1世界聲發射技術的發展歷程和現狀
材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(AE)[1]，聲發射是一種常見的物理現象，大多數材料變形和斷裂時有聲發射發生，但許多材料的聲發射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來，用儀器探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術。
現代聲發射技術的開始以 Kaiser 二十世紀五十年代初在德國所作的研究工作為標志。他觀察到銅、鋅、鋁、鉛、錫、黃銅、鑄鐵和鋼等金屬和合金在形變過程中都有聲發射現象。他最有意義的發現是材料形變聲發射的不可逆效應即：“材料被重新加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不產生聲發射信號”�，F在人們稱材料的這種不可逆現象為“Kaiser效應”。Kaiser 同時提出了連續型和突發型聲發射信號的概念。
二十世紀五十年代末和六十年代，美國和日本許多工作者在實驗室中作了大量工作，研究了各種材料聲發射源的物理機制，并初步應用于工程材料的無損檢測領域。Dunegan 首次將聲發射技術應用于壓力容器的檢測。美國于 1967 年成立了聲發射工作組，日本于 1969 年成立了聲發射協會。
二十世紀七十年代初, Dunegan 等人開展了現代聲發射儀器的研制，他們把儀器測試頻率提高到 100KHz-1MHz 的范圍內, 這是聲發射實驗技術的重大進展, 現代聲發射儀器的研制成功為聲發射技術從實驗室走向在生產現場用于監視大型構件的結構完整性創造了條件。
隨著現代聲發射儀器的出現，整個七十年代和八十年代初人們從聲發射源機制、波的傳播到聲發射信號分析方面開展了廣泛和系統的深入研究工作。在生產現場也得到了廣泛的應用，尤其在化工容器、核容器和焊接過程的控制方面取得了成功。Drouillard 于 1979 年統計出版了 1979 年以前世界上發表的聲發射論文目錄[2], 據他的統計, 到 1986 年底世界上發表有關聲發射的論文總數已超過 5000 篇[3]。
目前聲發射技術作為一種成熟的無損檢測方法，已被廣泛應用于許多領域，主要包括以下方面：
(1) 石油化工工業：各種壓力容器、壓力管道和海洋石油平臺的檢測和結構完整性評價，常壓貯罐底部、各種閥門和埋地管道的泄漏檢測等。
(2) 電力工業：高壓蒸汽汽包、管道和閥門的檢測和泄漏監測，汽輪機葉片的檢測，汽輪機軸承運行狀況的監測，變壓器局部放電的檢測。
(3) 材料試驗：材料的性能測試、斷裂試驗、疲勞試驗、腐蝕監測和摩擦測試, 鐵磁性材料的磁聲發射測試等。
(4) 民用工程：樓房、橋梁、起重機、隧道、大壩的檢測，水泥結構裂紋開裂和擴展的連續監視等。
(5) 航天和航空工業：航空器殼體和主要構件的檢測和結構完整性評價，航空器的時效試驗、疲勞試驗檢測和運行過程中的在線連續監測等。
(6) 金屬加工：工具磨損和斷裂的探測，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測，修理整形的驗證，金屬加工過程的質量控制，焊接過程監測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預防。
(7) 交通運輸業：長管拖車、公路和鐵路槽車及船舶的檢測和缺陷定位，鐵路材料和結構的裂紋探測，橋梁和隧道的結構完整性檢測，卡車和火車滾珠軸承和軸頸軸承的狀態監測，火車車輪和軸承的斷裂探測。
(8) 其他：硬盤的干擾探測，帶壓瓶的完整性檢測，莊稼和樹木的干旱應力監測，磨損摩擦監測，巖石探測，地質和地震上的應用，發動機的狀態監測，轉動機械的在線過程監測，鋼軋輥的裂紋探測，汽車軸承強化過程的監測，鑄造過程監測，Li/MnO2 電池的充放電監測，人骨頭的摩擦、受力和破壞特性試驗，骨關節狀況的監測。
聲發射檢測方法在許多方面不同于其它常規無損檢測方法，其優點主要表現為：
(1) 聲發射是一種動態檢驗方法，聲發射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是象超聲或射線探傷方法一樣由無損檢測儀器提供；
(2) 聲發射檢測方法對線性缺陷較為敏感，它能探測到在外加結構應力下這些缺陷的活動情況，穩定的缺陷不產生聲發射信號；
(3) 在一次試驗過程中，聲發射檢驗能夠整體探測和評價整個結構中活性缺陷的狀態；
