一、聲發(fā)射技術機理及特征
聲發(fā)射（Acousticemission簡稱AE）又稱應力波發(fā)射，是材料或零部件受力作用産生變形、斷裂，或内部應力超過(guò)屈服極限ss而進(jìn)入不可逆的塑性變形階段，以瞬态彈性波形式釋放應變能(néng)的現象。
在外部條件作用下，固體（材料或零部件）的缺陷或潛在缺陷改變狀态而自動發(fā)出瞬态彈性波的現象亦爲聲發(fā)射。通常意義上的聲發(fā)射源，一般是指材料受力的作用所産生的各種(zhǒng)變形和斷裂機制，例如：金屬材料中的裂縫擴展、位錯運動、滑移帶的形成(chéng)、李生變形、晶界滑移、夾雜物的分離與開(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(miàn)分離和纖維斷裂等，這(zhè)些無損檢測的主要對(duì)象，都(dōu)是重要的聲發(fā)射源。
聲發(fā)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(fā)射作爲無損檢測與無損評價手段，則是采用高靈敏度傳感器，在材料或構件受外力的作用，且又遠在其達到破損以前，接收來自這(zhè)些缺陷與損傷開(kāi)始出現或擴展時所發(fā)射的聲發(fā)射信号，通過(guò)對(duì)這(zhè)些信号的分析、處理來檢測、評估材料或構件缺陷、損傷等内部特征。從而，通讨聲發(fā)射檢測，可以确定：[1]
1·材料或構件何時出現損傷；2，材料或構件出現損傷的部位
3·材料或構件出現損傷的嚴重程度及其危害性，對(duì)構件作出結構完整性評價。
作爲一種(zhǒng)新的無損檢測技術，聲發(fā)射檢測技術與常規無損檢測技術：滲透、磁粉、渦流、射線、超聲檢測相比較具有兩(liǎng)個基本性的特點：？敏感于動态缺陷，而不是靜态缺陷；即不像其他無損檢測技術隻是在缺陷出現後(hòu)，事(shì)後(hòu)靜傑檢測時才能(néng)發(fā)現，而是在缺陷萌生和擴展過(guò)程中，即能(néng)實時發(fā)現。？聲發(fā)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。
以上兩(liǎng)大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(duì)大型構件，不需要移動傳感器做繁雜的掃查操作，隻要布置好(hǎo)足夠數量的傳感器，經(jīng)一次加載或試驗過(guò)程，即可大面(miàn)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、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(guò)程監控，以及早期或臨近破不的預報；

4）對(duì)被(bèi)檢工件的接近要求不高，因而适用于其它無損檢測方法難以或不能(néng)接近的，如高低溫、核輻射、易燃、易和極毒等環境下的檢測；
5）對(duì)構件的幾何形狀不敏感，适于檢測其他方法所不能(néng)檢測的形狀複雜的構件；
6）幾乎所有材料在變形和斷裂時均産生聲發(fā)射，适用範圍廣。
二、聲發(fā)射技術在複合材料領域中的應用
複合材料是一種(zhǒng)多相材料，由兩(liǎng)種(zhǒng)或多種(zhǒng)性質不同的材料組成(chéng)，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和纏繞件。
複合材料因高的比強度和比模量以及良好(hǎo)的抗疲勞性和成(chéng)形工藝性，而在航空、航天、造船、建築、橋梁等工業言門得到了大量的應用，并在壓力容器、管道(dào)，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性差、熱傳導率低、聲衰減高等特點，在機械和物理性能(néng)方面(miàn)呈顯著的各向(xiàng)異性，這(zhè)使得它對(duì)無損檢測的波傳播所起(qǐ)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藝的特殊性，許多工藝參數的微小差異會導緻其産生諸多缺陷，使産品質量呈現明顯的散性。這(zhè)些缺陷嚴重地影響構件的機械性能(néng)、結構完整性和使用壽命。
複合材料結構缺陷的類型繁多，但大緻可以分爲兩(liǎng)大類：
1）通常表現爲損害構件的機械性能(néng)和物理性能(néng)的有：氣孔、夾雜、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）通常表現爲損害構件的整體完整性的有：脫粘、橫向(xiàng)斷裂、龜裂、缺膠、膠層厚度不均勻、結構内部損傷等。面(miàn)對(duì)上述種(zhǒng)類繁多的缺陷，迄今，還(hái)沒(méi)有一種(zhǒng)無損檢測方法可以檢測各種(zhǒng)複合材料構件的所有缺陷。在實際應用中，往往需根據複合材料構件的形狀、類型、使用要求，要求檢測的缺陷類型、大小、位置、取向(xiàng)及檢測設備檢測能(néng)力等因素，選用幾種(zhǒng)不同的方法互相補充。
