一(yī)、聲發射技(jì)術(shù)機(jī)理及特征
聲發射（Acousticemission簡稱AE）又(yòu)稱應力波發射，是材料或零部件(jiàn)受力作用産生(shēng)變形、斷裂，或内部應力超過屈服極限ss而進入不可逆的塑性變形階段，以瞬态彈性波形式釋放(fàng)應變能(néng)的現象。
在外部條件(jiàn)作用下(xià)，固體（材料或零部件(jiàn)）的缺陷或潛在缺陷改變狀态而自(zì)動發出瞬态彈性波的現象亦為(wèi)聲發射。通(tōng)常意義上(shàng)的聲發射源，一(yī)般是指材料受力的作用所産生(shēng)的各種變形和斷裂機(jī)制，例如：金屬材料中的裂縫擴展、位錯(cuò)運動、滑移帶的形成、李生(shēng)變形、晶界滑移、夾雜(zá)物(wù)的分離與開(kāi)裂；複合材料中的基體開(kāi)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，都是重要的聲發射源。
聲發射波的頻率範圍很寬，從(cóng)次聲頻、聲頻直到(dào)超聲頻。它的幅度動态範圍亦很廣，從(cóng)微弱的位錯(cuò)運動直到(dào)強烈的地震波。然而，聲發射作為(wèi)無損檢測與無損評價手段，則是采用高(gāo)靈敏度傳感器(qì)，在材料或構件(jiàn)受外力的作用，且又(yòu)遠(yuǎn)在其達到(dào)破損以前，接收來自(zì)這些缺陷與損傷開(kāi)始出現或擴展時所發射的聲發射信号，通(tōng)過對這些信号的分析、處理來檢測、評估材料或構件(jiàn)缺陷、損傷等内部特征。從(cóng)而，通(tōng)讨聲發射檢測，可以确定：[1]
1·材料或構件(jiàn)何時出現損傷；2，材料或構件(jiàn)出現損傷的部位
3·材料或構件(jiàn)出現損傷的嚴重程度及其危害性，對構件(jiàn)作出結構完整性評價。
作為(wèi)一(yī)種新的無損檢測技(jì)術(shù)，聲發射檢測技(jì)術(shù)與常規無損檢測技(jì)術(shù)：滲透、磁粉、渦流、射線、超聲檢測相(xiàng)比較具有兩個(gè)基本性的特點：？敏感于動态缺陷，而不是靜(jìng)态缺陷；即不像其他無損檢測技(jì)術(shù)隻是在缺陷出現後，事(shì)後靜(jìng)傑檢測時才能(néng)發現，而是在缺陷萌生(shēng)和擴展過程中，即能(néng)實時發現。？聲發射波來自(zì)缺陷的本身而不是外部；從(cóng)而可以得到(dào)有關缺陷的豐富的信息以及檢測的高(gāo)靈敏度與高(gāo)分辨率。
以上(shàng)兩大特點導緻該項技(jì)術(shù)具有了以下(xià)不同于常規無損檢測技(jì)術(shù)的優點：
1）可獲得關于缺陷的動态信息，并據以評價缺陷的實際危害程度，以及結構的整體性和預期使用壽命；
）對大型構件(jiàn)，不需要移動傳感器(qì)做繁雜(zá)的掃查操作，隻要布置好足夠數量的傳感器(qì)，經一(yī)次加載或試驗過程，即可大面積檢測确定缺陷的位置和監視缺陷的活動情況，操作簡便，省工(gōng)、省時；
3）可提供随載荷、時間、溫度等處施變量而變化的實時瞬态或連續信息，因而适用于過程監控，以及早期或臨近破不的預報(bào)；

4）對被檢工(gōng)件(jiàn)的接近要求不高(gāo)，因而适用于其它無損檢測方法難以或不能(néng)接近的，如高(gāo)低(dī)溫、核輻射、易燃、易和極毒等環境下(xià)的檢測；
5）對構件(jiàn)的幾何形狀不敏感，适于檢測其他方法所不能(néng)檢測的形狀複雜(zá)的構件(jiàn)；
6）幾乎所有材料在變形和斷裂時均産生(shēng)聲發射，适用範圍廣。
二、聲發射技(jì)術(shù)在複合材料領域中的應用
複合材料是一(yī)種多(duō)相(xiàng)材料，由兩種或多(duō)種性質不同的材料組成，其主要組分是增強材料和基體材料，基本的結構式是層壓件(jiàn)和纏繞件(jiàn)。
