲發(fā)射的發(fā)展歷程和研究現狀 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生瞬態(tài)應力波的物理現象。隨著聲發(fā)射研究領域的擴大，近來，其外延已進一步擴大，比如說泄漏聲音、軸承的滑動聲音、木材干燥時產生的聲音、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 相應的彈性波并不僅局限于可 聽聲域，在絕大多數情況下，其有效頻譜范圍可延展到數兆赫甚至數十兆赫頻段。所以嚴格地講，聲發(fā)射應當被稱為應力波發(fā)射，但由于歷史的原因，人們已習慣于將其稱為聲發(fā)射。 AE 的源機制是各種各樣的，如固體內裂紋的形成和擴展 (裂紋的傳播 )、塑性變形、晶體內位錯的移動和位錯在釘扎點上的分離、孿晶邊界的移動、復合材料內基體或夾雜物的破裂、分層或纖維的斷裂以及物質結構的變化 (包括相變 )等。不同的源機制對應不同的發(fā)射聲波，因而也對應不同的 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 (應力、溫度 和電磁場等 )，引起物體或結構某一局部或某些部分變得不穩(wěn)定并迅速釋放出能量。 AE 是正在擴展的材料缺陷 (裂紋 )的指示器，沒有擴展，裂紋或材料的缺陷處于靜止狀態(tài)，就沒有能量的重新分配，也就沒有聲發(fā)射。換句話說，只有當物體受到了永久性變形或永久性損傷時才會產生聲發(fā)射。正因為這樣， AE 探測技術是檢測材料損傷，特別是早期損傷的有力工具，也是對材料或結構狀態(tài)進行動態(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)現缺陷時，沒有必要給其施加能量，只要設置幾個 AE 探測器，等待缺陷發(fā)出的波即可。需要的只是設置 AE 探測器 作業(yè)，即使從 AE 探測器到缺陷之間也有距離。只要波到達了就有效。根據 AE 波到達的時間差，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，就不產生 AE，也就不能發(fā)現缺陷。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)中的設備再進行檢查，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)現缺陷，而 AE 探測技術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，其主要內容是源的性質、源的位置和源的嚴重性程度。源的嚴重性程度是對聲發(fā)射源進行的定量評價，目前基本上以各種聲發(fā)射信號參數來加以衡量，如以信號的幅度、能量和計數等東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 3 來衡量源的強度，以產生聲發(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的源產生的，最直接的方法是在聲發(fā)射檢測后，對發(fā)現的聲發(fā)射源部位經磁粉、滲透、超聲和射線探傷等常規(guī)無損檢測方法進 行復檢。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，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、頻譜分析技術和人工神經網絡模式識別技術等，均取得了初步成功。 通過對探測到的聲發(fā)射信號進行處理和分析，可以得到被探測材料和結構內聲發(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，如何根據聲發(fā)射換能器 輸出的電信號來獲取有關 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來表示聲發(fā)射信號的特征，然后對其進行分析和處理；另一類為存儲和記錄聲發(fā)射信號的波形，對波形進行頻譜分 析。簡化波形特征參數分析法是 20 世紀 50 年代以來廣泛使用的經典聲發(fā)射信號分析方法，目前在聲發(fā)射檢測中仍得到廣泛應用，且?guī)缀跛新暟l(fā)射檢測標準對聲發(fā)射源的判據均采用簡化波形特征參數 [5]。 聲發(fā)射探測技術具有動態(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，取得了很大的進展。聲發(fā)射理論和技術研究主要圍繞聲發(fā)射源識別和聲發(fā)射源評價正、反方面的兩個問題，研究內容概括為 (1)不同聲發(fā)射源模式或物理機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特性、斷裂特性之間的關系； (4)研制多參量、多功能、高速度和實時分析的數字式新型聲發(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 (如利用神經網絡技術對聲發(fā)射源特性進行模式識別、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準； (7)聲發(fā)射含義的廣義化與擴展新的研究和應用領域； (8)聲發(fā)射技術用于結構完整性評價的經濟和可靠性分析等。 聲發(fā)射技術應用范圍已覆蓋航空、航天、石油化工、鐵路、汽車、建筑、電東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 力等領域。隨著 新一代全數字化聲發(fā)射儀器和各種功能強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識，聲發(fā)射技術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、人體、植物等廣泛的范圍也引起了人們的興趣。