(4) 可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續信息，因而適用于工業過程在線監控及早期或臨近破壞預報；
(5) 由于對被檢件的接近要求不高，而適于其它方法難于或不能接近環境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環境；
(6) 對于在用設備的定期檢驗，聲發射檢驗方法可以縮短檢驗的停產時間或者不需要停產;
(7) 對于設備的加載試驗，聲發射檢驗方法可以預防由未知不連續缺陷引起系統的災難性失效和限定系統的最高工作載荷；
(8) 由于對構件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其它方法受到限制的形狀復雜的構件。
2 中國聲發射技術發展歷程和學會活動
聲發射技術于二十世紀七十年代初開始引入我國[4]，當時正是我國斷裂力學發展的高峰，人們希望利用聲發射預報和測量裂紋的開裂點，隨后中科院沈陽金屬研究所、航天部 621所、機械部合肥通用機械研究所、武漢大學等一些科研院所和大學主要開展了金屬和復合材料的聲發射特性研究。
八十年代初期人們開始嘗試采用聲發射技術進行壓力容器的檢驗等工程應用，然而鑒于當時聲發射儀器的性能和聲發射信號處理方面的能力限制，以及人們對聲發射源性質和聲發射波產生后到達傳感器過程中的傳輸特性等的認識缺少應有的深度，在實驗結果的重復性和可靠性等方面存在不少問題，因此聲發射技術曾陷入低谷。
八十年代中期勞動部鍋爐壓力容器檢測研究中心率先從美國 PAC 公司引進當時世界上最先進的采用Z80微處理計算機技術制造的SPARTAN源定位聲發射檢測與信號處理分析系統, 并在全國一些石化和煤氣公司開展了大量球形儲罐和臥罐等壓力容器的檢測，取得了成功的應用實例，得到了用戶的認可。隨后，冶金部武漢安全環保研究院、大慶石油學院、西安 44所和石油大學等許多單位相繼從 PAC 引進先進的 SPARTAN 和 LOCAN 等型號的聲發射儀器，開展了壓力容器、飛機、金屬材料、復合材料和巖石的檢測和應用。1989 年的全國第四屆聲發射會議指出：“我國聲發射技術的研究、應用和儀器隊伍不斷擴大，技術水平不斷提高，表明我國聲發射技術發展已經走出低谷，開始向新的高峰攀登”[5]。
自進入二十世紀九十年代至今，聲發射技術在我國的研究和應用成快速發展的趨勢[6-10]。九十年代初燕山石化、天津石化、大慶油田、勝利油田、遼河油田和深圳鍋爐壓力容器檢驗所等石油、石化企業檢驗單位和專業檢驗所相繼進口大型聲發射儀器廣泛開展壓力容器的檢驗。九十年代中期空軍第一研究所和航天 703 所從美國 PAC 公司引進了第三代可以存儲聲發射信號波形的 Mistras2000 多通道聲發射儀，從而開展了以波形分析為基礎的航空航天設備的聲發射檢測與信號處理分析。2002 年國家質量監督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器檢測研究中心從德國 VALLEN 公司引進了最新型號的 ASM5 型 36 通道聲發射儀，該儀器既可對聲發射信號進行基于波形的模式識別分析，又具有大型常壓油罐底部泄漏的檢測能力。目前聲發射技術已在我國已在石油、石化、電力、航空、航天、冶金、鐵路、交通、煤炭、建筑、機械制造與加工等領域開展了廣泛的研究和應用工作。
在學術交流活動方面，我國于 1978 年隨著全國無損檢測學會的建立成立了聲發射專業委員會，并于 1979 年在黃山召開了第一屆全國聲發射會議；近 10 年來已固定每年召開一次聲發射專業委員全體會議，并進行小規模的學術交流活動，每兩年召開一次全國學術會議進行大規模的學術交流活動和儀器演示活動，到目前為止已召開了九屆，具體的會議時間和地點如表 1 所示，每次學術會議均出版論文集，收集論文 40 到 50 篇，與會代表 60 到 80 人。
表 1 中國聲發射學術會議舉辦的地點與時間
3 人員和儀器現狀
據估計，我國目前約有 60 多個科研院所、大專院校和專業檢驗單位在各個部門和領域從事聲發射技術的研究、檢測應用、儀器開發、制造和銷售工作，從業人員 200 多人。在人員培訓方面，已有 5 人以上以聲發射檢測技術的有關研究內容為論文題目獲得博士學位，有 50多人獲得碩士學位。在檢測人員資格認可方面，航天工業無損檢測人員資格考試委員會自九十年代末至今已培訓 II 級檢驗人員 30 多人，國家質量監督檢驗檢疫總局鍋爐、壓力容器、壓力管道和特種設備無損檢測人員資格考試委員會于 2002 年已培訓II 級檢驗人員 80多人.
