聲發射技術是一種實時在線健康監測技術，對于疲勞裂紋監測能在時域和頻域范圍有效識別結構內部缺陷在外載荷作用下的萌生、擴展以及貫通開裂的全過程信號特征。本文正是利用聲發射的這種動態監測特點，實時監測正交異性鋼結構橋梁板疲勞試驗過程內部損傷的發生、發展變化過程。結果表明，聲發射技術對于微損傷的識別能力從時間上和空間上遠優于肉眼識別的時間和精度。聲發射技術在時間裕度提供了損傷發生的時刻以及持續時間，損傷產生的歷程以及發展趨勢、嚴重程度，在空間裕度提供了多維分析方法，提高了分析的精度和準確性， 既是一種用于科學研究的方法，更是一種適合于工業監控和大型結構健康監測的先進技術。

 

    文/許鳳旌、汪文有 美國物理聲學公司（PAC）北京辦事處

 

    聲發射技術機理及特征

 

    聲發射（Acoustic emission簡稱AE）又稱應力波發射，通過聲發射檢測，可以確定材料或構件何時出現損傷；材料或構件出現損傷的部位；材料或構件出現損傷的嚴重程度及其危害性，對構件作出結構完整性評價。

 

    聲發射檢測技術敏感于動態缺陷，而不是靜態缺陷；聲發射波來自缺陷的本身而不是外部；從而可以得到有關缺陷的豐富的信息以及檢測的高靈敏度與高分辨率。

 

    疲勞損傷聲發射監測原理

 

    疲勞損傷是指材料或結構在交變載荷作用下由于機械、物理、化學等因素導致其力學性能、微觀結構產生劣化的結果。

 

    聲發射監測系統

 

    采用美國物理聲學公司的SAMOS PCI-8聲發射系統，150 khz 諧振傳感器，前置放大器增益40 dB，采樣頻率為1 MHz。采用高靈敏度的諧振傳感器，捕捉裂紋萌生、擴展、開裂全過程信號特征，實現實時在線健康監測。

 

    監測結果

 

    圖1中藍色箭頭線所指位置為此次試驗過程采用聲發射監測的區域。為方便說明監測與試驗時所發現裂紋的相對位置，圖1顯示了正交梁結構草圖，其中圓圈所示的為目視所觀察到的表面裂紋的位置。此文章共分析了兩個局部位置的數據，第二根橫梁的左邊算起第二、四U肋如圖1中G、I處，監測結果表明至少在人工觀察首次發現裂紋40小時之前，聲發射信號已出現了較清晰的裂紋信號特征。
 

 

圖1 正交異性鋼結構示意圖
 

    在人工觀察首次發現裂紋之前曾有過多次的目視檢查，但均未發現表面裂紋。與之相反聲發射在這段時間內多次出現明顯的裂紋信號特征。裂紋信號特征出現具有間歇性，即有時出現，有時不出現。每次出現時間的長短也不一致，從幾分鐘到幾小時不等。在有些時間段，裂紋信號的擴展具有從累積疲勞損傷信號增強到應力平衡被破壞能量釋放并重新積累能量的過程。不管是哪個位置出現的裂紋，它們均不一定是理論或實際應用當中的應力最大處。這些裂紋有可能出現在焊縫上，也有可能出現在材料的某個部位，如圖1中G處的裂紋。然而，這些非應力最大處卻有可能比應力最大處更早地出現裂紋。由此揭示橋梁結構的薄弱環節與最大應力并沒有直接關系，而是極大地取決于局部材料與焊接質量。
 

 

    因此，更進一步說明采用聲發射對裂紋進行監測的必要性。人工觀察裂紋不但有時間滯后的問題，而且無法觀察材料內部或視覺不可及的地方。采用聲發射監測不但可在第一時間報告裂紋的出現，而且可發現材料內部或目視無法觀察到的裂紋。

 

    第二橫梁左邊第二U肋數據分析由以上數據分析得知，在8月6日-8月9日，盡管通道1和通道8 之間并沒有可見的裂紋出現，但聲發射已監測到這段時間有較明顯的裂紋發生跡象。另外，在通道8與通道2之間也初步觀察到有裂紋產生。試驗結束后在該處即圖5位置G所觀察到的表面裂紋照片及位置草圖如圖5所示。這兩個位置與圖5顯示的裂紋定位圖相接近， 因此推斷該兩處裂紋的尖端在8月7-8日時已經有所損傷，導致最終產生表面裂紋。

