2.1  声发射源

引起声发射的材料局部变化称为声发射事件，而声发射源，是指声发射事件的物理源点或发生声发射波的机制源。在工程材料中，有许多种损伤与破坏机制可产生声发射波，概括起来如表2-1所示。

表2-1  声发射源

2.2  波的传播

波源处的声发射波形，一般为宽频带尖脉冲，包含着波源的定量信息，然而，所测得信号波形，由于介质中的传播特性和传感器频响特性之影响而变得非常复杂，与原波形有很大不同，从而很大地淡化了所测得波形特性参数的物理意义。因此，波的传播对波形的影响，是在实验条件设置、数据分析及评价中均需考虑的基本问题。

2.2.1  波的传播模式

声发射波在介质中的传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可构成纵波、横波、表面波、兰姆波等不同传播模式。

纵波（压缩波）：质点的振动方向与波的传播方向平行，可在固体、液体、气体介质中传播。

横波（剪切波）：质点的振动方向与波的传播方向垂直，只能在固体介质中传播。

表面波（瑞利波）：质点的振动轨迹呈椭圆形，沿深度约为1～2个波长的固体近表面传播，波的能量随传播深度增加而迅速减弱。

兰姆波：因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动，按质点的振动特点可分为对称型（膨胀波）和非对称型（弯曲波）两种。

2.2.2  波的传播速度

波的传播速度，是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性，因而不同的材料，波速也不同。不同的传播模式也具有不同的传播速度。在均匀介质中，纵波与横波的速度分别可用下式表达。

                                 ；                       （2-1）

式中  Vt —— 纵波速度；

ut —— 横波速度；

s —— 泊松比；

E —— 杨氏模量；

G —— 切变模量；

r —— 密度。

在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如，横波速度约为纵波速度的60%，表面波速度约为横波的90%。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，约分布在纵波速度和横波速度之间。在实际结构中，传播速度还受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、内容介质等多种因素的影响，因而传播速度实为一种易变量。

传播速度，与波的频率和波长成正比，等于频率与波长的乘积。

传播速度主要用于声发射源的时差定位计算，而其不确定性成为影响源定位精度的主要因素。在实际应用中，波速难以用理论计算，需要用实验测量，例如，在被检件表面上，用笔芯模拟源和声发射仪时差测量功能，测得两个传感器之间的时差，再用时差除以传感器间距即可得到波速。以实测波速算出的定位精度一般可在传感器间距的1～10%范围内变化。

就常见容器类二维结构而言，表面波或板波的传播衰减远小于纵波和横波而可传播更远的距离，常成为主要的传播模式。多数金属容器中，典型传播速度约为3000m／s，在无法测得波速的情况下，常可以作为定位计算的初设值。

2.2.3  反射、折射与模式转换

在固体介质中，声发射源处同时产生纵波和横波两种传播模式。它们传播到不同材料界面时，可产生反射、折射和模式转换。两种入射波除各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，见图2-1。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为复杂，其示意见图2-2。

图2-1  波的反射与模式转换

O一波源  L－纵波  S一横波  R－表面波

图2-2  厚板中传播示意图

O－波源  L－纵波  S－横波  R－表面波

声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器，因而，波源所生一尖脉冲波到达传感器时，可以纵波、横波、表面波或板波及其多波程迟达波等复杂次序，分离成数个尖脉冲或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形，有时长达数ms。在钛合金气瓶上，对铅笔芯模拟源的响应波形一例如图2-3所示。除外，再加上后述传感器频响特性及传播衰减等的影响，信号波形的上升时间变慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份向低频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分折，而且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充分注意。

图2-3  波形的分离与持续

2.2.4  衰减

衰减是指波的幅度随传播距离的增加而下降的现象。引起声发射波衰减的三个主要机制为：波的几何扩展、材料吸收和散射。

（1）几何扩展衰减：由于声发射波从波源以各向扩展，从而随传播距离的增加，使单位面积上的能量逐渐减少，造成波的幅度下降。扩展衰减与传播介质的性质无关，主要取决于介质的几何形状（或波阵面），它主要控制着近场区的衰减。