今后的高技術社會安全性的 AE 探測技術，適應高齡化社會的AE 探測技術、福利社會所必要的 AE 探測技術是今后發(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 探測技術對于改善今后的嚴酷的地球環(huán)境、支持豐富的 21 世紀來說都將越來越重要 [6]。 聲發(fā)射作為一種檢測技術起步于 20 世紀 50 年代的德國， 20 世紀 60 年代，該技術在美國原子能和宇航技術中迅速興起，并首次應用于玻璃鋼固體發(fā)動機殼體檢測； 20 世紀 70 年代，在日本、歐洲及我國相繼得到發(fā)展，但因當時的技術和經驗所限，僅獲得有限的應用； 20 世紀 80 年代，開始獲得較為正確的評價，引起 許多發(fā)達國家的重視，在理論研究、實驗研究和工業(yè)應用方面做了大量的工作，取得了相當的進展。聲發(fā)射檢驗技術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聲發(fā)射源產生的彈性波轉變?yōu)殡娦盘?，然后用電子設備將電信號進行放大和處理，使之特性化，并予以顯示和記錄，從而獲得材料內聲發(fā)射源的特性參數，通過分析檢驗過程中聲發(fā)射儀器所得的各種參數，即可知道材料內部的缺陷情況。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 70 年代初， Dunegan 等人開展了現代聲發(fā)射儀器的研制，他們把試 驗頻率提高到 100kHz～ 1MHz，這是聲發(fā)射試驗技術的重大進展，現代聲發(fā)射儀器的研制成功，為聲發(fā)射技術從試驗室的材料研究階段走向在生產現場監(jiān)視大型構件的結構完整性應用創(chuàng)造了條件。隨著現代聲發(fā)射儀器的出現， 20 世紀 70 年代和80 年代初，人們從聲發(fā)射源機制、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 90 年代，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進入了全數字式的第 4 代，全數字化 AE 檢測系統(tǒng)在系統(tǒng)結構和軟件配置上保留了第三代產品的優(yōu)點，放大后的 AE 信號不必再經過一系列的模擬、數字電路才形成數字特征量，而 是直接進行高速 A/D 轉換，提取相應特征量。我國在聲發(fā)射儀器的研制和生產上起步并不算太晚，已研制和生產了各種雙通道、 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 和美國數字波形公司東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 5 （ DWC）的 F4000 聲發(fā)射檢測儀等，其聲發(fā)射特征量全由數字信號提供，即聲發(fā)射傳感器的模擬信號在到達各種處理器之前首先被數（ 458 中北大學學報（自然科學版） 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)射技術國內外研究現狀 目前，光纖光柵聲發(fā)射傳感技術的研究還處于初級階段，將聲發(fā)射檢測技術與光纖布拉格光柵傳感相結合進行結構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)射傳感器封裝結構的設計尚未成熟，還需要進一步探索，設計出適用于復雜檢測環(huán)境的傳感結構； (3)被測結構中聲發(fā)射波引起的應變一般很小，若要獲取到真實的聲發(fā)射波，需要確保光纖布拉格 光柵解調系統(tǒng)的解調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外研究現狀進行介紹和分析。 光纖聲發(fā)射技術國外研究現狀 聲發(fā)射波的傳播路徑、波形模式受聲波頻率和傳導介質的影響很大 ,同時聲發(fā)射波在材料中傳導時呈低應變的特征。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度及響應靈敏度的影響關系，對合理設計光纖布拉格光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng) ,提高系統(tǒng)獲得有效數據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力的調制作用，使其光譜發(fā)生改變，從而影響到解調結果。為避免外界非均勻應力對檢測信號效果的影響 ,需確定適當的光纖的柵區(qū)長度。 2021 年， 等人通過仿真得出結論 ,當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靈敏度會下降，當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，當聲發(fā)射波的波長與光纖的柵長之比大于7 且光譜的反射率調深度隨之下降，為保證調制深度大于 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頻率上限主要取決于光纖的柵東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 區(qū)長度 ,實驗結果表明，對固體傳導介質，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]。 進行聲發(fā)射波下光纖布拉格光柵的響應特性的研究，其根本目的是為設計出合理的傳感器結構提供理論依據。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，當聲發(fā)射波傳至壓電式傳感器時，該傳感器將被測結構相應表面的振動 位移變化直接轉換成相應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