【正文】 點(diǎn)，比如說它容易受到機(jī)電噪聲的影響；它只能檢測(cè)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。優(yōu)點(diǎn)是精度與分辨率比較高，其主要缺點(diǎn)是：體積大、對(duì)制作材料的質(zhì)量要求比較高、頻帶窄、必須與被測(cè)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(chǎng)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(diǎn)：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(zhǎng)解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jiǎn)稱 AE)是指物體在受到變形或外界作用時(shí)，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。 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。 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(cuò)的移動(dòng)和位錯(cuò)在釘扎點(diǎn)上的分離、孿晶邊界的移動(dòng)、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。盡管引起聲發(fā)射的外部原因是多種多樣的，但其共同點(diǎn)都是由于外部條件的變化 (應(yīng)力、溫度 和電磁場(chǎng)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。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(shí)才會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。 同超聲波探傷的方法相比，用 AE 法來發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，沒有必要給其施加能量，只要設(shè)置幾個(gè) AE 探測(cè)器，等待缺陷發(fā)出的波即可。只要波到達(dá)了就有效。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。 聲發(fā)射信號(hào)處理的最終目的是得到對(duì)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。聲發(fā)射源的定性問題，即確定所測(cè)得的聲發(fā)射信號(hào)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(cè)后，對(duì)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(cè)方法進(jìn) 行復(fù)檢。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(shí)別技術(shù)等，均取得了初步成功。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(cè)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(hào)波形十分復(fù)雜，它與真實(shí)的 AE 源信號(hào)相差很大，有時(shí)甚至面目全非。目前認(rèn)為地將聲發(fā)射信號(hào)分為突發(fā)型和連續(xù)型聲發(fā)射。如果信號(hào)的單個(gè)脈沖不可分辨，則叫連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。目前采集和處理聲發(fā)射信號(hào)的方法可分為兩大類。簡(jiǎn)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(hào)分析方法，目前在聲發(fā)射檢測(cè)中仍得到廣泛應(yīng)用，且?guī)缀跛新暟l(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聲發(fā)射源的判據(jù)均采用簡(jiǎn)化波形特征參數(shù) [5]。聲發(fā)射理論和技術(shù)研究主要圍繞聲發(fā)射源識(shí)別和聲發(fā)射源評(píng)價(jià)正、反方面的兩個(gè)問題，研究?jī)?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(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí)時(shí)分析的數(shù)字式新型聲發(fā)射檢測(cè)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(hào)處理 (如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)聲發(fā)射源特性進(jìn)行模式識(shí)別、模糊綜合評(píng)價(jià)等 )的新理論、新方法； (6)聲發(fā)射檢測(cè)、監(jiān)控及評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)和可靠性分析等。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(hào)處理軟件的問世，尤其是隨著人們對(duì)聲發(fā)射源和聲信號(hào)傳播理論研究的更深層次的認(rèn)識(shí)，聲發(fā)射技術(shù)正面臨著一個(gè)全新的更高層次的發(fā)展前景。任何人都可以任意地使用，所以， AE 探測(cè)技術(shù)被多方面利用。今后的高技術(shù)社會(huì)安全性的 AE 探測(cè)技術(shù)，適應(yīng)高齡化社會(huì)的AE 探測(cè)技術(shù)、福利社會(huì)所必要的 AE 探測(cè)技術(shù)是今后發(fā)展的 方向。從植物的根測(cè)量 AE探測(cè)對(duì)沙漠的綠化也有重要的作用。 聲發(fā)射作為一種檢測(cè)技術(shù)起步于 20 世紀(jì) 50 年代的德國(guó)， 20 世紀(jì) 60 年代，該技術(shù)在美國(guó)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(dòng)機(jī)殼體檢測(cè)； 20 世紀(jì) 70 年代，在日本、歐洲及我國(guó)相繼得到發(fā)展，但因當(dāng)時(shí)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)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(píng)價(jià)，引起 許多發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，在理論研究、實(shí)驗(yàn)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。