 

 

    第二橫梁左邊第四U肋數據分析

 

    從8月2日16時07分開始至8月6日16時03分止一直由通道10單獨監測。其間進行了多次檢查，但均未發現表面裂紋。然而，聲發射監測最早于8月2日22時30分就開始監測到明顯的裂紋信號特征（見圖6與圖9），裂紋活動的持續時間也很長。為了驗證所接收到的信號確實為裂紋擴展相關信號，自8月6日16時27分開始至8月8日1時47 分又在該處添加了第6與第7通道以對信號進行裂紋定位分析。通道6 與7分別位于通道10兩側，與通道10 的距離均為200毫米左右。由圖8和圖9可知，初期裂紋靠近在裂紋的下端即通道10與通道7之間，隨著時間的進展，裂紋定位信號向通道7方向延伸。有趣的是，整個定位信號沿著時間軸在離通道10約100毫米的位置即焊縫下端形成一個清晰的界面。界面以下沒有焊縫，有一些少量的定位為噪聲及聲發射時差所致。由此更進一步證實所監測的信號與裂紋擴展有極大的相關性。盡管肉眼一直未觀察到裂紋，但本報告認為有很大的可能性裂紋存在于焊縫內部或視覺無法觸及的地方，應采用超聲方法對該處的焊縫狀態進行檢查以檢驗聲發射方法的有效性。

 

    通道10一直出現明顯的裂紋信號特征。通道6、7加入后在通道7與10之間出現了許多重復的定位。可觀察到定位數據由距通道10 約100毫米的位置向通道7方向擴展。

 

    結論

 

    至少在人工觀察首次發現裂紋40小時之前，聲發射信號已出現了較清晰的裂紋信號特征。在人工觀察首次發現裂紋之前曾有過多次的目視檢查，但均未發現表面裂紋。與之相反聲發射在這段時間內多次出現明顯的裂紋信號特征。

 

    裂紋信號特征出現具有間歇性，即有時出現，有時不出現。每次出現時間的長短也不一致，從幾分鐘到幾小時不等。在有些時間段，裂紋信號的擴展具有從累積疲勞損傷信號增強到應力平衡被破壞能量釋放并重新積累能量的過程。

 

    在圖1中G處，8月3日凌晨就開始出現裂紋信號的特征。8月7、8日的定位圖中可看出，在1號探頭和8號探頭中間出現定位信號，這些裂紋特征信號的出現比最終肉眼觀察到表面裂紋的出現早了約20天。通過和最終裂紋位置的對比，這些定位信號很可能是后來出現的裂紋在早期損傷階段產生。

 

    在圖1中I處，8月2日聲發射信號就已經明顯地出現了裂紋信號特征。至8月8日數據記錄結束后，人工觀察一直未發現表面裂紋。對聲發射信號的觀察分析推斷，裂紋在此處存在的可能性極大。裂紋有可能發生在材料內部或不可視的地方。需要用超聲等無損檢測方法對疑似裂紋處進行探傷。

 

    圖8表明大部分的定位信號均靠近焊縫的最下端，即距離10號傳感器約100毫米處。隨著疲勞加載時間的進展，定位事件朝著7號傳感器方向逐漸增長。由此亦證明了裂紋逐漸由下朝上擴展的趨勢。

 

    在圖8、圖9中還可觀察到沿時間軸的，自然形成定位邊界。該邊界與焊縫的下緣吻合。由此更進一步地證明所監測到的特征信號確實來自于焊縫處。采用聲發射監測不但可在第一時間報告裂紋的出現，而且可發現材料內部或目視無法觀察到的裂紋。

 

    不管是哪個位置出現的裂紋，它們均不一定是理論或實際應用當中的應力最大處。這些裂紋有可能出現在焊縫上，也有可能出現在材料的某個部位，由此揭示橋梁結構的薄弱環節與最大應力并沒有直接關系，而是極大地取決于局部材料與焊接質量。