然而，我們對(duì)每一複合材料構件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。
由于複合材料構件不同于金屬構件的特殊性，且對(duì)它的破壞機理還(hái)缺乏系統的了解，因而對(duì)它的主要缺陷類型仍是衆說紛纭，還(hái)不能(néng)用一、兩(liǎng)種(zhǒng)主要類型的缺陷來決定其使用性能(néng)，評估預期壽命。例如，高性能(néng)的金屬結構，相對(duì)來說，是用不包含所不希望存在的缺陷的材料制成(chéng)的。在使用中，破損往往起(qǐ)源于裂縫開(kāi)始擴展爲可辨認的缺陷的時候，而且發(fā)生于裂縫繼續擴展以後(hòu)。所以，在大多數金屬結構中，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，就可以利用斷裂力學(xué)的基本概念，計算出使用條件下金屬構件的預期壽命。

正如上文所述，複合材料至今尚不能(néng)以少數的幾種(zhǒng)類型缺陷确定爲損傷起(qǐ)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，加載試驗到破壞，其疲勞壽命不一定就短；相反，有些無明顯宏刃缺陷的構件，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(fā)現其所具有的疲芳壽命則遠短于正常構件。
由于聲發(fā)射對(duì)缺陷起(qǐ)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)，從而近年來，複合材料無損檢測與評價技術已經(jīng)把重點轉移到，利用聲發(fā)射技術檢測材料與構件的缺陷（包括微觀缺陷）與損傷的萌生與擴展，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(duì)複合材料的發(fā)展而言，聲發(fā)射技術不僅僅是内部缺陷和損傷的無損檢測手段，且已成(chéng)爲材料性能(néng)（包括斷裂性能(néng)和力學(xué)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(fā)射技術作爲一種(zhǒng)檢測技術起(qǐ)步于50年代初的德國(guó)，60年代，該項技術在美國(guó)原子能(néng)和宇航技術中迅速興起(qǐ)，産在玻璃鋼固體發(fā)動機殼體的檢測方面(miàn)出現工業應用的首例[2]，70年代，在日、歐及我國(guó)相繼得到發(fā)展，但因當時的技術和經(jīng)驗所限，僅隻獲得有限的成(chéng)功。80年代，聲發(fā)射技術開(kāi)始獲得較爲正确的評價，并獲得迅速發(fā)展，已在金屬和玩璃鋼壓力容器、儲罐、管道(dào)等重要領域進(jìn)入工業應用和标準化階段。随著(zhe)計算機技術和信号處理技術的迅猛發(fā)展，國(guó)先進(jìn)聲發(fā)射設備研制公司在聲發(fā)射技術軟，硬件方面(miàn)的一些重大技術突破，以及新的數字化聲發(fā)射系統和相應的商業化實用軟件包的推出，已能(néng)獲得複合材料缺陷與損傷，在其萌生和發(fā)展中，甚爲豐富的和極其活躍的信息，使聲發(fā)射技才成(chéng)爲在複合材料等先進(jìn)的、新型材料研究和生産中不可替代的動态無損檢測技術。
聲發(fā)射技術在這(zhè)一領域的應用大緻可分如下幾個方面(miàn)：在複合材料性能(néng)研究方面(miàn)的應用
在複合材料結構完整性檢測方面(miàn)的應用；在複合材料結構制造過(guò)程監測方面(miàn)的應用。

三、在複合材料性能(néng)研究方面(miàn)的應用
複合材料與傳統的金屬材料相比，在航空航天以及軍用和民用領域得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(néng)優越，而這(zhè)些卓越性能(néng)則來自于複合材料中各構成(chéng)成(chéng)份本身的優越性能(néng)和合理搭配。對(duì)于複合材料的強度、韌性方面(miàn)的研究，離不開(kāi)實驗手段，而聲發(fā)射技術在這(zhè)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，大緻可分纖維斷裂，基體開(kāi)裂、脫粘、分層等幾種(zhǒng)主要形式，每種(zhǒng)損傷形式對(duì)複合材料的整體性能(néng)都(dōu)有不同程度的影響和作用，所以對(duì)于複合材料性能(néng)的研究離不開(kāi)對(duì)這(zhè)些損傷形式的研究。實際上，由于複合材料本身的複雜性，使得關于複合材料破壞機理方面(miàn)的研究一直處于探索階段，許多問題還(hái)沒(méi)有被(bèi)人們所揭示。多年來人們采用了各種(zhǒng)手段從事(shì)這(zhè)些方面(miàn)的研究，但這(zhè)些手段都(dōu)很困難且都(dōu)有很大局限性。