複合材料因高(gāo)的比強度和比模量以及良好的抗疲勞性和成形工(gōng)藝性，而在航空、航天、造船(chuán)、建築、橋梁等工(gōng)業(yè)言門(mén)得到(dào)了大量的應用，并在壓力容器(qì)、管道，以及某些關鍵部位代替金屬材料。但是，纖維增強複合材料具有導電(diàn)性差、熱傳導率低(dī)、聲衰減高(gāo)等特點，在機(jī)械和物(wù)理性能(néng)方面呈顯著的各向異性，這使得它對無損檢測的波傳播所起的個(gè)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。
複合材料結構由于制造工(gōng)藝的特殊性，許多(duō)工(gōng)藝參數的微小(xiǎo)差異會(huì)導緻其産生(shēng)諸多(duō)缺陷，使産品質量呈現明顯的散性。這些缺陷嚴重地影響構件(jiàn)的機(jī)械性能(néng)、結構完整性和使用壽命。
複合材料結構缺陷的類型繁多(duō)，但大緻可以分為(wèi)兩大類：
1）通(tōng)常表現為(wèi)損害構件(jiàn)的機(jī)械性能(néng)和物(wù)理性能(néng)的有：氣孔、夾雜(zá)、分層、纖維斷裂或不平直、纖維與基體的比值7正确、纖維和基體的結合狀況不佳、基體疏柱、基體裂縫、基體固化狀态不良等；
2）通(tōng)常表現為(wèi)損害構件(jiàn)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、結構内部損傷等。面對上(shàng)述種類繁多(duō)的缺陷，迄今，還(hái)沒有一(yī)種無損檢測方法可以檢測各種複合材料構件(jiàn)的所有缺陷。在實際應用中，往往需根據複合材料構件(jiàn)的形狀、類型、使用要求，要求檢測的缺陷類型、大小(xiǎo)、位置、取向及檢測設備檢測能(néng)力等因素，選用幾種不同的方法互相(xiàng)補充。
然而，我們對每一(yī)複合材料構件(jiàn)無損檢測的目标是在于：檢測它的結構的完整性、強度和承載能(néng)力，評估它的使F壽命和使用安全性。
由于複合材料構件(jiàn)不同于金屬構件(jiàn)的特殊性，且對它的破壞機(jī)理還(hái)缺乏系統的了解，因而對它的主要缺陷類型仍是衆說紛纭，還(hái)不能(néng)用一(yī)、兩種主要類型的缺陷來決定其使用性能(néng)，評估預期壽命。例如，高(gāo)性能(néng)的金屬結構，相(xiàng)對來說，是用不包含所不希望存在的缺陷的材料制成的。在使用中，破損往往起源于裂縫開(kāi)始擴展為(wèi)可辨認的缺陷的時候，而且發生(shēng)于裂縫繼續擴展以後。所以，在大多(duō)數金屬結構中，我們所查找的基本缺陷是裂逢，一(yī)旦用無損檢測方法确定了有缺陷的結構，就(jiù)可以利用斷裂力學的基本概念，計算(suàn)出使用條件(jiàn)下(xià)金屬構件(jiàn)的預期壽命。

正如上(shàng)文所述，複合材料至今尚不能(néng)以少數的幾種類型缺陷确定為(wèi)損傷起源的主要缺陷。
大量實驗證明：有些具有明顯宏觀缺陷的架件(jiàn)，加載試驗到(dào)破壞，其疲勞壽命不一(yī)定就(jiù)短；相(xiàng)反，有些無明顯宏刃缺陷的構件(jiàn)，若隐含有常規無損檢測難以檢出的、基體微裂紋等缺陷，在實驗中發現其所具有的疲芳壽命則遠(yuǎn)短于正常構件(jiàn)。
由于聲發射對缺陷起始和擴展的特有的敏感性，以及其所具有動态檢測強度和評估使用壽命的獨特功能(néng)，從(cóng)而近年(nián)來，複合材料無損檢測與評價技(jì)術(shù)已經把重點轉移到(dào)，利用聲發射技(jì)術(shù)檢測材料與構件(jiàn)的缺陷（包括微觀缺陷）與損傷的萌生(shēng)與擴展，并據以評估缺陷的危害程度，測定結構強度、整體性和預期使用壽命。對複合材料的發展而言，聲發射技(jì)術(shù)不僅僅是内部缺陷和損傷的無損檢測手段，且已成為(wèi)材料性能(néng)（包括斷裂性能(néng)和力學性能(néng)等）研究、強度檢測與用壽命評估的必不可少的方法。