如果用多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，還可以確定聲發(fā)射源即缺陷的具體部位 [7]。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(hào)分析方面開展了廣泛和深入的系統(tǒng)研究 [8]。我國(guó)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。 光纖聲發(fā)射技術(shù)國(guó)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(jí)階段，將聲發(fā)射檢測(cè)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(cè)的研宄還存在許多瓶頸問題。因此，本小節(jié)就針對(duì)上述三個(gè)問題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和分析。針對(duì)聲發(fā)射波的傳播特點(diǎn)，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(zhǎng)及頻率 ,光纖的柵區(qū)長(zhǎng)度等對(duì)檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度及響應(yīng)靈敏度的影響關(guān)系，對(duì)合理設(shè)計(jì)光纖布拉格光柵聲發(fā)射檢測(cè)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。為避免外界非均勻應(yīng)力對(duì)檢測(cè)信號(hào)效果的影響 ,需確定適當(dāng)?shù)墓饫w的柵區(qū)長(zhǎng)度。 2021 年， N. Takeda 等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲發(fā)射波的波長(zhǎng)與光纖的柵長(zhǎng)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(zhǎng)至少為光纖的柵區(qū)長(zhǎng)度的 倍 [11]。 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(jì)出合理的傳感器結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。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(shí)，該傳感器將被測(cè)結(jié)構(gòu)相應(yīng)表面的振動(dòng) 位移變化直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于聲波頻率的交變信號(hào)。但由于壓電式傳感器體積大、對(duì)制作材料的質(zhì)量要求較高、頻帶較窄且必須與被測(cè)結(jié)構(gòu)接觸 ,因此 ,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)電磁場(chǎng)環(huán)境下其有效性受到很大制約。因此對(duì)于光纖 聲發(fā)射傳感器的研宄具有非常重要的意義，而且構(gòu)建感應(yīng)靈敏、使用便捷的光纖布拉格光柵聲發(fā)射傳感器封裝結(jié)構(gòu)對(duì)聲發(fā)射波的有效檢測(cè)有非常重要的作用。 2021 年該團(tuán)隊(duì)提出了一種不受外界應(yīng)力影響、可移動(dòng)式的光纖布拉格光柵超聲波傳感器結(jié)構(gòu)，被測(cè)試件外部載荷變化將不會(huì)影響聲信號(hào)的獲取 [13]。 2021 年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)造了三種傳感器結(jié)構(gòu)一直接 粘貼型、單端光纖粘貼式和可移動(dòng)式光纖聲信號(hào)傳感器，將三種傳感器同時(shí)放置在鋼板上對(duì)蘭姆波進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明非直接接觸式結(jié)構(gòu)的傳感器檢測(cè)信號(hào)的噪聲最大，可移動(dòng)式的應(yīng)變傳遞能力比直接粘貼式略低 [14]。邊沿濾波器法中可以由匹配光纖、高折射環(huán)形鏡濾波器及密集波分復(fù)用濾波器等作為邊沿濾波器。 2021 年， N. Takahashi 等人使用匹配光柵濾波法實(shí)現(xiàn)了數(shù)十 KHz 振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè) [15]。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2021 年， 等人搭建了匹配光柵濾波解調(diào)系統(tǒng)用于斷鉛信號(hào)模擬的聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)。但是該方法只能實(shí)現(xiàn) 在較小的變化范圍內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，且由于使用寬帶光源 ,該方法的光源利用率低，信號(hào)噪聲較大，同時(shí)由于測(cè)量過程中需要進(jìn)行光纖波長(zhǎng)匹配，不易實(shí)現(xiàn)多傳感器同時(shí)解調(diào) [16]。 2021 年， 等人構(gòu)建了該解調(diào)法中超聲應(yīng)變和輸出電壓間的關(guān)系式，后來該團(tuán)隊(duì)還提出了基于該方法的解調(diào)系統(tǒng)的波分復(fù)用形式 [17]。上述可調(diào)窄帶激光解調(diào)系統(tǒng)輸出信號(hào)強(qiáng)度較小，且易受環(huán)境溫度的影響。該改進(jìn)解調(diào)法不僅提高了檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)信號(hào)受環(huán)境溫度影響的情況也有所改善。 光纖聲發(fā)射技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2021 年，崔洪亮教授等采用光纖光柵傳感器進(jìn)行了斷鉛聲發(fā)射信號(hào)測(cè)量與方向性研究，自 2021 年以來，國(guó)內(nèi)研究人員關(guān)于聲發(fā)射技術(shù)的研究取得了顯著成果。