大量研究表明，盡管複合材料的幾種(zhǒng)損傷形式都(dōu)有各自不同的複雜性，但幾乎都(dōu)有一個共同特點，那就是這(zhè)些損傷缺陷發(fā)生和發(fā)展時都(dōu)有很明顯的聲發(fā)射特征，而且聲發(fā)射手段對(duì)于這(zhè)些損傷過(guò)程的分析都(dōu)非常及時和有效，所以聲發(fā)射技術是複合材料破壞機理研究及強度性能(néng)研究的最有效手段之一。在這(zhè)方面(miàn)，國(guó)内外學(xué)者們進(jìn)行了大量研究實踐，取得了許多可貴的成(chéng)果。
在複合材料的聲發(fā)射特征中，振鈴計數、幅度、持續時間、恒載聲發(fā)射延續時間、Felicity比是區别複合材料構件各損傷階段、損傷類型、力學(xué)特性的主要參數。
國(guó)内學(xué)者通過(guò)對(duì)Sic纖維鋁基複合材料聲發(fā)射研究發(fā)現用A技術能(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(miàn)強度[5]。
J.G.BAKVCKAS等人通過(guò)對(duì)钛基複合材料損傷過(guò)程的聲發(fā)射研究，也揭示了幾種(zhǒng)主要的損傷形式發(fā)生時所對(duì)應的E事(shì)件幅度的關系。
ThomasM.Ely等人對(duì)石墨環氧樹脂複合材料縱向(xiàng)開(kāi)裂與纖維斷裂的聲發(fā)射特征研究進(jìn)一步發(fā)現縱向(xiàng)開(kāi)裂
（Longitudinal splitting）對(duì)應的E特征爲低幅度、短持續時間、低計數和低能(néng)量；而高幅值、長(cháng)持續時間、高計數及高能(néng)量的E信号則來自于纖維斷裂[7]。
TYI-JIINLUO等通過(guò)陶瓷基複合材料縱向(xiàng)拉伸試驗的深入研究進(jìn)一步發(fā)現：在應力水平超過(guò)應力應變關系的比例極限時，開(kāi)始出現基體裂紋并産生對(duì)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(duì)應産生的E信号達到飽和；在此後(hòu)開(kāi)始出現中等水平的E信号及對(duì)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，膽技術在複含材料性能(néng)研究方面(miàn)起(qǐ)了十分重要作用，也取得許多突破性的進(jìn)展，但這(zhè)方面(miàn)的許多工作還(hái)處于探索之中。

四、在複合材料結構完整性檢測方面(miàn)的應用
由于複合材料強度高、重量輕的特點，近年來，被(bèi)廣泛用于壓力容器、管道(dào)、飛機及航天器的某些部件上，聲發(fā)射技術對(duì)這(zhè)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(duì)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(duì)某些複雜缺陷或微小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(fā)現，且很難做到動态、實時監測，而隻有聲發(fā)射手段能(néng)動态、實時發(fā)現這(zhè)些缺陷。現代聲發(fā)射技術的全波形聲發(fā)射技術不但能(néng)定性發(fā)現上述缺陷，而且通過(guò)多參數分析、相關分析等方法，尤其基于瞬态波形記錄的FFT分析手段更能(néng)對(duì)上述缺陷進(jìn)行定量識别。
聲發(fā)射用于壓力容器檢測方面(miàn)，對(duì)于金屬壓力容器，聲發(fā)射手段已應用很廣、也很成(chéng)熟，有關這(zhè)方面(miàn)的檢測規範及标準也已非常完美和可靠。對(duì)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(kāi)展起(qǐ)來的。如前所述，由于複合材料在損傷過(guò)程中其A特征非常明顯，使用聲發(fā)射對(duì)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，它本身是各向(xiàng)異性、非線性，以及幾種(zhǒng)破壞形式的複雜性、不連續性，其缺陷檢測及安全評估方面(miàn)又有很大的特殊性。
其二，作爲現代處理技術的神經(jīng)網絡及模态識别技術應用到聲發(fā)射研究，在傳統的聲發(fā)射研究中開(kāi)辟了一個新領域，也給複雜條件下複雜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(fā)射特征明顯，而且聲發(fā)射信号非常豐富和複雜。神經(jīng)網絡分析技術給解決這(zhè)些複雜問題提供了新的手段。
其三，聲發(fā)射技術與現代斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)的結合將(jiāng)給複合材料構件的損傷容限設計提供依據，而且將(jiāng)更有效地揭示複合材料的損傷破壞機理和壽命規律。
總之，聲發(fā)射技術將(jiāng)是複合材料研究領域中不可多得的有生力量。