聲發射技(jì)術(shù)作為(wèi)一(yī)種檢測技(jì)術(shù)起步于50年(nián)代初的德國(guó)，60年(nián)代，該項技(jì)術(shù)在美國(guó)原子能(néng)和宇航技(jì)術(shù)中迅速興起，産在玻璃鋼固體發動機(jī)殼體的檢測方面出現工(gōng)業(yè)應用的首例[2]，70年(nián)代，在日、歐及我國(guó)相(xiàng)繼得到(dào)發展，但因當時的技(jì)術(shù)和經驗所限，僅隻獲得有限的成功。80年(nián)代，聲發射技(jì)術(shù)開(kāi)始獲得較為(wèi)正确的評價，并獲得迅速發展，已在金屬和玩璃鋼壓力容器(qì)、儲罐、管道等重要領域進入工(gōng)業(yè)應用和标準化階段。随著(zhe)計算(suàn)機(jī)技(jì)術(shù)和信号處理技(jì)術(shù)的迅猛發展，國(guó)先進聲發射設備研制公司在聲發射技(jì)術(shù)軟，硬件(jiàn)方面的一(yī)些重大技(jì)術(shù)突破，以及新的數字化聲發射系統和相(xiàng)應的商業(yè)化實用軟件(jiàn)包的推出，已能(néng)獲得複合材料缺陷與損傷，在其萌生(shēng)和發展中，甚為(wèi)豐富的和極其活躍的信息，使聲發射技(jì)才成為(wèi)在複合材料等先進的、新型材料研究和生(shēng)産中不可替代的動态無損檢測技(jì)術(shù)。
聲發射技(jì)術(shù)在這一(yī)領域的應用大緻可分如下(xià)幾個(gè)方面：在複合材料性能(néng)研究方面的應用
在複合材料結構完整性檢測方面的應用；在複合材料結構制造過程監測方面的應用。

三、在複合材料性能(néng)研究方面的應用
複合材料與傳統的金屬材料相(xiàng)比，在航空航天以及軍用和民(mín)用領域得到(dào)越來越廣泛應用的最重要因素是其強度高(gāo)、重量輕、機(jī)械性能(néng)優越，而這些卓越性能(néng)則來自(zì)于複合材料中各構成成份本身的優越性能(néng)和合理搭配。對于複合材料的強度、韌性方面的研究，離不開(kāi)實驗手段，而聲發射技(jì)術(shù)在這些實驗研究中扮演極其重要角色。複合材料的損傷形式很複雜(zá)，大緻可分纖維斷裂，基體開(kāi)裂、脫粘、分層等幾種主要形式，每種損傷形式對複合材料的整體性能(néng)都有不同程度的影響和作用，所以對于複合材料性能(néng)的研究離不開(kāi)對這些損傷形式的研究。實際上(shàng)，由于複合材料本身的複雜(zá)性，使得關于複合材料破壞機(jī)理方面的研究一(yī)直處于探索階段，許多(duō)問題還(hái)沒有被人們所揭示。多(duō)年(nián)來人們采用了各種手段從(cóng)事(shì)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，盡管複合材料的幾種損傷形式都有各自(zì)不同的複雜(zá)性，但幾乎都有一(yī)個(gè)共同特點，那就(jiù)是這些損傷缺陷發生(shēng)和發展時都有很明顯的聲發射特征，而且聲發射手段對于這些損傷過程的分析都非常及時和有效，所以聲發射技(jì)術(shù)是複合材料破壞機(jī)理研究及強度性能(néng)研究的最有效手段之一(yī)。在這方面，國(guó)内外學者們進行了大量研究實踐，取得了許多(duō)可貴的成果。
在複合材料的聲發射特征中，振鈴計數、幅度、持續時間、恒載聲發射延續時間、Felicity比是區别複合材料構件(jiàn)各損傷階段、損傷類型、力學特性的主要參數。
國(guó)内學者通(tōng)過對Sic纖維鋁基複合材料聲發射研究發現用A技(jì)術(shù)能(néng)準确測定單纖維金屬基複合材料中纖維斷枝數和纖維斷枝的平均長(cháng)度，由此能(néng)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(tōng)過對钛基複合材料損傷過程的聲發射研究，也揭示了幾種主要的損傷形式發生(shēng)時所對應的E事(shì)件(jiàn)幅度的關系。