4 標準狀況
我國聲發射檢測標準的制定，既遲后于國內其它常規無損檢測方法，也與美國有很大的差距，但在許多方面已取得進展，檢測術語、檢測儀性能測試、金屬壓力容器檢測方法、鈦合金壓力容器檢測方法、復合材料構件檢測方法和在役金屬容器檢測方法等已分別頒布國家標準、國家軍用標準和行業標準，其余尚處在企業或內部標準階段。目前已頒布主要聲發射標準目錄如下：
5 主要研究和應用領域[5-10]
5.1 壓力容器的聲發射檢測
壓力容器檢測是目前聲發射技術在中國開展應用最成功和普遍的領域之一，人們已經對現場壓力容器的聲發射源進行了詳細的研究工作[11]，通過大量的試驗和現場應用，使這一方法已達到成熟，制定了國家標準，并編寫了 II 級檢測人員聲發射培訓教材[12]，對 80 多人進行了培訓和 II 級資格認證。目前國內有近 30 家擁有聲發射儀器的單位從事壓力容器的聲發射檢測，國內的大部分多通道聲發射儀由這些單位擁有。具粗略統計，這些單位每年采用聲發射檢測大型壓力容器 200～300 臺。
壓力容器的聲發射檢測包括新制造壓力容器水壓試驗時的聲發射監測、在用壓力容器的聲發射檢測和缺陷評價、壓力容器工作狀態下的聲發射在線監測和安全評價[13]。由于我國在二十世紀七十年代投入使用的壓力容器絕大部分存在各種各樣的焊接缺陷，在定期檢驗過程中對采用超聲波和射線方法發現的大量超標缺陷的處理十分困難，如全部返修工程造價甚至和更新的費用差不多，而采用聲發射檢測可以快速發現這些超標缺陷中存在的活性缺陷，僅許需對這些活性缺陷進行返修處理，壓力容器即可重新投入使用。另外，在壓力容器的運行過程中，許多到了檢驗周期但由于生產工藝的需要不能停產，而聲發射技術是目前較成熟的在線無損檢測方法，采用聲發射進行在線監測，可以對壓力容器的安全性進行評價，從而決定是否延長壓力容器的檢驗周期。
聲發射技術和大量的科研成果在我國壓力容器檢測中成功的推廣和應用，一方面及時排除了大量帶缺陷運行的壓力容器的爆炸隱患，降低了惡性事故的發生，確保了這些壓力容器的安全運行，取得了重大的社會效益；另一方面，聲發射檢測大大縮短了壓力容器的檢驗周期，并減少了盲目返修和報廢壓力容器所帶來的損失，為廣大壓力容器用戶帶來了巨大的經濟效益，這種檢驗方法深受廣大壓力容器用戶的歡迎。
5.2 航空航天工業中的應用
我國學者在這一領域也進行了廣泛和深入的研究，并取得了一些重要成果。早在二十世紀八十年代初，國內有關單位就進行了飛機機翼疲勞試驗過程中的聲發射監測研究[14,15]，并在信號處理和識別技術方面積累了寶貴經驗�？哲姷谝谎芯克谀承惋w機的全尺寸疲勞試驗過程中(飛行長達 16000 小時)，用聲發射技術對其主梁螺孔和隔框連接螺栓等部位疲勞裂紋的形成和擴展進行了跟蹤監測，歷時之長和積累數據之豐富都是前所未有的[16,17]。他們利用了聲發射參數組成多維空間的一個特征矢量，成功進行了疲勞裂紋產生的聲發射信號識別。除利用這種多參數識別方法外，還利用趨勢分析和相關技術等方法對信號進行處理，建立了一套較完整的信號識別和處理體系。
5.3 復合材料的聲發射特性研究