國(guó)內(nèi)外已有研究工作促進(jìn)了光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)的應(yīng)用和發(fā)展，同時(shí)也引起了幾個(gè)共同關(guān)注的問題，如聲發(fā)射波傳播的模型描述，高靈敏度光纖光柵聲發(fā)射傳感器的設(shè)計(jì)，聲發(fā)射波信號(hào)的分析 和處理 [19]。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 （ 2）介紹了傳統(tǒng)聲發(fā)射的檢測(cè)機(jī)理和光纖聲發(fā)射的檢測(cè)機(jī)理，著重介紹了光彈效應(yīng)和光纖包層的影響，以此作為光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 本章主要介紹傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)機(jī)理以及光纖聲發(fā)射的檢測(cè)機(jī)理，對(duì)光彈效應(yīng)進(jìn)行了闡述，分析光纖能夠應(yīng)用于聲發(fā)射檢測(cè)上的原因，通過公式計(jì)算探討了光纖包層對(duì)檢測(cè)的影響。 聲發(fā)射檢測(cè)原理 當(dāng)聲發(fā)射傳感器附著到所測(cè)結(jié)構(gòu)上后，由于材料內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)以波的形式在材料中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)材料表面時(shí)聲發(fā)射波引起材料表面的振動(dòng)，此時(shí)波的能量轉(zhuǎn)換成材料的振動(dòng)能。目前聲發(fā)射檢測(cè)是一種比較有效的檢測(cè)材料收到 應(yīng)力作用時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化的方法[20]。AE 傳感器將在物體表面觀測(cè)到的彈性波變換成電信號(hào) 。 另外 AE 傳感器還有靜電容型位移計(jì)及光纖傳感器等 。 探頭輸出信號(hào) (一般為電壓量 )的 AE 波通過放大器放大 ， 以及通過濾波器抑制噪聲 ， 為了使 AE 信號(hào)不變形 ， 而且不易受噪聲信號(hào)的影響 ， 一般在AE 探頭附近設(shè)置前置放大器 。 使用濾波器的目的是為了除去噪聲 [21]。只要對(duì)記錄與顯示在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析 ,便可預(yù)判材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)以及下一步需要釆取的針對(duì)性防范措施。其中傳感器一般釆用壓電傳感器 ,用來接收聲發(fā)射信號(hào)；傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)非常微弱 ,極易受到其它信號(hào)的干擾 ,前置放大器用來對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大 ,提高電信號(hào) 的信噪比 ,順便實(shí)現(xiàn)電路中的阻抗匹配；有的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)中帶有主放 ,主放是對(duì)前放信號(hào)得進(jìn)一步放大 ,這樣才能讓數(shù)據(jù)采集卡接受到電信號(hào)并進(jìn)行處理。 光纖聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理 光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)待測(cè) AE 波對(duì)光進(jìn)行調(diào)制使光的光學(xué)性質(zhì) ( 如，強(qiáng)度、相位、波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)等 ) 發(fā)生變化，從而使已調(diào)光攜帶 AE 波的信息，然后，將已調(diào)光送入解調(diào)裝置 即可獲得待測(cè)參數(shù)。應(yīng)力分量 f?? 與沿 ( , )n x y z? ? ? 和 方向的折射率、之間的關(guān)系可以表示如下： 0 1 20 1 20 1 2n [ ( ) ]n [ ( ) ]n [ ( ) ]x fx fy fzy fy fz fxz fz fx fyn C Cn C Cn C C? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 這里 n? 和 0n 分別是有和沒有壓力作用時(shí)的折射率； f?? 表示光纖芯中心附近的，沿 ?? 方向的主應(yīng)力； 1C 和 2C 分別表示定向光彈常數(shù)和橫向光彈常數(shù)。 此外，由于光纖的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于光源光波的波長(zhǎng)，因此可將光纖看成是圓盤而對(duì)其作平面應(yīng)力近似，如圖 22 所示。的光纖與超聲相互作用的有效長(zhǎng)度；由于光纖敏感段中反射信號(hào)兩次通過相互作用區(qū)域，因此，真實(shí)相互作用的有效長(zhǎng)度為 2efl 。 當(dāng) m??? 時(shí)， 523 .3 4 1 0 m m /kgC ??? ； 當(dāng) m??? 時(shí)， 523 .1 7 1 0 m m /k gC ??? ； 而 m??? 時(shí)， 523 .0 8 1 0 m m /kgC ??? 。 圖 24 超聲壓力波作用于埋入材料中的帶 有包層的光纖上的坐標(biāo)系統(tǒng) 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 25 埋入式帶有包層的傳感光纖的簡(jiǎn)化模型 光纖對(duì)聲波的響應(yīng)主要取決于光纖的徑向應(yīng)變和慣性作用，慣性作用即由于有軟包層，外部激勵(lì)不能充分直接地作用到光纖上，因而傳感光纖的響應(yīng)受到阻尼或不敏感。 由上可知，在使用光纖進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于光彈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致媒質(zhì)的光學(xué)各向 異性 .當(dāng)外力作用于光纖時(shí)，光纖中的應(yīng)力和折射率都將發(fā)生變化，折射率的變化與光纖中應(yīng)力成線性