ThomasM.Ely等人對石墨環氧樹脂複合材料縱向開(kāi)裂與纖維斷裂的聲發射特征研究進一(yī)步發現縱向開(kāi)裂
（Longitudinal splitting）對應的E特征為(wèi)低(dī)幅度、短持續時間、低(dī)計數和低(dī)能(néng)量；而高(gāo)幅值、長(cháng)持續時間、高(gāo)計數及高(gāo)能(néng)量的E信号則來自(zì)于纖維斷裂[7]。
TYI-JIINLUO等通(tōng)過陶瓷基複合材料縱向拉伸試驗的深入研究進一(yī)步發現：在應力水(shuǐ)平超過應力應變關系的比例極限時，開(kāi)始出現基體裂紋并産生(shēng)對應組信号；在比例極限與應變硬化階段前的非線性階段，AE計數與相(xiàng)應應變值呈非常明顯的線性關系；在應變硬化開(kāi)始點，基體裂紋及對應産生(shēng)的E信号達到(dào)飽和；在此後開(kāi)始出現中等水(shuǐ)平的E信号及對應的纖維/基體脫粘現象；在剛度逐漸減弱時開(kāi)始纖維斷裂或拉出，此時AE信号以穩定的數率連續減少[8]。
總之，膽技(jì)術(shù)在複含材料性能(néng)研究方面起了十分重要作用，也取得許多(duō)突破性的進展，但這方面的許多(duō)工(gōng)作還(hái)處于探索之中。

四、在複合材料結構完整性檢測方面的應用
由于複合材料強度高(gāo)、重量輕的特點，近年(nián)來，被廣泛用于壓力容器(qì)、管道、飛(fēi)機(jī)及航天器(qì)的某些部件(jiàn)上(shàng)，聲發射技(jì)術(shù)對這些受力結構的完整性檢測和安全壽命評估提供了可靠方法。
對于複合材料結構的無損檢測，其它常規無損檢測方法，像超聲、射線、渦流等手段對某些複雜(zá)缺陷或微小(xiǎo)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現，且很難做到(dào)動态、實時監測，而隻有聲發射手段能(néng)動态、實時發現這些缺陷。現代聲發射技(jì)術(shù)的全波形聲發射技(jì)術(shù)不但能(néng)定性發現上(shàng)述缺陷，而且通(tōng)過多(duō)參數分析、相(xiàng)關分析等方法，尤其基于瞬态波形記錄的FFT分析手段更能(néng)對上(shàng)述缺陷進行定量識别。
聲發射用于壓力容器(qì)檢測方面，對于金屬壓力容器(qì)，聲發射手段已應用很廣、也很成熟，有關這方面的檢測規範及标準也已非常完美和可靠。對于複合材料壓力容器(qì)的檢測正是基于金屬壓力容器(qì)檢測基礎及複合材料A研究基礎上(shàng)開(kāi)展起來的。如前所述，由于複合材料在損傷過程中其A特征非常明顯，使用聲發射對複合材料壓力容器(qì)的檢測非常有效，同時由于複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複雜(zá)性、不連續性，其缺陷檢測及安全評估方面又(yòu)有很大的特殊性。
其二，作為(wèi)現代處理技(jì)術(shù)的神經網絡及模态識别技(jì)術(shù)應用到(dào)聲發射研究，在傳統的聲發射研究中開(kāi)辟了一(yī)個(gè)新領域，也給複雜(zá)條件(jiàn)下(xià)複雜(zá)結構的複合材料研究提供了新的可靠手段。由于複合材料損傷，不但聲發射特征明顯，而且聲發射信号非常豐富和複雜(zá)。神經網絡分析技(jì)術(shù)給解決這些複雜(zá)問題提供了新的手段。
其三，聲發射技(jì)術(shù)與現代斷裂力學、損傷力學的結合将給複合材料構件(jiàn)的損傷容限設計提供依據，而且将更有效地揭示複合材料的損傷破壞機(jī)理和壽命規律。
總之，聲發射技(jì)術(shù)将是複合材料研究領域中不可多(duō)得的有生(shēng)力量。