一、聲發射技術機理(lǐ)及特征
聲發射（Acousticemission簡稱AE）又稱應力波發射，是材料或零部件(jiàn)受力作(zuò)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(kě)逆的塑性變形階段，以瞬态彈性波形式釋放(fàng)應變能的現象。
在外部條件(jiàn)作(zuò)用下，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爲聲發射。通常意義上的聲發射源，一般是指材料受力的作(zuò)用所産生(shēng)的各種變形和斷裂機制，例如(rú)：金屬材料中的裂縫擴展、位錯運動、滑移帶的形成、李生(shēng)變形、晶界滑移、夾雜物的分(fēn)離與開裂；複合材料中的基體開裂、層間分(fēn)離、纖維和基體間界面分(fēn)離和纖維斷裂等，這些無損檢測的主要對象，都(dōu)是重要的聲發射源。
聲發射波的頻率範圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻。它的幅度動态範圍亦很廣，從微弱的位錯運動直到強烈的地震波。然而，聲發射作(zuò)爲無損檢測與無損評價手段，則是采用高靈敏度傳感器，在材料或構件(jiàn)受外力的作(zuò)用，且又遠在其達到破損以前，接收來自(zì)這些缺陷與損傷開始出現或擴展時所發射的聲發射信号，通過對這些信号的分(fēn)析、處理(lǐ)來檢測、評估材料或構件(jiàn)缺陷、損傷等内部特征。從而，通討(tǎo)聲發射檢測，可(kě)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(zuò)出結構完整性評價。
作(zuò)爲一種新的無損檢測技術，聲發射檢測技術與常規無損檢測技術：滲透、磁粉、渦流、射線、超聲檢測相(xiàng)比較具有兩個基本性的特點：？敏感于動态缺陷，而不是靜态缺陷；即不像其他(tā)無損檢測技術隻是在缺陷出現後，事(shì)後靜傑檢測時才能發現，而是在缺陷萌生(shēng)和擴展過程中，即能實時發現。？聲發射波來自(zì)缺陷的本身(shēn)而不是外部；從而可(kě)以得(de)到有關缺陷的豐富的信息以及檢測的高靈敏度與高分(fēn)辨率。
以上兩大(dà)特點導緻該項技術具有了以下不同于常規無損檢測技術的優點：
1）可(kě)獲得(de)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(dà)型構件(jiàn)，不需要移動傳感器做繁雜的掃查操作(zuò)，隻要布置好足夠數量的傳感器，經一次加載或試驗過程，即可(kě)大(dà)面積檢測确定缺陷的位置和監視缺陷的活動情況，操作(zuò)簡便，省工(gōng)、省時；
3）可(kě)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；

4）對被檢工(gōng)件(jiàn)的接近要求不高，因而适用于其它無損檢測方法難以或不能接近的，如(rú)高低溫、核輻射、易燃、易和極毒等環境下的檢測；
5）對構件(jiàn)的幾何形狀不敏感，适于檢測其他(tā)方法所不能檢測的形狀複雜的構件(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、聲發射技術在複合材料領域中的應用
複合材料是一種多相(xiàng)材料，由兩種或多種性質不同的材料組成，其主要組分(fēn)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)業言門得(de)到了大(dà)量的應用，并在壓力容器、管道，以及某些關鍵部位代替金屬材料。但(dàn)是，纖維增強複合材料具有導電性差、熱傳導率低、聲衰減高等特點，在機械和物理(lǐ)性能方面呈顯著的各向異性，這使得(de)它對無損檢測的波傳播所起的個用與金屬材料迥異，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，許多工(gōng)藝參數的微小差異會導緻其産生(shēng)諸多缺陷，使産品質量呈現明顯的散性。這些缺陷嚴重地影(yǐng)響構件(jiàn)的機械性能、結構完整性和使用壽命。
複合材料結構缺陷的類型繁多，但(dàn)大(dà)緻可(kě)以分(fēn)爲兩大(dà)類：
1）通常表現爲損害構件(jiàn)的機械性能和物理(lǐ)性能的有：氣孔、夾雜、分(fēn)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）通常表現爲損害構件(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。面對上述種類繁多的缺陷，迄今，還沒有一種無損檢測方法可(kě)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(dà)小、位置、取向及檢測設備檢測能力等因素，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，且對它的破壞機理(lǐ)還缺乏系統的了解，因而對它的主要缺陷類型仍是衆說紛纭，還不能用一、兩種主要類型的缺陷來決定其使用性能，評估預期壽命。例如(rú)，高性能的金屬結構，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始擴展爲可(kě)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(dà)多數金屬結構中，我們所查找的基本缺陷是裂逢，一旦用無損檢測方法确定了有缺陷的結構，就(jiù)可(kě)以利用斷裂力學的基本概念，計算出使用條件(jiàn)下金屬構件(jiàn)的預期壽命。