聲發射技術目前已成為研究復合材料斷裂機理和檢測復合材料壓力容器的重要方法。中科院沈陽金屬所、航空 621 所、航天 703 所和 44 所在這些領域做了大量工作，尤其是 44所作了大量復合材料壓力容器的聲發射檢測，并起草了內部的檢測與評價標準。目前采用聲發射技術已能檢測每根碳纖維或玻璃纖維絲束的斷裂及絲束斷裂載荷的分布，從而評價它們的質量。聲發射技術還可以區分復合材料層板不同階段的斷裂特性，如基體開裂、纖維與基體界面開裂、分層和纖維斷裂。另外，我國也有人采用聲發射技術研究碳纖維增強聚酰亞胺復合材料升溫固化的特性[18]。
5.4 聲發射信號的處理技術
聲發射檢測的最主要目的之一是識別產生聲發射源的部位和性質，而聲發射信號的處理是解決這一問題的唯一途徑。在聲發射信號的處理和分析方面，除大家普遍常用經典聲發射信號參數和定位分析之外，我國目前開展了處于世界前沿的基于波形分析基礎之上的模態分析、經典譜分析、現代譜分析、小波分析和人工神經網絡模式識別，另外也對聲發射信號參數采用了模式識別、灰色關聯分析和模糊分析等先進的技術，我國還自主開發了進行各種信號分析和模式識別的軟件包。通過采用這些信號處理與分析技術，可以在不對聲發射源部位進行其它常規無損檢測方法復驗的情況下，直接給出聲發射源的性質及危險程度[19-22]。
5.5 巖石的監測和應力測量
聲發射現象的觀測起源于地震的監測，現今廣泛地用于巖石的監測和地質與石油鉆探中的應力測量。冶金部武漢安全環保研究院近 20 年來一直開展礦山和大型水壩巖石塌方的監測研究和應用工作，近幾年一直在長江三峽大壩對一些關鍵部位的巖石活動情況進行監測，為三峽大壩的建設提供了重要依據。中國科學院地質研究所利用巖石的 KAISER 效應測量古巖石的應力，以研究遠古時期地質的變化情況。北京石油勘探開發設計院和北京石油大學采用聲發射技術測量巖芯的主應力方向，達到確定油田最大水平應力方向的目的。這些成果已用在我國油田生產和開發上，取得了明顯的經濟效益。
5.6 在機械制造過程中的監控應用
聲發射應用于機械制造過程或機加工過程的監控始于二十世紀七十年代末，我國在這一領域起步早、發展快。早在 1986 年國防科技大學等單位就進行了用聲發射監測機加工刀具磨損的研究工作�，F在，一些單位已研制成功車刀破損監測系統和鉆頭折斷報警系統，前者的檢測準確率高達 99%。根據刀具與工件接觸時擠壓和摩擦產生聲發射的原理，我國還成功研制出了高精度聲發射對刀裝置，用以保證配合件的加工精度。九十年代，有些部門已開始用人工神經網絡進行刀具狀態監控、切削形態識別與控制以及磨削接觸與砂輪磨損監測等。
5.7 鐵路焊接結構疲勞損傷的監測
我國鐵路部門對高速列車轉向架構架模擬梁的焊接結構進行了聲發射監測試驗，采用聲發射多參數分析技術監測了焊接梁疲勞試驗的全過程，得到了構件疲勞損傷各階段與聲發射特征之間的關系，準確的監測到焊接梁中焊縫和應力集中處的裂紋萌生及擴展過程。所用方法可進一步用來確定構件的損傷程度，并有可能應用到鐵路橋梁疲勞損傷監測中。
5.8 泄漏監測