一般而言，一局部源所产生体波（纵波与横波）的幅度下降与传播距离成反比，而表面波和板波则与其平方根成反比。棒、杆等一维介质中，几何扩展衰减小于二维和三维介质。在小型球类容器中，由于波阵面随传播距离先扩展而后收缩，波的幅度也相随而波动：例如，从南极点所产生波的幅度，到达赤道线处变得最小，而到北极点又会变大。

（2）材料吸收衰减：波在介质中传播时，由于质点间的内摩擦（粘弹性）和热传导等因素，部分波的机械能转换成热量等其他能量，使波的幅度随传播距离以指数式下降。

其衰减率取决于材料的粘弹性等性质，并与波的频率关，近似与频率成正比。这种能量损失机制主要控制着远场区的衰减。

（3）散射衰减：波在传播过程中，遇到不均匀声阻抗界面时，发生波的不规则反射（称为散射），使波原传播方向上的能量减少。粗晶、夹杂、异相物、气孔等是引起散射衰减的主要材质因素。

（4）其它因素：①频散，即在一些构件中，不同频率成份的波以不同的速度传播（频散效应），引起波形的分离或扩展，从而使波的峰幅度下降，②相邻介质“泄漏”，即由于波向相邻介质“泄漏”而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介质，③ 障碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。

（5）实际结构中的衰减

实际结构中，波的哀减机制很复杂，难以用理论计算，只能用试验测得。例如，在被检件表面上，利用铅笔芯模拟源和声发射仪，按一定的间距测得幅度（dB）～距离（m）曲线。图2-4示出了长12.2m，内径1.2n，厚度12.5mm的气压容器封头上，用不同频率测得的幅度一距离曲线。

图2-4  气压容器衰减曲线［6］

传播衰减的大小，关系到每个传感器可监视的距离范围，在源定位中成为确定传感器间距或工作频率的关键因素。在实际应用中，为减少衰减的影响而常采取的措施包括：降低传感器频率或减小传感器间距，例如，对复合材料的局部监视通常采用150kHz的高频传感器，而大面积监视则采用30kHz的低频传感器，对大型构件的整体检测，可相应增加传感器的数量。

2.3  影响声发射特性的因素

声发射来自材料的变形与断裂机制，因而所有影响变形与断裂机制的因素均构成影响声发射特性的因素，主要包括：

① 材料，包括成份、组织、结构，例如，金属材料中的晶格类型、晶粒尺寸、夹杂、第二相、缺陷，复合材料中的基材、增强剂、界面、纤维方向、辅层、残余应力等；

② 试件，包括尺寸与形状；

③ 应力，包括应力状态、应变率，受载历史；

④ 环境，包括温度、腐蚀介质。

这些因素，对合理选择检测条件，正确解释检测结果，均为需考虑的基本问题。影响声发射强度的主要因素如表2-2所示

表2-2  影响声发射强度的因素

2.4  凯赛尔效应和费利西蒂比

2.4.1  凯赛尔效应

材料的受载历史，对重复加载声发射特性有重要影响。重复载荷到达原先所加{zd0}载荷以前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为凯赛尔效应。多数金属材料中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。

凯赛尔效应在声发射技术中有着重要用途，包括：①在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测：②岩体等原先所受{zd0}应力的推定：③疲劳裂纹起始与扩展声发射检测，④通过预载措施xx加载销孔的噪声干扰，⑤加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。

2.4.2  费利西蒂效应和费利西蒂比

材料重复加载时，重复载荷到达原先所加{zd0}载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应，也可认为是反凯赛尔效应。重复加载时的声发射起始载荷（PAE）对原先所加{zd0}载荷（Pmax）之比（PAE／Pmax），称为费利西蒂比。该效应的示意如图2-5所示。

图2-5  费利西蒂效应

费利西蒂比作为一种定量参数，较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度，已成为缺陷严重性的重要评定判据。树脂基复合材料等粘弹性材料，由于具有应变对应力的迟后效应而使其应用更为有效。费利西蒂比大于1表示凯赛尔效应成立，而小于1则表示不成立。在一些复合材料构件中，费利西蒂比小于0.95作为声发射源超标的重要判据。