正如(rú)上文所述，複合材料至今尚不能以少數的幾種類型缺陷确定爲損傷起源的主要缺陷。
大(dà)量實驗證明：有些具有明顯宏觀缺陷的架件(jiàn)，加載試驗到破壞，其疲勞壽命不一定就(jiù)短(duǎn)；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短(duǎn)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，從而近年(nián)來，複合材料無損檢測與評價技術已經把重點轉移到，利用聲發射技術檢測材料與構件(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，聲發射技術不僅僅是内部缺陷和損傷的無損檢測手段，且已成爲材料性能（包括斷裂性能和力學性能等）研究、強度檢測與用壽命評估的必不可(kě)少的方法。
聲發射技術作(zuò)爲一種檢測技術起步于50年(nián)代初的德國，60年(nián)代，該項技術在美國原子能和宇航技術中迅速興起，産在玻璃鋼固體發動機殼體的檢測方面出現工(gōng)業應用的首例[2]，70年(nián)代，在日(rì)、歐及我國相(xiàng)繼得(de)到發展，但(dàn)因當時的技術和經驗所限，僅隻獲得(de)有限的成功。80年(nián)代，聲發射技術開始獲得(de)較爲正确的評價，并獲得(de)迅速發展，已在金屬和玩璃鋼壓力容器、儲罐、管道等重要領域進入工(gōng)業應用和标準化階段。随着計算機技術和信号處理(lǐ)技術的迅猛發展，國先進聲發射設備研制公司在聲發射技術軟，硬件(jiàn)方面的一些重大(dà)技術突破，以及新的數字化聲發射系統和相(xiàng)應的商業化實用軟件(jiàn)包的推出，已能獲得(de)複合材料缺陷與損傷，在其萌生(shēng)和發展中，甚爲豐富的和極其活躍的信息，使聲發射技才成爲在複合材料等先進的、新型材料研究和生(shēng)産中不可(kě)替代的動态無損檢測技術。
聲發射技術在這一領域的應用大(dà)緻可(kě)分(fēn)如(rú)下幾個方面：在複合材料性能研究方面的應用
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(de)到越來越廣泛應用的最重要因素是其強度高、重量輕、機械性能優越，而這些卓越性能則來自(zì)于複合材料中各構成成份本身(shēn)的優越性能和合理(lǐ)搭配。對于複合材料的強度、韌性方面的研究，離不開實驗手段，而聲發射技術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，大(dà)緻可(kě)分(fēn)纖維斷裂，基體開裂、脫粘、分(fēn)層等幾種主要形式，每種損傷形式對複合材料的整體性能都(dōu)有不同程度的影(yǐng)響和作(zuò)用，所以對于複合材料性能的研究離不開對這些損傷形式的研究。實際上，由于複合材料本身(shēn)的複雜性，使得(de)關于複合材料破壞機理(lǐ)方面的研究一直處于探索階段，許多問題還沒有被人(rén)們所揭示。多年(nián)來人(rén)們采用了各種手段從事(shì)這些方面的研究，但(dàn)這些手段都(dōu)很困難且都(dōu)有很大(dà)局限性。
大(dà)量研究表明，盡管複合材料的幾種損傷形式都(dōu)有各自(zì)不同的複雜性，但(dàn)幾乎都(dōu)有一個共同特點，那就(jiù)是這些損傷缺陷發生(shēng)和發展時都(dōu)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(fēn)析都(dōu)非常及時和有效，所以聲發射技術是複合材料破壞機理(lǐ)研究及強度性能研究的最有效手段之一。在這方面，國内外學者們進行了大(dà)量研究實踐，取得(de)了許多可(kě)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。
國内學者通過對Sic纖維鋁基複合材料聲發射研究發現用A技術能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度，由此能測定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(rén)通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(rén)對石墨環氧樹脂複合材料縱向開裂與纖維斷裂的聲發射特征研究進一步發現縱向開裂
（Longitudinal splitting）對應的E特征爲低幅度、短(duǎn)持續時間、低計數和低能量；而高幅值、長持續時間、高計數及高能量的E信号則來自(zì)于纖維斷裂[7]。
TYI-JIINLUO等通過陶瓷基複合材料縱向拉伸試驗的深入研究進一步發現：在應力水平超過應力應變關系的比例極限時，開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；在應變硬化開始點，基體裂紋及對應産生(shēng)的E信号達到飽和；在此後開始出現中等水平的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，膽技術在複含材料性能研究方面起了十分(fēn)重要作(zuò)用，也取得(de)許多突破性的進展，但(dàn)這方面的許多工(gōng)作(zuò)還處于探索之中。

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、重量輕的特點，近年(nián)來，被廣泛用于壓力容器、管道、飛機及航天器的某些部件(jiàn)上，聲發射技術對這些受力結構的完整性檢測和安全壽命評估提供了可(kě)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缺陷或微小缺陷諸如(rú)基體微裂紋、纖維/基體脫粘及單束纖維裂紋等很難發現，且很難做到動态、實時監測，而隻有聲發射手段能動态、實時發現這些缺陷。現代聲發射技術的全波形聲發射技術不但(dàn)能定性發現上述缺陷，而且通過多參數分(fēn)析、相(xiàng)關分(fēn)析等方法，尤其基于瞬态波形記錄的FFT分(fēn)析手段更能對上述缺陷進行定量識别。
聲發射用于壓力容器檢測方面，對于金屬壓力容器，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(kě)靠。對于複合材料壓力容器的檢測正是基于金屬壓力容器檢測基礎及複合材料A研究基礎上開展起來的。如(rú)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(shēn)是各向異性、非線性，以及幾種破壞形式的複雜性、不連續性，其缺陷檢測及安全評估方面又有很大(dà)的特殊性。
其二，作(zuò)爲現代處理(lǐ)技術的神經網絡及模态識别技術應用到聲發射研究，在傳統的聲發射研究中開辟了一個新領域，也給複雜條件(jiàn)下複雜結構的複合材料研究提供了新的可(kě)靠手段。由于複合材料損傷，不但(dàn)聲發射特征明顯，而且聲發射信号非常豐富和複雜。神經網絡分(fēn)析技術給解決這些複雜問題提供了新的手段。
其三，聲發射技術與現代斷裂力學、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理(lǐ)和壽命規律。
總之，聲發射技術将是複合材料研究領域中不可(kě)多得(de)的有生(shēng)力量。