帶壓力流體介質的泄漏檢測是聲發射技術應用的一個重要方面，國家質量監督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器檢測研究中心、冶金部武漢安全環保研究院和清華大學無損檢測中心在國家“八五”和“九五”期間合作對壓力容器和壓力管道氣、液介質泄漏的聲發射檢測技術進行了研究，取得的科研成果目前已在一些石化企業的原油加熱爐和城市埋地燃氣管道的泄漏監測得到成功應用。核工業總公司武漢核動力運行研究所，于九十年代中期從美國進口了36 通道聲發射泄漏檢測儀器，專門用于我國核電站的泄漏檢測，目前已進行了大量研究和應用工作。國家質量監督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器檢測研究中心和大慶石油學院也分別開展了大型油罐底部聲發射泄漏檢測的研究和應用工作，初步取得了成功。
5.9 磁聲發射研究
我國于 1984 年由武漢大學首先開展鐵磁性材料磁聲發射的研究工作，隨后北京科技大學和華中科技大學也相繼開展了磁聲發射的研究工作。武漢大學以多晶和單晶硅鋼材料對磁聲發射的機制進行了詳細研究，并在世界上首次提出 1800 磁疇壁的運動也可以產生很大的磁聲發射信號，他們提出了磁疇壁內磁化矢量的逐漸旋轉運動會產生彈性波的模型，這可認為是對一般公認的磁聲發射產生機制的完善和補充。北京科技大學將磁聲發射與磁巴克豪森效應想結合，開發出可以測量焊縫殘余應力的儀器。
6 目前急需解決的問題和發展趨勢
自學會成立的 25 年來，我國的聲發射技術從實驗室的研究到目前在許多工業領域得到成功應用，從開始研制采用電子管技術的模擬式單通道聲發射儀到目前已研制出全數字化全波形的多通道聲發射儀，從十幾個從事聲發射技術的研究人員到目前數百人的科研和檢驗隊伍等多個方面都得到了巨大發展和取得了十分顯著的成就，所有這些是我國聲發射研究和檢測人員努力的成果，但學會在組織學術交流活動、加強我國科研工作人員的信息交流與合作等方面也起到了很大的促進作用。
目前，雖然我國的聲發射技術取得了很大進展，但應當承認與歐美等工業發達國家相比，在很多方面還有差距，考慮到我國當前科研和工程檢測對聲發射技術的需求，特提出以下我國急需解決的問題和聲發射技術的發展趨勢：
(1) 在波的傳播等基礎理論領開展研究，為聲發射技術在工程應用中提供理論依據；
(2) 在儀器開發方面，進一步完善和提高現有機型的功能和可靠性，開發適用于各種工程檢測聲發射信號數據分析與處理軟件包，尤其需要開發適用于埋地管道和油罐底部泄漏檢測的商品化儀器和軟件；
(3) 在換能器制造方面，進一步完善和提高現有共振型換能器的制造水平，開發低頻和高溫換能器的制造技術，并形成商品銷售；
(4) 加快聲發射檢測標準的制定和修訂步伐，建立我國聲發射檢測的標準體系，為進一步推廣聲發射檢測的工程應用打下基礎，盡快趕上工業發達國家的水平；
(5) 加強各部門的協調，建立我國一致的檢驗人員培訓和資質認證體系，擴大聲發射檢測人員的隊伍，降低聲發射檢測人員取得資質證書的成本；
(6) 進一步拓展聲發射檢測技術的應用領域，重點開展橋梁、建筑物、埋地管道和大型常壓油罐的聲發射檢測技術研究和應用；
(7) 進一步開展聲發射信號各種處理分析技術和神經網絡模式識別的研究，提高壓力容器、壓力管道和各種大型機械裝備的在線檢測應用水平。
鵬翔新聞
